Design for Manufacturing, prof. Armillotta

obiettivi del corso:

• selezione del processo

- riconoscere i processi produttivi

- capire perchè sono stati fatti così

- imparare a fare le migliori scelte per un nuovo prodotto

- interpretare e rivedere un disegno tecnico

- stimare i costi di produzione e di assemblaggio

progettazione degli assiemi

•

- essere familiari con i processi di joining e assembling

- disegnare correttamente i joints

- riprogettare un prodotto diminuendo i costi produttivi (semplificazione)

- utilizzare componenti commerciali

progettazione dei componenti

•

- progettare i dettagli delle parti evitando difetti e diminuendo i costi

- capire le sequenze di processo

PER STUDIARE QUESTA MATERIA SI PUò ANDARE IN BIBLIOTECA DI INGEGNERIA E

GUARDARE I VIDEO DEI METODI PRODUTTIVI

ALTRA COSA DA FARE è SEGNARE TUTTI I TERMINI IN INGLESE NEL MIO VOCABOLARIO

INTRODUZIONE

Cosa cerca un azienda in un prodotto: qualità, costo, veloce (good, cheap, fast).

L’industria manufacturing produce sia i materiali che i prodotti.

In questo contesto è il designer (progettista) che può fare in modo di ridurre i costi di produzione

di un prodotto, progettando meglio un oggetto.

Il design for manufacturing and assembly consiste in tre concetti per quanto riguarda il designer:

process selection,

1) significa riuscire a riconoscere il processo manufatturiero e di

assemblaggio dei prodotti esistenti, capire perchè è stato scelto un determinato processo,

scegliere la migliore strada di processo per nuovi prodotti, stimare i costi di manifattura e

assemblaggio.

assembly design,

2) significa essere familiari con i processi di giuntura e assemblaggio,

progettare correttamente le giunture, semplificare i prodotti per poterne ridurre il costo di

assemblaggio, utilizzare parti standard (off-the-shelf parts).

part design,

3) significa riuscire a progettare i dettagli delle parti in modo da evitare difetti e

ridurre i costi, comprendere la sequenza del processo.

La tecnologia di produzione consiste in tre parti: prodotto, processo e sistema.

Prodotto

• Processo, è la sequenza delle attività di fabbricazione

• Sistema,

• è l’insieme delle risorse necessarie per realizzare un processo (macchine e

attrezzature). Conoscere le risorse significa sapere dare delle previsioni di costi.

cose da sapere del processo manufatturiero:

- sequenza di operazioni

- equipment, tooling

- applications

- difetti

- product design rules

cosa deve essere in grado di fare un designer:

- scegliere il processo produttivo, in base alle specifiche di prodotto

- il progettista deve essere in grado di progettare gli assiemi (insiemi di parti)

- progettazione corretta delle parti, in modo che non costi troppo e che non abbia difetti

PROCESSI

* tutti i processi di produzione dei metalli e delle plastiche

RISORSE

Materiale

Il materiale costituisce approssimativamente il 50% del costo di produzione.

Il materiale diretto è quello che viene utilizzato per costituire il prodotto (considerato anche lo

sfrido, cioè il materiale diretto che viene perso nelle lavorazioni ad esempio il materiale di scarto)

Il materiale indiretto è utilizzato nel processo produttivo ma non si ritrova nel prodotto (es. forme a

perdere, cioè negli stampi i materiali utilizzati, lubrificanti, gas)

Manodopera

È considerato il personale impiegato nei reparti di produzione.

La manodopera diretta è quella che lavora direttamente sul prodotto, la manodopera indiretta è

invece quella che supporta la manodopera diretta (manutentori, trasportatori, supervisori) e costa

all’ora di più della manodopera diretta.

Macchinari

Il macchinario ha un costo iniziale (l’investimento) che deve essere considerato, il prezzo è dato in

base al costo iniziale ed al volume di produzione.

Un macchinario è fatto per lavorare prodotti diversi, e per fare ciò deve essere attrezzato (con gli

stampi).

La lavorazione dei macchinari si paga in ora, quello dell’attrezzatura no in quanto si considera il

costo dell’energia, il costo di gestione dei magazzini, ecc.

MASS PRODUCTION

Con la produzione di massa si intendono almeno decine di migliaia di pezzi in tutta la vita utile del

prodotto.

