Appunti Studio del Prodotto e del Processo

Studio del prodotto e del processo

Ottimizzazione ed innovazione dei processi produttivi

Purché il corso si prefigga l’obiettivo di ottimizzare un processo produttivo, come in ogni situazione reale non cercheremo l’ottimo assoluto, ma l’ottimo con quello che abbiamo a disposizione ovvero coi vincoli imposti. I vincoli imposti sono per esempio macchinari o lavorabilità dei materiali; proveremo infatti a capire come modifiche nel disegno del prodotto (geometrie, materiali, tecnologie adottate e produzione) possano portare a riduzioni dei costi e quindi appunto ad un’ottimizzazione del processo. L’obiettivo dell’azienda non è tenere le macchine occupate ma avere il ritorno economico, non è tenendole accese sempre che lavorano bene ma usandole bene.

I primi 10 file di slide sono per tutti, i gestionali hanno anche le lezioni da 11 in poi e la 1.2. L’esame è organizzato come scritto (6 domande 1 ora) più presentazione di un progetto DFM. Il progetto DFM è un lavoro di gruppo, da consegnare su Moodle quando vuoi durante l’anno. Dopo scritto e progetto viene fatta una proposta di voto, se la rifiuti puoi migliorare (o peggiorare) con un orale opzionale. Prima conviene dare lo scritto ma puoi fare come vuoi. Una volta dati, lo scritto o il progetto, non scadono.

Introduzione al Design for Manufacturing (DFM)

Il DFM è la progettazione per l’ottimizzazione della produzione (tradotta male), nasce nel generico approccio del Design for X, è un modello che nasce negli anni '80 quando si capisce che la progettazione “intuitiva” non bastava più in quanto essa diviene più complessa. Si devono allora definire delle linee guida così che ogni gruppo lavori al progetto avendo in mente un obiettivo chiaro. Design for X è nel generale, c’è il Design for Reliability (Affidabilità), Manutenzione, impatto ambientale ecc. ecc… Il DFM si concentra sui processi produttivi cercando di renderli meno energivori, inquinanti e costosi (il design of environment si concentra anche sull’uso del prodotto e di come questo si comporta con l’ambiente).

Nacque negli anni '80 poiché si assistette ad uno scontro tra il sistema produttivo orientale e occidentale, il primo produceva cose dalle qualità non elevatissime ma con costi di produzione molto bassi, il mercato venne inondato da questi prodotti che misero in crisi l’occidente. Per evitare di soccombere si cambiò approccio: negli anni '60 bastava produrre, il costo del prodotto non era fondamentale, a oggi invece il controllo sui costi di produzione è strettissimo. Alcune aziende ovviamente sentono questa produzione più di altre, le aziende per la produzione di massa, automotive e altri hanno margini di costo bassissimi, risicano molto; margini alti si trovano in settori di nicchia o anche nell’oil&gas. L’ottimizzazione su una sospensione di un veicolo è incredibilmente spinta (a causa della produzione di massa) per esempio.

Il cambiamento risiede nel capo progettista che non è più da solo ma deve riunire esperti in ambiti e nozioni che il capo progettista stesso non ha. Anche solo riunire un ingegnere meccanico e un gestionale allarga molto il campo nella progettazione così da capire se le soluzioni scelte sono buone da un punto di vista di costo e immissione nel mercato, “ma se così non fosse allora cosa posso fare”? Si ottengono gruppi multifunzionali che rispondono a questa domanda ma che in generale hanno le capacità per comprendere il progetto, i processi di fabbricazione, come ottimizzarli dati dei vincoli, i tempi e costi della produzione.

La progettazione diventa condivisa, figure diverse entrano nel merito delle scelte progettuali in momenti diversi. Si ha un’unione tra marketing, ingegneria e produzione: il primo sceglie il prodotto che il mercato può accogliere, l’ingegneria lo disegna e lo progetta ma lo può anche cambiare nel caso ce ne fosse bisogno (il gruppo marketing dovrà però confermare queste modifiche) e infine anche la produzione dice la sua proponendo materiali o diversi metodi per una miglior producibilità (scelte che però l’ingegnere dovrà verificare), il tutto quasi simultaneamente.

Rispetto agli anni '60 sono nati talmente tanti nuovi metodi di produzione, tecnologie e materiali che il progettista non può conoscere, basti pensare all’evoluzione degli utensili e al complesso metodo che porta alla sua scelta. Il DFM ha portato alla riduzione dei costi di produzione, alla riduzione del numero delle parti, all’uso di nuovi materiali, all’introduzione di parti standardizzate ed integrate e di procedure di assemblaggio più semplici.

