Sintesi tecnologia dei processi produttivi

I sistemi produttivi

Il sistema produttivo è inteso come l'insieme delle operazioni che partono dalla concezione del prodotto finito e arrivano alla sua immissione nel mercato. Nella concezione del prodotto si prestabiliscono le prestazioni desiderate sia in termini qualitativi che (successivamente) quantitativi. La progettazione del prodotto avviene in maniera simultanea a quella del processo produttivo altrimenti si creerebbero diversi problemi, sia di tipo logistico che di controllo. Il più delle volte la scelta del processo produttivo e dell'attrezzatura da adottare si rileva sbagliata o comunque non soddisfacente le aspettative, in questo caso il progettista, grazie a feedback continui, può intervenire sul progetto iniziale e migliorare le prestazioni, permettendo dunque un miglioramento continuo delle tecnologie: il progetto è in continua evoluzione fino al raggiungimento di un risultato soddisfacente. Il progettista deve trovare un giusto compromesso tra i costi di produzione e la qualità del prodotto e del processo. Al termine della catena del sistema produttivo si giunge al prodotto finito che per essere definito tale deve essere assemblato, controllato e pronto all'uso. Un esempio di strutturazione delle imprese è la divisione delle fasi del sistema produttivo in: studi e progettazioni, industrializzazione, fabbricazione e infine controllo di qualità.

• Studi e progettazioni
• Industrializzazione
• Fabbricazione
• Controllo di qualità

Ideazione prodotto, controllo disegni, distribuzione lavoro ai reparti, rispondenza prodotto ai requisiti, definizione disegni, modalità fabbricazione, controllo lavorazione, scelta materiali, cicli fabbricazione, flusso materiali, cicli di montaggio.

Processo produttivo e impianto industriale

È evidente che un singolo processo produttivo (insieme di assemblaggio, saldatura, lavorazioni non convenzionali, asportazioni di truciolo, deformazione plastica, fonderia, controllo di prodotto/processo) non è mai o quasi mai sufficiente per l'ottenimento del prodotto finito. Il processo produttivo deve infatti essere integrato nell'impianto industriale (sistema produttivo), definito come un raggruppamento di processi produttivi. Il sistema produttivo va basato su una serie di fattori quali capacità amministrative, fattori economici, risorse umane, organizzazione della produzione, impianti industriali…

La progettazione del prodotto parte dunque dal disegno del finito, rappresentazione univoca dell'oggetto da realizzare che, se realizzato in modo conforme al disegno del finito, permette di raggiungere l'obiettivo prefissato. Il più delle volte il disegno del finito è una rappresentazione anche in forma discorsiva dell'oggetto accompagnato da un disegno vero e proprio: è un punto fermo da cui non si può prescindere. Nel disegno sono rappresentate le forme, le dimensioni, le tolleranze, la finitura superficiale (qui si inseriscono dettagli quantitativi) e il materiale e i trattamenti da effettuare. In base al disegno del finito si sceglie quindi la tecnologia da adottare che, come già detto, è in continua evoluzione per avere modifiche continue del finito e tendere ad un miglioramento continuo dello stesso. Si parla di Design for Manufacturing, metodo strutturato e sistematico per l'analisi di un progetto al fine di ridurre i costi e migliorare la qualità, ridurre il time-to-market e ottimizzare la struttura del prodotto.

Tecniche di fabbricazione

Le tecniche di fabbricazione sono rappresentabili come una successione di cambiamenti di forma che portano a fasi sempre più vicine all'oggetto che si vuole ottenere. Per quanto riguarda la realizzazione del prodotto, qualunque prodotto in generale viene realizzato seguendo 3 fasi:

1. Si realizza il cosiddetto grezzo, prodotto non rifinito (attraverso tecnologie quali fonderia, deformazione plastica, asportazione di truciolo, lavorazioni speciali, saldatura).
2. Con l'utilizzo di altre o delle stesse tecnologie (tecnologie elencate precedentemente, si parla di tecnologie intese come modifiche di forma) si realizza il finito.
3. Si effettuano controlli per ridurre al minimo il rischio che l'oggetto non svolga il suo compito.

Al fine di ottenere una determinata forma finale occorre scegliere la tecnologia da adottare. Non abbiamo una scelta univoca della tecnologia da impiegare ma si fanno avanti una serie di opportunità: un componente progettato con determinate forme e caratteristiche può funzionare anche se progettato con materiale diverso e seguendo lavorazioni differenti. Il valore dell'oggetto è proporzionale all'uso che se ne fa: un oggetto costruito per lo stesso scopo ma in modo migliore ha sicuramente maggior valore.

