Riassunto esame Studi di fabbricazione

Elenco delle domande tipiche dell'insegnamento di "Studi di fabbricazione"

Introduzione

Cos'è lo studio di fabbricazione e suo ambito

Lo studio di fabbricazione è l'insieme delle attività che permette di trasformare il progetto di dettaglio, output del progettista, in un progetto di fabbricazione (piano di processo), caratteristiche e modalità di realizzazione del prodotto. Ambito di riferimento è quella della produzione manifatturiera per parti dove il prodotto è composto da un numero finito di parti e il processo produttivo è essenzialmente diviso in due fasi:

• Fabbricazione
• Assemblaggio (che può essere preceduta da pre-assemblaggio)

A cosa serve lo studio di fabbricazione

Generare il piano di processo, ovvero la rappresentazione univoca delle modalità di realizzazione del prodotto, deve quindi:

• Descrivere le operazioni per fabbricare i singoli componenti
• Descrivere le operazioni per assemblare i componenti e/o sotto-assiemi per ottenere il prodotto finito

Di conseguenza:

• Definisce il costo del prodotto
• Valuta le inefficienze di produzione: tempi realizzazione maggiori perdite produttività costi realizzazione maggiori riduzioni ricavi o perdite livello qualità minore perdite di qualità
• Aiuta la scelta e progettazione della produzione

Complessità dello studio di fabbricazione

Cresce all’aumentare del numero di processi e dei componenti necessari per realizzare un singolo componente. Un prodotto costituito da un numero più elevato di componenti rappresenta un aumento della complessità nello studio di fabbricazione, in quanto, aumentano il numero di processi e la complessità del ciclo di assemblaggio, insieme ai tempi e costi di pianificazione e realizzazione del prodotto.

Input e output dello studio di fabbricazione

Input:

• Disegno del progettista di tutti i componenti e del prodotto finito (assieme)
• Distinta base (elenco di tutto)

Output:

• Piano di processo per fabbricazione e assemblaggio, che forniscono il relativo costo del prodotto
• Scelta del sistema di produzione

Attività dello studio di fabbricazione e metodi

Metodi manuali: svolte da un pianificatore, pianificatori diversi potrebbero generare piani diversi (soggettivi).

Principali difetti:

• Soggettività del piano ottenuto da metodi manuali
• Potere del pianificatore che viene a conoscenza di tutti i segreti della produzione di un’azienda
• Tempi lunghi ed errori

Assistiti dal calcolatore: con le tecniche computerizzate eliminiamo tutti i limiti di quella manuale, aumenta però l’investimento dell’azienda.

Sistemi CAPP di tipo variante, generativo e semi generativo.

Studio di fabbricazione affrontato secondo due approcci:

1. Sequenziale: attività svolte in sequenza, input costituito dall’output dell’attività precedente
   • Potrebbe esserci la necessità di apportare numerose modifiche del progetto a causa dell’impossibilità di realizzare parti realizzate dal progettista causando aumento dei tempi e costi.
2. Simultaneo (Concurrent Engineering): evita continue modifiche del Progetto perché si tiene conto durante la progettazione di tutto il ciclo vita del prodotto coinvolgendo team multidisciplinari costituiti da esperti di varie discipline.
   • Riduce notevolmente il time to market, i costi e aumenta la qualità. Fattori che rendono competitiva un’azienda.

Saldatura

Consente di realizzare un collegamento permanente tra due parti mediante la fusione del metallo che costituisce le parti stesse o mediante la fusione di un metallo d’apporto.

Giunto saldato (cordone di saldatura): risultato della saldatura.

Metallo base: metallo che costituisce le parti da saldare.

Metallo d’apporto: metallo che viene aggiunto per la formazione del giunto (non sempre presente).