Processo del DFM

Alla base del design for manufacturing ci sta la distinta base (bills of material) cioè la lista (ordinata) dei componenti che formano il prodotto, questo perché il prodotto deve essere il più producibile possibile col miglior costo; quindi, partendo dalla distinta attribuisco ai componenti un costo valutando la soluzione attuale. Quindi il prodotto non parte da un foglio bianco, ma da un progetto preesistente? Ni. L’azienda si basa sempre su qualcosa che già esisteva, oltretutto l’azienda riunisce persone con esperienza che hanno un passato.

L’automotive a oggi spende circa 12-18 mesi tra l’idea di un veicolo e la sua immissione sul mercato e per farlo si affidano a fornitori per frizioni, cambi, impianti di condizionamento ecc., quindi io progetto in generale la macchina ma molte delle sue parti vengono da fuori, i fornitori lavorano sui vincoli che io impongo loro (ingombri, prestazioni…). L’automotive tiene in continua ottimizzazione i propri componenti chiedendo alle aziende la continua analisi di quello che hanno, cioè il fornitore dovrà ogni anno trovare soluzioni innovative a livello tecnologico per continuare a rimanere sul mercato. Per esempio, se si rompe una parte di una macchina viene richiesto il numero di serie per capire quale componente quella macchina equipaggiasse visto che il componente può cambiare nel tempo.

Dalla distinta inizio a ragionare: guardo i componenti e guardo quanto mi costa l’oggetto contando i processi per la produzione e assemblaggio tramite i sistemi di contabilità, si sviluppano poi soluzioni per ridurre questi costi partendo da un diagramma di Pareto così da capire quali sono i componenti che costano di più. I passi del DFM diventano quindi:

• Stime dei costi di produzione (dalla distinta base)
• Riduzione dei costi di: componenti/assemblaggio/supporto alla produzione
• Valutazione effetti azioni DFM su altri fattori (funzionalità, design, etc.)

Posso ridurre i costi tecnologici lasciando intatta la geometria ma cambiando i processi che mi creano il componente o addirittura cambiando il materiale (alla base dei cambi c’è il numero di pezzi richiesto in quanto tecnologie che vanno bene per piccoli numeri non vanno per grandi volumi). Le aziende che adottano tecniche DFM sono obbligate a rivedere i propri risultati periodicamente; le grandi aziende sono molto inerti al cambiamento, solo perché è sempre stato fatto così non vuol dire che debba essere fatto per sempre. Proporre soluzioni e spingere verso costi minori favorisce anche la ricerca di nuovi materiali e processi. Si possono ridurre i costi di assemblaggio e i costi generali, cioè quelle spese non legate alla produzione (affitto del capannone, costi di pulizia, mensa, assicurazione…) ovvero i costi che l’azienda sostiene indipendentemente da ciò o quanto venga prodotto al suo interno, grazie a opportune tecniche.

Il DFM si usa in ambiti di riprogettazione, molte volte si va a riguardare le cose fatte dagli altri per migliorarle. Quando il tecnologo ha studiato le soluzioni per la riduzione dei costi la palla passa ai progettisti che di fronte a queste riduzioni valutano se esse possano essere dannose sotto altri aspetti quali prestazioni o altro e decidono se accettarle o no. In caso negativo si torna al tecnologo che riparte dai costi ed ai suoi abbattimenti tramite soluzioni diverse. Se il target è raggiunto allora il progetto viene congelato e può partire la sua produzione. Il processo DFM è quindi iterativo: parte dai componenti più costosi per arrivare allo sviluppo di nuove soluzioni tecniche.

Per ricapitolare, nella prima casella si fa un’analisi del prodotto già esistente, successivamente si formulano soluzioni che possono abbattere i costi e se ne analizza l’impatto su marketing, resistenza, prestazioni ecc.