Un tipo di tecnologia di particolare interesse se si vuole sfruttare il cambiamento di fase della materia è la fonderia: si passa da uno stato di aggregazione all'altro grazie alla variazione di temperatura e si realizza il prodotto finito colando il liquido nella forma appropriata e aspettando poi che ritorni allo stato solido. Altri tipi di tecnologie sono la deformazione plastica che fa uso di forze esterne, l'asportazione di materia, che parte da un oggetto che esubera nelle dimensioni e quindi per ottenere finito occorre eliminare materiale in eccesso, l'aggiunta di materiale, manifattura additiva che aggrega oggetti per ottenere il finito.

I prodotti finiti che l'impresa realizza, dal momento che viviamo in un mondo stocastico, mondo di incertezze, non sono mai tutti uguali si punta dunque a realizzare oggetti molto poco differenti al disegno iniziale, contenendo la variabilità nel disegno del finito delle caratteristiche principali entro certi limiti e fare in modo così che gli oggetti possano continuare ad adempire al compito a loro destinato. La scelta della tecnologia come abbiamo detto non è univoca ma una tecnologia è preferibile ad un'altra in funzione delle tolleranze ovvero si accetta che l'oggetto realizzato sia diverso dal dato del progetto fintanto che la sua funzionalità non venga compromessa. Si è in grado di schematizzare la variabilità accettabile in base alla tecnologia adottata. Per ogni tecnologia c'è un intervallo tipico di tolleranze, confrontando le tolleranze delle tecnologie con quelle dell'oggetto da realizzare è possibile scegliere la combinazione ottimale per la realizzazione del prodotto finito: si accetta che l'oggetto realizzato si discosti dal dato di progetto fintanto che la sua funzionalità non venga compromessa non è necessario spingersi oltre dal momento che il rispetto di tolleranze particolarmente spinte comporterebbe infatti un notevole aumento del costo del processo produttivo.

La scelta della tecnologia può essere fatta anche in funzione della rugosità, proprietà superficiale di un materiale. Esistono tabelle che indicano se è possibile o meno adottare una certa tecnologia con un certo materiale. Materiali come il rame ben si adattano a qualsiasi tecnologia, materiali come il titanio o materiali preziosi invece necessitano una tecnologia specifica. Anche in questo caso il voler ottenere oggetti molto poco differenti dal disegno del finito porta a scelte di tecnologia sofisticata e quindi ad un aumento drastico dei costi da sostenere.

Conclusioni

In conclusione dunque il progettista ha a disposizione un'ampia scelta di tecnologie e materiali adottabili per la realizzazione del finito, la migliore combinazione che ne permette la scelta ottimale dipende dall'obiettivo che l'impresa considera prioritario: costi, finiture, tolleranze, qualità, tempi, flessibilità… Le decisioni devono essere prese con un'adeguata combinazione di competenze tecnologiche e gestionali (decision-making framework for manufacturing) basate su quattro attributi decisionali quali:

• Costi
• Tempi
• Flessibilità
• Qualità

Si parla di tetraedro della produzione (oggetto a 4 facce e 4 vertici e dimensioni tutte uguali). Aumentare l'importanza di un generico vertice aumenta nel tetraedro la distanza di un vertice dalla base opposta; inevitabilmente la base opposta si restringe aumentando l'importanza di una voce rispetto le altre. Si può dunque trovare la soluzione ottima per ogni singolo attributo ma è impossibile trovare una soluzione della combinazione contemporanea degli stessi. Il metodo di supporto alle decisione ha come compito quello di decidere in quale direzione voler ottimizzare il prodotto e come e di quanto intervenire sulle variabili decisionali. Le variabili decisionali sono variabili indipendenti quali processi, macchine, parametri e materiali, grandezze su cui si può intervenire per poter modificare gli attributi decisionali, variabili dipendenti. Combinando equazioni tecnologiche e equazioni economiche si giunge ad un modello tecnoeconomico che permette di valutare in che misura agire e con che tempestività per raggiungere l'obiettivo prefissato. Tra due variabili possono esserci relazioni di dipendenza lineare, (diretta o inversa) cubica, quadratica… la cosa più difficile è individuare una equazione tecnoeconomica costituita da esponenti, variabili, termini noti, che rappresenti il fenomeno.