Classificazione processi di saldatura

1. Saldatura autogena: giunto di saldatura formato grazie alla fusione del metallo base, il metallo d’apporto può essere presento oppure no. Metallo d’apporto SE presente deve avere composizione chimica simile (compatibile) al metallo base.
   • Per fusione:
   • Elettrica per resistenza
2. Saldatura eterogenea: giunto ottenuto con la fusione del solo metallo d’apporto, SENZA fusione del metallo base. Metallo d’apporto con composizione chimica diversa dal metallo base e T inferiore (per evitare fusione metallo base).
   • Permettono di ottenere giunti con proprietà meccaniche inferiori rispetto le saldature autogene.
   • Saldobrasatura:
   • Brasatura:

Arco voltaico

È la manifestazione del passaggio di corrente in un mezzo gassoso ionizzato ed è definito come un conduttore gassoso che trasforma l’energia elettrica, che lo attraversa, in calore che sfruttiamo per fondere il materiale da saldare. Ottenuto applicando una differenza di potenziale tra due elettrodi che causa un movimento ad alta velocità degli elettroni emessi dal catodo (elettrodo a potenziale minore) verso l’anodo (elettrodo a potenziale maggiore) che urtando con gli atomi di gas genera una forte emissione di energia termica (vantaggio) e radiazioni luminose (svantaggio). Problema superato sfruttando effetto termoionico elettrodi, che consiste nel sottoporre a riscaldamento localizzato gli elettrodi in modo da far avvenire l’emissione degli elettroni con molto più basse.

Sezione trasversale Arco costituito da due zone concentriche:

• Plasma (zona interna): gas ionizzato con T variabile da 5000 a 50000 K
• Fiamma (zona esterna): zona più fredda

Distribuzione dell’energia generata dal passaggio di corrente tra elettrodi ripartita:

• 1/3 al catodo
• 2/3 all’anodo

Saldatura ad arco voltaico

Parti da saldare costituenti uno degli elettrodi dell’arco, la corrente necessaria per far scoccare l’arco è fornita dalla saldatrice.

Può essere eseguita a:

1. Polarità diretta (PD): pezzo da saldare anodo, elettroni passano dall’elettrodo al metallo base. L’elettrodo può essere il metallo d’apporto che partecipa attivamente o un elettrodo infusibile che non partecipa alla fusione. Utilizzata per saldature più profonde.
2. Polarità inversa (PI): pezzo da saldare catodo, metallo base emette elettroni. Utilizzata per saldature più veloci.

Curva caratteristica dell’arco: curva che fornisce la relazione tra tensione e intensità di corrente dell’arco voltaico, ovvero ci dice qual è la tensione necessaria per far passare una certa intensità di corrente nell’arco.

• Resistenza dell’arco
• Resistività dell’arco (ρ)
• L: lunghezza dell’arco (distanza tra gli elettrodi, non varia)
• S: sezione dell’arco

Inizialmente tratto decrescente della curva poiché all’aumentare dell’intensità di corrente aumenta la temperatura, per effetto termoionico aumenta la conducibilità elettrica (diminuzione di ρ e S).

Diminuzione di ρ diminuzione di S nonostante l’incremento di I. Regime di funzionamento libero perché la sezione dell’arco può aumentare con S I. Aumento di I con S fino alla completa ionizzazione del gas tra elettrodi che corrisponde al punto di minimo della curva dove abbiamo la corrente di saturazione. Per crescita del prodotto secondo un andamento simile a quello fornito dalla legge di Ohm, R = ρ L / S, perché non varia più la resistenza in quanto anche ρ rimane costante insieme a S e L. Regime di funzionamento strozzato perché S non può più crescere. Una volta raggiunto il regime di funzionamento strozzato si ha il funzionamento stabile dell'arco. All’aumentare di L la curva caratteristica dell’arco subisce uno spostamento verso l’alto dovuto al crescere del valore di R. A parità di V la tensione cresce con I.

Curva caratteristica del generatore: fornisce la relazione tra tensione e intensità di corrente del generatore.

Possiamo distinguere due tipi di generatori con curva caratteristica:

1. A tensione costante
2. A corrente costante

Generatore a tensione costante utilizzato nella saldatura MIG/MAG: Variazione modesta della tensione dell’arco (ad esempio variando la distanza dell’elettrodo dal pezzo) trasformata in grande variazione di intensità di corrente, quindi in grandi variazioni di velocità di fusione (saldatura) semplifica il controllo dell’arco: rapido ritorno in automatico al punto di funzionamento.

Generatore a corrente costante utilizzato nella saldatura TIG: Variazione modesta della tensione dell’arco trasformata in piccola variazione di corrente, processo pressoché insensibile alle variazioni di tensioni.