Da un prodotto di serie ci si aspetta che costi poco e che sia di ottima qualità

Per la produzione di massa si richiedono investimenti alti, in quanto le macchine sono complesse

e costose ma comunque il prodotto risulta più economico poichè il tempo ciclo è più breve ed i

volumi più grossi. costo unitario di produzione,

Con le macchine si diminuisce quindi il cioè il costo effettivo di un

solo oggetto.

Per la produzione di massa serve un grande investimento che però deve essere ammortizzato con

alti numeri di produzione.

(Re)design for manufacturing

Significa riprogettare un prodotto in funzione del processo produttivo.

Perchè si riprogettano gli oggetti?

- per ridurre i difetti

- per ridurre i costi

ASSEMBLY DESIGN

Innanzitutto esistono due tipi di giunti:

Assembly

- giunti permanenti

- giunti rimovibili permanent

Assembly (joining) Joints

operations removable

(fasteners)

I processi di assemblaggio sono:

Welding of metals

saldatura (metallo e plastica)

• incollaggio

• montaggio con fastener

• collegamenti integrali o a chiusura di forma (deformare le parti in modo da unire insieme le parti,

• senza usare componenti aggiuntivi)

Nel progettare un pezzo bisogna favorire la facilità di assemblaggio e ridurre i costi.

Linee per la riduzione dei componenti possono essere eliminati a meno che:

Non ci sia un movimento relativo rispetto ad altri

• Abbiano materiali diversi

• Deve essere separato dagli altri per manutenzione

•

Linee guida per la progettazione dei pezzi per semplificare la manipolazione e l’orientamento

Facilitare l’afferraggio e lo spostamento del componente garantendo al pezzo di essere afferrato

• con una mano sola senza l’aiuto di strumenti. (no molto piccoli no scivolosi no affilati no

flessibili)

Facilitare l’orientamento con parti simmetriche , evitando o accentuando asimmetrie (per evitare

• di montare pezzi al contrario)

Facilitare l’inserimento con raccordi, lasciando accessibilità sul pezzo per l’allineamento,

• facilitando gli inserimenti verticali ed orizzontali evitando impuntamenti e hold down, aria nei

fori, fool proofing.

Meglio favorire inserimenti verticali

•

SALDATURA DI METALLI

Welding of metals

• Principle: welded part

(weldment)

filler

metal melting pool →

heat weld joint

parts to be welded

(base metal)

faying surfaces

• Types of joints: (s < 3 mm)

fillet

joints: (3 < s < 6 mm)

corner joint

butt joint Groove welds

with preparation

tee-joint of edges

lap joint (s > 6 mm)

La scelta della corretta tecnica di saldatura è un compromesso tra il tempo ed il costo, oltre che ai

tipi di metallo di forma.

I giunti sono saldati portando a solidificazione il materiale.

Welding processes

Giunto di testa

- (butt joint) (un bordo di superficie contro un altro bordo), in questo caso si può

anche angolare la giunzione.

• MIG welding (Metal Inert Gas):

Giunto a sovrapposizione

- (un area della superficie è sovrapposta ad un altra).

Shielding gas

Electrode wire

(filler metal)

Giunti ad angolo o giunto a L

- (un bordo della superficie contro la faccia dell’altra), in questo

Spool

caso si può anche angolare la giunzione. Wire feed

and speed control

Giunti a T,

- in questo caso si può anche angolare la giunzione.

Welding

Arc gun

Le lamiere da 3 a 6mm vengono distanziate per permettere al materiale di saldatura di penetrare

Electric

bene fino in fondo, mentre con lamiere sotto i 3mm questo problema non persiste.

power

Base metal

Quando si hanno spessori superiori a 6mm si deve effettuare una lavorazione aggiuntiva chiamata

source

cianfrinatura (dei bordi) che consiste nello smussare i bordi per fare spazio al materiale di

saldatura. • Wide range of alloys

(steels, Al, Ti, …)

La lamiera laminata a freddo (la più precisa) non è possibile acquistarla dalle azienda per

* • Optimum quality on

spessori superiori a 3mm. carbon steels

• Relatively fast

• Thickness 0.5-6 mm

SALDATURA MIG (Metal Inert Gas)

Welding processes

GMAW

Meglio detta come (Gas Metal Arc Welding).

• MIG welding (Metal Inert Gas): Shielding gas

Electrode wire

(filler metal) Spool

Wire feed

and speed control

Welding

Arc gun Electric

power

Base metal source

• Wide range of alloys

(steels, Al, Ti, …)

• Optimum quality on

carbon steels

• Relatively fast

• Thickness 0.5-6 mm

I lembi vengono portati a contatto, il metallo base e l’elettrodo sono collegati ad una fonte

elettrica.