Variabili indipendenti e influenze sui costi e tempi

• Costi: influenzati da variabili indipendenti quali attrezzature, materiali, manodopera, manutenzione, infrastrutture, capitali.
• Tempi: influenzati da tempo di lavorazione, cambio utensili, attrezzaggio, manutenzione, capacità di reagire a perturbazioni.

Flessibilità e qualità

• Flessibilità: Macchine, processi, prodotti, quantità, espandibilità, ciclo di vita, accettazione/rifiuto, soddisfazione del cliente.
• Qualità: Finitura superficiale, tolleranze, ripetibilità.

Sebbene i costi abbiano una dipendenza alla velocità molto simile ai tempi, la variabile indipendente in grado di ottimizzare un parametro non è in grado di farlo con un altro. Per quanto riguarda la flessibilità, uno dei metodi per poterla calcolare è l'utilizzo della penale per il cambio (PPC) che permette di valutare a che prezzi, con che frequenza e con che probabilità l'impresa deve cambiare attrezzatura. PPC= penale * probabilità. Per quanto riguarda la qualità invece abbiamo due parametri, r parametro tecnologico che rappresenta la tipologia dell'oggetto utilizzato per migliorare la qualità del processo produttivo e a, avanzamento per giro.

I materiali

Strutture e comportamento, prove dei materiali. I materiali d'interesse per l'ingegneria sono numerosi, ogni materiale ha determinate caratteristiche (quali densità, resistenza meccanica, caratteristiche termofisiche, ottiche, elettriche, chimiche, tecnologiche) che lo contraddistinguono rendendolo adatto ad una certa applicazione. Come abbiamo già detto le scelte dei materiali per la realizzazione del prodotto non sono univoche, la scelta del materiale da utilizzare viene fatta a partire da uno studio delle caratteristiche microscopiche del materiale che permette di risalire alle proprietà macroscopiche dello stesso. Studieremo 3 grandi categorie di materiali: metalli, plastiche e ceramiche, il loro comportamento sarà dunque dettato dal tipo di legame tra gli atomi:

• Materiali metallici: il loro nome è dovuto al legame metallico, nuvola di elettroni condivisa da tutti gli atomi che permette quindi la conduzione elettrica e termica.
• Materiali plastici: sono basati sul legame covalente/dipolo (la differenza di elettronegatività tra gli atomi che si legano è maggiore di 1.7) cioè condivisione di una o più coppie di elettroni da parte di due atomi, che in tal modo acquistano la configurazione elettronica esterna stabile (ottetto). Si ha isolamento elettrico e termico per l'assenza di elettroni in movimento.
• Materiali ceramici: legame covalente/ionico.

Nei solidi gli atomi sono fissi nelle proprie posizioni, tendono a disporsi secondo determinate configurazioni, dette strutture cristalline, al fine di minimizzare il loro contenuto energetico. La maggior parte delle proprietà dei materiali dipende da come gli atomi si dispongono nello spazio a loro disponibile. Ad analizzare le possibili configurazioni strutturali degli atomi fu Bravais che individuò 14 configurazioni possibili, dette reticoli di Bravais. Supponendo, come ipotesi semplificativa, l'atomo come una sfera rigida indivisibile di dimensioni note e a contatto con gli altri atomi del reticolo, le regole di posizionamento degli atomi nello spazio dipendono dalle dimensioni dell'atomo stesso, dalla sua carica, dall'energia di legame ed alla temperatura a cui il materiale si trova. Studieremo 4 delle 14 configurazioni possibili:

• Cubico a corpo centrato (CCC): In tale configurazione 8 atomi sono disposti con il centro nei vertici della cella elementare di forma cubica e un atomo è posto al centro della stessa, a contatto con gli altri lungo la diagonale. Rientrano nella cella elementare 1/8 di ciascuno degli 8 atomi posti sui vertici e l'atomo centrale, per cui il numero effettivo degli atomi interni al cubo è 2 (n_eff = 2). La diagonale del cubo risulta pari a 4r. (esempio ferro, tungsteno).
• Cubico a facce centrate (CFC): In tale configurazione sono presenti 8 atomi con centro sui vertici della cella elementare di forma cubica e un atomo al centro di ciascuna delle 6 facce. Gli atomi dunque sono a contatto lungo le diagonali di ogni faccia. Rientrano nella cella elementare 1/8 di atomo per vertice e una semisfera per faccia, per cui il numero complessivo degli atomi interni al cubo è 4. La diagonale di una faccia è pari a 4r (tipico del nichel o dell'oro).
• Esagonale compatto (EC): In tale configurazione sono presenti per ogni base 5 atomi più un atomo al centro, più 3 atomi all'interno della struttura (tipico dello zinco o del titanio).
• Cubico semplice: In tale configurazione sono presenti 8 atomi con centro sui vertici della cella elementare di forma cubica. Gli atomi sono a contatto lungo il lato del cubo, che misura quindi 2r. Rientrano nella cella elementare 1/8 di atomo per vertice per cui il numero effettivo di atomi interni al cubo è 1. Questa è la struttura tipica del sale.