Punti di funzionamento nella saldatura ad arco: ottenuto dall’intersezione tra le curve caratteristiche del generatore e dell’arco.

• A: punto instabile
• B: punto stabile (si trova nel regime strozzato dell’arco)

Se è stabile vuol dire che se per qualche ragione varia l’intensità di corrente, il generatore reagirà riportando sempre nel punto di funzionamento stabile (I B) l’intensità di corrente. Per intensità maggiore (I 1) il generatore fornisce una tensione minore che riporta intensità in I B, mentre per intensità minore (I 2) il generatore fornisce una tensione maggiore riportando intensità in I B.

Per il punto A accade esattamente il contrario.

Principali parametri di saldatura

La saldatura può essere realizzata in corrente continua (CC) o alternata (CA).

L’energia trasferita dall’arco al cordone di saldatura: Proporzionale perché parte del calore viene disperso nell’ambiente e nella zona adiacente a quella fusa.

Profondità di penetrazione della saldatura crescente con Q. Per aumentare possiamo agire su:

1. Intensità di corrente: influenza fortemente la profondità di penetrazione, aumenta anche velocità di diffusione del materiale.
2. Velocità di saldatura: influenza la profondità e la larghezza del cordone.
3. Tensione di saldatura: influenza più marcata della larghezza perché da V dipende la dimensione dell’arco.

Zone termiche nella saldatura ad arco

Grande apporto di calore che genera alterazione del materiale nella zona fusa.

Presenza di 3 zone distinte:

1. Zona di fusione (ZF): materiale portato a fusione.
2. Zona termicamente alterata (HeatAZ): più vicina alla zona fusa T < T f. Subisce modifica della microstruttura.
3. Metallo base (BM): non subisce modifiche.

Tipologie di saldatura ad arco

Saldatura ad elettrodo rivestito

MMA (Metal Manual Arc): arco sviluppato tra i lembi da saldare (metallo base) e l’elettrodo che è formato da un’anima metallica rivestita. Accensione dell’arco ottenuta causando il cortocircuito facendo strisciare l’elettrodo sul metallo base e allontanandolo fino a raggiungere la lunghezza d’arco che innesca effetto termoionico.

La T del rivestimento > di quella dell’anima in modo tale che l’anima subisce la fusione mentre il rivestimento non ancora fonde. Metallo d’apporto trasferito sotto forma di gocce di dimensioni dipendenti da e tipo di rivestimento (all’incirca 10/40 gocce/s). Gocce generalmente di piccole dimensioni per migliorare aspetto estetico cordone e facilitare la saldatura.

Le principali funzioni del rivestimento sono quelle di:

• Evitare il contatto con ossigeno atmosferico
• Produrre gas ionizzanti che rende arco più stabile anche con basse intensità di corrente (saldatura lamiere)
• Apportare elementi in lega che migliora prop. Meccaniche cordone
• Elementi scorificanti che trasformano impurità sui lembi in scorie

Una volta solidificato il rivestimento andrà a ricoprire il bagno di fusione con una scoria solida che lo protegge dall’ossidazione, rallenta il raffreddamento evitando formazioni di cricche e tensioni residue e influenza la forma e aspetto estetico del cordone.

Tipi di rivestimento:

• Elettrodi ossidanti: migliora aspetto estetico, prop. meccaniche scadenti (ossido di ferro)
• Elettrodi al rutilio: titanio ha elevata emissibilità che rende stabile arco (biossido di titanio)
• Elettrodi acidi: migliora le prop. meccaniche del giunto (biossido di silicio)
• Elettrodi basici: porta in superficie le scorie, cordone con elevata resistenza meccanica e assenza di cricche (carbonati, silicati e fluoruri di calcio)

Tipicamente si utilizza un generatore a caratteristica cadente senza requisiti particolari, a volte, se ho bisogno di autoregolazione si utilizzano generatori a tensione costante. In funzione del tipo di rivestimento può essere effettuata a corrente continua o in alternata:

• Alimentazione in CC: solitamente in polarità inversa (CCPI), ovvero elettroni fluiscono dal metallo base verso l’elettrodo per favorire la velocità di fusione dell’elettrodo. In questo modo si ottiene una deposizione del metallo d’apporto più dolce con miglioramento estetica e un arco più stabile.
• Alimentazione in CA: intensità di corrente più alte ed elettrodi di diametro maggiore aumento profondità e della velocità di deposizione (aumento produttività). Arco meno stabile poiché la corrente alternata può essere vista come semi-onde negative e positive, che possono essere associate a polarità diretta (positiva) e inversa (negativa), nel mezzo abbiamo un punto di equilibrio che può essere associata allo spegnimento dell'arco.