L’elettrodo è un filo contenuto dentro la torcia di saldatura. C’è una bobina che viene lentamente

srotolata. La differenza di potenziale elettrico tra il metallo base e l’arco produce una grande

quantità di calore, abbastanza da sciogliere l’arco.

Elio e argon, espulsi dalla punta della torcia, circondano la zona dell’arco dal metallo fuso in modo

da evitare il contatto eccessivo con l’aria, evitando l’ossidazione. il gas di protezione ha una

duplice funzione: proteggere dall’ossidazione e raffreddare il metallo durante la saldatura (non fa

in modo che si crei una differenza di temperatura tra l’interno e l’esterno della saldatura, evitando

così deformazioni).

Costo di attrezzaggio

Moderato

Materiali

Acciaio al carbonio, acciai legati, acciai inossidabili, leghe di alluminio, titanio, magnesio (le leghe

di alluminio e di titanio formano molto ossido che è refrattario).

Spessori

Da 0,5 a 6 mm.

Qualità superficiale / Finitura

medio-alta (non è necessario pulire i lembi)

Temperatura

4000°/7000°

Velocità

È una saldatura abbastanza veloce, cioè 30/40 cm al minuto, considerando anche che non

bisogna cambiare l’elettrodo e che non vi è la necessità di rimuovere materiale di scarto.

Ossidazioni

Bassa ( solo nella variante MAG dove si usa l’anidride carbonica al posto del gas protettivo argon,

elio)

Applicazioni

Produzioni medio alte.

Problematiche

Difficoltà di esecuzione all’aperto (portate eccessive di gas).

Possibilità di distorsioni del materiale se lo spessore è > 6 mm per causa del veloce

raffreddamento dovuto al gas.

Varianti

MAG (Metal Active Gas), la differenza è che utilizza anidride carbonica come gas di protezione.

Rispetto alla MIG ha un risultato meno brillante, ma più economico.

saldatura ad arco con elettrodo rivestito

* La (saldatura stick) è inutile per spessori < 3 mm per

via della grande quantità di energia che impiega, viene usata soprattutto nelle costruzioni.

Welding processes

SALDATURA TIG (Tungsten Inert Gas)

• TIG welding (Tungsten Inert Gas):

Tungsten

electrode

Filler Shielding

metal gas

Cooling

water

Welding

gun Electric

Base metal power

source

• Same alloys as MIG

• Slower than MIG

• Better quality than

MIG on Al, Ti

• Thickness 0.2-3 mm

Alla torcia di saldatura arriva il cavo elettrico e il tubo di gas, l’elettrodo in tungsteno e l’acqua di

raffreddamento.

L’arco è più stabile e vi è quindi la possibilità di portarlo ad una temperatura maggiore, utilizzando

correnti più basse. Questo consente la lavorazione di lamiere anche più sottili (0,1 mm).

Welding processes

Per saldare pezzi un po più complicati si inizia con una imbastitura (magari con il MIG), ovvero

una prima passata giusto per tenere insieme e fermi i pezzi. Si procede poi eventualmente con il

TIG per il resto della saldatura.

Nel raffreddamento i materiali possono subire delle variazioni di colore oltre che eccesso di

materiale, e quindi bisogna sempre considerare il tempo ed il costo in più che ci vuole per rifinire

la saldatura (molare per pareggiare la superficie e poi lucidarla con una lucidatrice).

Questo è un processo che ha senso sui piccoli numeri. Sui grandi numeri si possono preferire altri

processi.

Truss structure in Al alloy Welding fixture

Costo di attrezzaggio

Moderato

Materiali

Acciaio al carbonio, acciai legati, acciai inossidabili, leghe di alluminio, titanio, magnesio

Spessori

Da 0,2 a 3 mm. TIG complete welds

MIG tack welds gun Electric

Base metal power

source

Qualità superficiale / Finitura

Qualità migliore rispetto al MIG su alluminio e titanio. Migliore uniformità della saldatura rispetto al

MIG per spessori > 1 mm. • Same alloys as MIG

• Slower than MIG

Temperatura • Better quality than

4000°/7000°, anche se il tungsteno fonde intorno ai 3000°C, permettendo quindi di lavorare con

MIG on Al, Ti

meno potenza di corrente e quindi lavorare più di fino. • Thickness 0.2-3 mm

Velocità

Più lento rispetto al MIG (nella scelta della saldatura ha influenza anche la velocità di saldatura).