A partire da tali configurazioni è utile ricavare il lato e il volume della cella, la parte di volume occupata dagli atomi per pervenire infine al fattore di compattazione atomica (FCA), rapporto fra il volume occupato dagli atomi e il volume della cella. Tramite tale fattore è infatti possibile valutare la densità del materiale, proprietà macroscopica, strettamente correlata al volume degli spazi interstiziali presenti all'interno della cella, caratteristica microscopica. Si nota infatti che all'aumentare del fattore di compattazione atomica, dipendente dalla specifica struttura, aumenta anche la massa volumica, che approssima la densità del materiale. I materiali con buone proprietà meccaniche e isolanti sono quelli con un fattore di compattazione più alto e quindi densità maggiore, i materiali con buona conducibilità termica ed elettrica, grazie alla presenza di spazi interstiziali più diffusi che permettono maggior libertà di movimento agli atomi, presentano un fattore di compattazione più basso, perciò densità minore. Per materiali a densità minore quindi gli atomi hanno maggior interstizi, se i vuoti permettono l'ingresso di un ulteriore atomo si creano le leghe: la presenza di atomi differenti in un materiale può portare a proprietà importanti che un atomo singolarmente non avrebbe. Tutti i materiali metallici in natura sono leghe, anche nelle situazioni più pure c'è sempre qualche impurezza, atomo di altra natura.

La dimensione degli atomi varia tra alcuni decimi e alcune decine di nanometro, al fine ingegneristico ci interessa replicare più e più volte la singola cella elementare nello spazio. Gli atomi si legano nello spazio al fine di abbassare il proprio contenuto energetico, legandosi manterranno la struttura del reticolo di Bravais di partenza ma lo faranno secondo direzioni diverse, seguendo tutte le direzioni. Si parla di policristalli. Avere atomi legati tutti lungo la stessa direzione è molto difficile, allontanare due atomi e modificare la direzione di azione del loro legame comporta infatti l'impiego di forze elevate e di diverso valore in base alla direzione di legame. In questo caso si parla di monocristalli. La velocità di nucleazione, velocità con cui si crea il cristallo, assieme alla velocità di accrescimento, velocità con cui un nuovo atomo si aggiunge alla struttura già creata, sono fondamentali per la valutazione delle proprietà del cristallo quali isotropia, anisotropia, omogeneità e disomogeneità.

Un corpo è omogeneo se ogni sua parte ha le medesime proprietà fisiche, indipendentemente dalla posizione o se variano con continuità, disomogeneo altrimenti. Un materiale è isotropo se presenta uguali caratteristiche meccaniche in ogni direzione (acciaio, alluminio, rame, calcestruzzo non armato, in generale quasi tutti i materiali continui non compositi), anisotropo altrimenti (per esempio alcune rocce). A livello ingegneristico si preferiscono materiali isotropi e omogenei. In realtà hanno grande impiego i materiali compositi, unione di due o più materiali a caratteristiche diverse, che da soli non hanno un grande pregio ma che uniti esaltano le loro proprietà e permettono, seppur non omogenei e anisotropi, di soddisfare esigenze di basso peso ed elevate caratteristiche meccaniche.

Leghe

Tutti i materiali metallici di interesse per l'ingegneria sono formati da un miscuglio di elementi diversi. Le leghe possono crearsi in due modi:

• Gli atomi si inseriscono negli spazi interstiziali del reticolo cristallino, si ipotizza che gli spazi interstiziali siano deterministicamente determinati. Si parla dunque di soluzioni solide interstiziali. Lo spazio disponibile per tali atomi è pari ai vuoti del reticolo, dunque sono atomi molto piccoli: gli acciai si creano in questo modo, ad esempio il carbonio si inserisce tra atomi di ferro.