Principali criticità saldatura ad elettrodo rivestito

• Eliminazione scoria con azione meccanica
• Scoria inclusa nel giunto con peggioramento prop. meccaniche
• Efficienza processo limitata per frequenti sostituzioni elettrodo
• Non utilizzabile per materiali sensibili alla presenza di ossigeno (leghe di Al, Mg e Ti)

Saldatura in atmosfera protettiva

Azione protettiva del cordone svolta dall’atmosfera protettiva anziché dall’elettrodo. Maggiore efficacia dell’azione protettiva con possibilità di saldare materiali difficili per la loro elevata reattività con ossigeno. Processi facili da automatizzare costituiti da uso di filo continuo di materiale d’apporto senza formazione di scoria dovuto all’elettrodo rivestito.

Principali processi:

• TIG (Tungsten Inert Gas): per materiali a bassa saldabilità, arco innescato tra elettrodo in tungsteno che non partecipa alla fusione e il metallo base (saldatura tra due metalli base). Utilizzo tungsteno per favorire emissione di elettroni ed avere un arco stabile con intensità di corrente basse. Metallo d’apporto presente aggiunto dall’esterno tramite bacchetta d’apporto. Argon Elio. Arco protetto da atmosfera protettiva inerte che fluisce attraverso la torcia. Usati (+ efficace) ed

Caratteristiche elettrodo:

• Elevato punto fusione
• Bassa resistività elettrica
• Buona conducibilità termica
• Elevata emissività di elettroni

Principali vantaggi TIG:

• Cordone di saldatura pulito senza formazione scoria
• Assenza proiezione metallo fuso trasportato dall’arco
• Assenza scorie incluse cordone
• Controllo preciso energia al giunto

Alimentazione nella TIG:

• Corrente continua:
  • Polarità diretta: elettroni da elettrodo di tungsteno (catodo) verso metallo base (anodo). Maggior parte del calore trasmessa al metallo base che favorisce penetrazione saldatura e elettrodi più sottili con formazione di un cordone più stretto. Riduce l’usura elettrodo
  • Polarità inversa: elettroni da metallo base (catodo) verso elettrodo di tungsteno (anodo). Intensità corrente ridotte per non contaminare bagno. Surriscaldamento elettrodo fusione, elettrodi di diametro maggiore con cordone di saldatura più largo.
• Corrente alternata: sequenza di semionde negative (polarità inversa) e positive (polarità diretta). Evita surriscaldamento elettrodo con raffreddamento nella semionda positiva e ha effetto disossidante grazie alla semionda negativa. Genera, però, un arco instabile dovuto all’effetto raddrizzante causato dal passaggio della semionda negativa che causa l’annullamento della tensione e lo spegnimento dell’arco evitato con sovrapposizione alla corrente di saldatura di una corrente in alta frequenza.

Generatore per saldatura TIG: Usati generatori a corrente costante, ovvero insensibilità alle variazioni della caratteristica dell’arco, dovuta ad esempio a variazioni di lunghezza dell’arco.

MIG MAG (Metal Inert Gas) / (Metal Active Gas): Differenza principale nel tipo di gas utilizzato, funzionamento uguale alla TIG a differenza dell’elettrodo che nella MIG/MAG è fusibile, con sistema di alimentazione del filo elettrodo a velocità costante. MIG utilizzata per saldare qualsiasi tipo di metallo, MAG utilizzata per acciai.

Generatore per saldatura MIG/MAG: aumento velocità saldatura e del processo. Alimentato generalmente a CC con polarità inversa.

Curva caratteristica: Generatore con tensione costante: Se per qualche ragione diminuisce la lunghezza dell’arco da L a L aumenta l'intensità di corrente da I a...