Per esempio, nell’immagine si vede un collettore di aspirazione realizzato per pressofusione (bassi costi variabili e quindi adatto a produzioni ad alto numero di pezzi anche per geometrie complesse, è molto usato nell’automotive dove le produzioni sono di massa, il tempo ciclo è di circa 40-60s) in alluminio. Nella seconda immagine si è passati da alluminio a plastica e ciò ha migliorato anche i processi tecnologici. L’alluminio poteva anche risultare troppo prestazionale ma per l’inerzia delle grandi aziende il progetto non è mai stato cambiato. Per un’analisi dei costi dobbiamo capire cosa entra nel processo produttivo, sicuramente escono prodotti finiti e scarti dove questi non vengono buttati via ma ovviamente riutilizzati (il metallo è ben riciclabile). Entrano nel sistema le materie prime, la manodopera, i componenti acquistati esternamente (la maggior parte della produzione deriva da fornitori esterni, certi componenti è molto più conveniente comprarli che produrli), i servizi (che fanno funzionare l’azienda).

Fase 1 - Stima dei costi di produzione

Abbiamo detto le riduzioni si concentrano su riduzioni di costi dei componenti e dell’assemblaggio. La prima voce fa riferimento al costo delle parti necessarie, sia che siano standardizzate che personalizzate, le parti comprate da catalogo non possono ridurre i costi ma se il componente è prodotto internamente allora è possibile lavorare sul suo costo.

I costi di assemblaggio si legano alla complessità del montaggio e al numero di pezzi. Occhio l’assemblaggio è un costo variabile in quanto spesso svolto da manodopera (ma dipende, se finita la mansione l’operaio è reimpiegabile in un altro assemblaggio allora è un costo fisso, è contorto da morire), per sistemi pericolosi o complessi si può automatizzare il processo e parlare di una “linea d’assemblaggio” per il quale si necessita di un investimento iniziale.

Vediamo i costi per produrre un componente (il collettore): il condotto di aspirazione ha costo di materia prima e costo del processo (il costo della macchina non è imputabile al singolo prodotto in quanto una macchina non è destinata per tutta la sua vita a fare quel componente). Ricorda che uno stampo per pressofusione dura circa 150.000 battute (in una battuta posso produrre più pezzi), raggiunto il massimo si azzera il conteggio e quindi non divido il costo dello stampo per il numero di pezzi che voglio produrre ma per il numero di pezzi che lo stampo riesce a reggere, in questo modo ottengo il costo fisso unitario. Spiegato meglio, se il numero di pezzi è maggiore della vita dello stampo divido il costo dello stampo per il numero di pezzi che riesce a produrre, se il numero di pezzi che voglio produrre è invece minore divido il costo dello stampo per quel numero di pezzi.

Si trova un valore di circa 24 dollari di costo per un componente, ma questo è il costo diretto cioè quello imputabile ai processi produttivi, dovrò poi aggiungere i costi sostenuti dall’azienda che indirettamente sostengono l’attività produttiva (ufficio acquisti, ufficio tecnico…) e non sono pochi. Si passa da 24 a 38 dollari quindi 14 dollari di costi generali. Più l’azienda è grande e complessa più è difficile gestirla e quindi aumenta l’incidenza dei costi generali sui costi diretti. Ricorda che il costo diretto (la tua responsabilità) verrà maggiorato dei costi generali. [COSTO PRODOTTO= COSTI DIRETTI + COSTI GENERALI, dove COSTI DIRETTI SI IMPUTANO AL PROCESSO PRODUTTIVO]

Ora, l’analisi dei costi parte dalla distinta base e la prima cosa che faccio è decidere se comprare quei componenti (standard) o produrli, quelli standard hanno un costo abbastanza basso e una volta quantificato quello è un costo diretto (cioè il costo d’acquisto). Occhio, ovviamente non devo chiedere modifiche al prodotto standard in quanto a quel punto il suo prezzo lievita.

Se decido di produrlo ho fonti di costo da:

• Materiale, cioè il suo prezzo al kg e quanto me ne serve per quel componente (l’acciaio si aggira a oggi sul 1,20 euro/kg) ma occhio perché la quantità da comprare dipende dal processo che userò, oltretutto sicuramente avrò dei prodotti difettosi o scarti, tipo nelle deformazioni plastiche si difetta un 5%, ma per esempio l’asportazione di truciolo spreca di media il 70% del materiale; ovviamente i trucioli e gli scarti sono inseriti in un percorso di riciclaggio. Si può pensare di riguadagnare il 10% di quanto speso (ho pagato 1 mi riguadagno dal riciclo 0,1).
• Utilizzo della macchina, ed è una voce complessa: in essa entrano il costo di acquisto della macchina e la sua vita stimata in ore di lavoro (pagata 200.000 euro e può lavorare 20.000 ore la pago 10 euro/ora) ma essa potrebbe anche rompersi, la macchina richiede poi manodopera, oli e utensili e quelli vanno contati. Nelle presse si parla di circa 25$/h e nelle CNC 75$/h (incluso il costo della manodopera e tutto il resto).
• Costi di impianto: acquisto utensili, staffaggi e stampi (esempio precedente)
• Costi di ispezione

Di quanto maggioro la quantità di materiale da acquistare? Dipende dal processo, per la pressofusione ma le fusioni in generali gli scarti sono bassissimi (posso rifondere eventuali difetti) quindi posso maggiorare di un 3-4%.