Ossidazione

Bassa

Applicazioni

Welding processes

Produzioni medio grandi

Truss structure in Al alloy Welding fixture

TIG complete welds

MIG tack welds Welding processes

SALDATURA A LASER

Welding processes

• Laser-beam welding:

Laser

source Electric

power source

Optics

Base metal

• High speed and quality

due to the small laser spot

• Expensive equipment

Il laser è una luce ad alta energia e concentrata (ad esempio 500W concentrato in 1mm). Vi è un

sistema ottico che concentra ancora di più la luce su uno spot (cioè lo spazio di proiezione) di

dimensione di 0,1/0,2 mm. La luce è assorbita dal metallo base e si trasforma in calore. Le facce

quindi si fondono. Questo tipo di saldatura si può fare anche a punti (a piccoli punti).

Anche in questo caso vi è un gas di protezione.

Costo di attrezzaggio

Elevato. (Il costo può superare anche i 100 euro all’ora).

Materiali

L’alluminio ha difficoltà ad assorbire la luce (la disperde velocemente), anche se esistono laser

con una lunghezza d’onda che riesce ad essere assorbiti dall’alluminio.

L’oro o comunque i metalli preziosi e leghe di nichel non vanno bene per via dell’alta temperatura

di fusione; nemmeno rame (è difficile trovare saldature di buona qualità per il rame).

Spessori

0,5 a 30 mm

Qualità superficiale / Finitura

Molto alta (no distorsioni)

Velocità

Alta, di solito il processo è automatizzato.

Ossidazioni

Assente

Applicazioni

Giunture tra metalli diversi.

Piccoli componenti

Necessità di poco spazio per la saldatura.

Qualità richiesta alta.

Welding processes

SALDATURA A RESISTENZA

• Resistance spot welding: Copper

(force) electrodes

Electric

power

source Sheet metal parts

(lap joint) (melting)

spot Resistance

welds seam welding

(continuous weld)

• Very fast

• Steels, (Al, Ti)

• Up to 3-4 layers (thickness < 15-20 mm)

I pezzi da saldare sono compressi tra due elettrodi (in rame) in tensione. La resistenza elettrica

quindi genera il calore (il calore sviluppato aumenta con la resistenza elettrica); la corrente

concentrata passa attraverso i materiali e li fonde. Questa tecnica di saldatura porta a fusione i

materiali soprattutto al centro (il calore è ottenuto per effetto joule) nella via diretta della corrente

tra le due bacchette di rame.

Welding processes

È una saldatura a punti, quindi non è a tenuta di fluidi e la resistenza meccanica è inferiore

rispetto al MIG.

Costo di attrezzaggio

Costo degli impianti relativamente basso.

Materiali

acciai al carbonio acciaio inox, nichel, leghe di alluminio, titanio e rame.

Si fa comunque raramente con l’alluminio (che disperde velocemente il calore e anche l’elettricità)

Molto buono invece per l’acciaio

Spessori

Si possono mettere più spessori (lastre) con spessore complessivo massimo di 20 mm.

Sull’alluminio fino a 6 - 7 mm.

Qualità superficiale / Finitura

mediocre visibili i punti di saldatura elevata resistenza al taglio bassa resistenza al distacco

La saldatura a rullo ha una qualità più alta ed uniforme.

Temperatura

?

Velocità

Molto alta

Ossidazioni

Bassa ( solo nella variante MAG dove si usa l’anidride carbonica al posto del gas protettivo ar he)

Applicazioni

settore automobilistico, mobili e elettrodomestici

Varianti

Saldatura a rulli, è lo stesso concetto della saldatura a resistenza solo che i materiali passano

sotto due rulli che saldano a punti ma in maniera continua.

BRASATURA

https://www.youtube.com/watch?v=HJBrsSvwUII

Welding processes Filler metal

• Brazing: (Cu or Al alloy)

Torch

Base metal

(does not melt) Flux Joint

(heating)

Filler metal

(melts)

Nella brasatura due superfici vengono unite con l’apporto di materiale riempitivo (metallo di

apporto). L’attrezzatura prevede semplicemente un cannello. Questo saldatura è detta

osseacetilenica in quanto la fiamma del cannello è generata dall’acetile con l’ossigeno.

I pezzi possono venire preriscaldati in forno in modo da prepararli al contatto con il materiale fuso

e diminuire l’effetto di ritiro del materiale