Ma in generale come faccio a conoscere questi costi? Mi serve uno studio di fabbricazione ben fatto per fare un’analisi dei costi. Nell’ottica DFM si ricorre a sistemi un po’ approssimati cioè attivatori di costo. Sono quelle variabili, da individuare, che influiscono sul costo finale del componente. Esempio: siamo un’azienda che fa pressofusioni e si producono cilindri, cosa influenza il costo del prodotto? La dimensione (alesaggio, lunghezza...). Posso fare una regressione per trovare un legame tra dimensione e prezzo basandomi anche sul passato della mia azienda (senza andare troppo indietro, puoi andare fino all’ultima innovazione tecnologica), posso poi trovare altri indicatori che mi aumentano i costi senza doverli quantificare per forza (superfici da lavorare, peso del grezzo, sottosquadri…). [Occhio, i costi di progettazione di tutto quello che usi (stampi…) e dello studio di fabbricazione sono costi fissi legati alla persona dietro la realizzazione].

I costi di assemblaggio fanno riferimento molto spesso ai costi di manodopera che si aggirano tra i 15-25 euro/h, e dipendono dal tempo necessario a seguire l’operazione. Le operazioni principali sono di manipolazione (muovere il componente per portarlo in posizione di lavoro) e dipendono da organizzazione (per esempio se devo cercare un pezzo in una vasca o se è pronto per essere preso), geometria e tempo di inserzione cioè quanto tempo ci metto a legarlo al semilavorato. Si stima 1,5s di manipolazione e 1,5s di inserzione; quindi, 3 secondi per assemblare un componente. Ovviamente il tempo aumenta per componenti pesanti e difficili da assemblare.

I costi generali sono quelli che si sostengono a livello aziendale indipendentemente da cosa e quanto produco. Il loro problema è quantificarli e a ripartirli sul prodotto. Una strategia è quella di trovare il rapporto costi diretti/costi generali periodicamente, ogni anno faccio la lista dei costi generali e dei costi diretti (800.000/200.000 per esempio). Per un’analisi più approfondita posso dividere i costi generali in famiglie e mi chiedo “quali dei miei costi generali fanno parte della famiglia materiali e quali della manodopera?”, per esempio metto la mensa in manodopera, magazzino in materiali, controllo qualità in materiali. Devo chiedermi se all’aumentare di materiale o manodopera aumenta il costo della relativa famiglia: i materiali non aumentano il costo della mensa, per esempio, il (costo del) controllo qualità aumenta all’aumentare del materiale che gira nella mia azienda.

Mettiamo di avere 100k euro di costi generali totali. Di questi 60k sono legati a manodopera e 40k ai materiali. Mettiamo poi di avere 5 prodotti (a, b, c, d, e) e per ognuno conosco i costi di materiali e manodopera diretti.

I prodotti non devono essere proporzionali per forza, magari C ha molto assemblaggio ma materiale scarso, D viceversa. Vediamo i costi totali: Ho 400k per i costi diretti di materiali e 300k di costi di manodopera. Posso trovare degli attivatori? A fronte di un euro speso nei costi diretti di materiale ne spendo il 10% in costo generale associato (400k/40k). Per la manodopera ho il 20%. Queste percentuali sono gli attivatori. Alla fine mi calcolo il costo generale del singolo prodotto, facciamolo per C e D in quanto a parità di costo diretto possono avere costi generali diversi.

C: ha 30k di costo diretto in materiali e quindi 3k per i costi generali in materiali (il 10% di 30k) e 14k associati alla manodopera, per un totale di 17k euro.
D: ha lo stesso costo diretto 100k ma magari ha costi generali diversi → 7k+6k=13k euro. Questo vuol dire che per produrre C nell’anno ho speso 100k di costi diretti e 17k per costi generali.