Sistemi di Produzione (Tecnologia meccanica)

Ciclo di vita di un prodotto

Con il ciclo di vita del prodotto andiamo a definire due diversi aspetti legati ad ogni singolo componente. Possiamo interpretarlo secondo due punti di vista:

Carattere economico

Indica la capacità del mercato di assorbire volumi di un prodotto. Possiamo immaginare un grafico che traccia l'andamento di un prodotto sul mercato:

• Fase iniziale: il prodotto, prima non esistente, viene lanciato sul mercato.
• Fase di crescita: il prodotto è richiesto sul mercato.
• Fase di regime: corrisponde alla vita del prodotto.
• Fase di declino: il prodotto diventa obsoleto o è sostituito da un prodotto di nuova generazione. Nel diagramma si osserva un cambio di pendenza.

Sostanzialmente, per ogni prodotto individuiamo tre fasi: immissione sul mercato, vendita, declino.

Struttura ricorsiva

Includiamo tre fasi che riguardano il prodotto:

• Concepimento del prodotto;
• Realizzazione del prodotto;
• Messe in vendita e assistenza.

Il mondo della produzione ha subito, nel corso degli anni, molte trasformazioni che hanno portato anche ad un diverso modo di concepire il ciclo di vita del prodotto. Negli anni del boom economico (anni '60/'70/'80) c'era una grande capacità di spesa, per cui il mercato era in grado di accettare tutto senza concorrenza tra produttori. La produzione era prevalentemente di massa e si riusciva ad accettare, in un regime spesso monopolistico, grande quantità di prodotti poco diversificati fra loro.

In seguito, sono sorti approcci innovativi, grazie ai progressi di elettronica ed informatica, che hanno variato il modo in cui le aziende si pongono sul mercato. Il sistema di produzione, spinto da una concorrenza a livello globale, si è orientato verso un'economia di mercato i cui fattori determinanti sono la qualità, la diversificazione del prodotto, la riduzione del tempo di immissione sul mercato e del ciclo di vita, nonché la flessibilità, sia riguardo i mezzi di fabbricazione, sia riguardo le tecniche organizzative e gestionali, cioè la capacità di adattarsi rapidamente alle repentine variazioni di domanda e delle caratteristiche del prodotto.

Seppur con diverse sfumature, gli step del ciclo di vita di un prodotto restano sempre gli stessi.

Tipologie e modalità di produzione

Il ciclo di vita del prodotto assume caratteristiche diverse a seconda della tipologia e modalità di produzione. Da un punto di vista della tipologia di produzione, si distingue la produzione su commessa e la produzione in serie, ciò che distingue le due tipologie è il diverso punto di partenza.

La produzione su commessa parte da un ordine, o da una richiesta di preventivo (offerta economica) da parte di un potenziale cliente. L'azienda esegue un'ipotesi di prodotto e di costo e di potenziale guadagno; dunque offre una proposta al potenziale cliente. In un regime di concorrenza, il cliente chiede pareri a diverse aziende al fine di scegliere il prodotto che risponde meglio alle sue esigenze ed è più conveniente da un punto di vista economico. L'azienda deve essere in grado di scegliere opportunamente i materiali ed i processi di lavorazione, in modo da contenere i costi e, a parità di guadagno, offrire al cliente una richiesta economica competitiva e più conveniente.

La produzione in serie parte da un'analisi di mercato: gli esperti ed analisti seguono i trend ed interpretano i dati, restituendo una stima delle potenziali vendite, cioè guadagni, competitor, rischi della permanenza sul mercato, ecc. In entrambi i casi, se i rischi sono contenuti (nel caso di produzione in serie), o se il cliente accetta l'offerta (nel caso di produzione su commessa), inizia il ciclo di vita del prodotto.

Progetto preliminare

Il progetto preliminare consiste proprio nella concezione di una prima idea del prodotto, in seguito all'ordine ricevuto dal cliente o in seguito alla ricerca di mercato. L'idea preliminare viene tradotta in un avanprogetto, il disegno preliminare che va a connotare il componente. Essa è caratterizzata dal fatto che riporta un quantitativo minimo di informazioni, essenziali, e sarà poi passata all'ufficio tecnico che si occuperà della realizzazione dei disegni di definizione.

Nel distinguere l’avanprogetto dai disegni di definizione, bisogna tenere in considerazione che il prodotto da fabbricare è costituito da più componenti, che possono essere decomposti secondo una struttura gerarchica. L’elemento rappresenta la parte non ulteriormente scomponibile del prodotto. Il minimo raggruppamento di elementi del prodotto, che possono essere uniti fra loro da un montaggio, costituisce un sottogruppo, che può avere o no funzionamento proprio. Il gruppo nasce dalla combinazione di sottogruppi ed altri elementi, può avere un funzionamento proprio o comandato. L'insieme di gruppi ed elementi, uniti fra loro da un montaggio, costituisce il complessivo, cioè il prodotto finito. Maggiore è la scomposizione, maggiore è essere la precisione delle informazioni da riportare nei disegni, quindi definiamo la quantità di informazioni inversamente proporzionale alla posizione sulla scala di scomposizione. L’avanprogetto, o disegno preliminare, non contiene informazioni sulle quote, sulle rugosità delle superfici, sui trattamenti termici e sulle lavorazioni del prodotto, ma offre una visione d'insieme e generale del prodotto finito.

Progetto esecutivo

Il progetto preliminare viene passato all'ufficio tecnico, che sulla base di esso realizza i disegni di definizione. I disegni di definizione riportano le quote funzionali, derivanti da uno studio di dimensionamento, nonché tutte le prescrizioni funzionali, quali rugosità delle superfici, trattamenti termici, rivestimenti, ecc. Tramite i disegni di definizione, viene presa una decisione di massima su quali parti costruire e quali acquistare dai fornitori e viene stilata la lista dei componenti del complessivo.

Inoltre, attraverso i disegni di definizione, vengono stabiliti tutti i requisiti che influenzano la progettazione, ovvero i requisiti che il prodotto finito deve avere affinché esso possa essere immesso sul mercato con un certo successo. Il requisito fondamentale che il prodotto finito deve rispettare è la funzionalità, cioè il prodotto offerto deve funzionare. (I disegni di definizione devono, cioè, definire innanzitutto tutte le prescrizioni fondamentali affinché un prodotto funzioni). Altri requisiti fondamentali che vanno ritrovati nei disegni di definizione sono: la lavorabilità e la reperibilità dei materiali; il tempo market, cioè il tempo necessario per entrare nel mercato (tempo che intercorre dall'idea all'immissione del prodotto sul mercato); sicurezza (il prodotto non deve arrecare danno all'utente); impatto ambientale, riciclabilità e sostenibilità; facilità di trasporto ed installazione; apporto tecnologico; ergonomia (quanto bene il prodotto si adatta al cliente); affidabilità, concorde alla durata nel tempo del prodotto. La chiave che racchiude tutti questi requisiti è, sicuramente, il costo del prodotto.

Preparazione dei disegni

In fase di progettazione l'ufficio tecnico inizia la progettazione del prodotto, stabilendo gli opportuni dimensionamenti. Da tale fase fuoriescono i disegni di definizione, i quali vanno ulteriormente rielaborati, prima di arrivare alla pianificazione dei processi. Le rielaborazioni dei disegni di definizione sono necessarie, in quanto una buona progettazione non sempre corrisponde ad una semplice lavorabilità del prodotto.

Lavorare in ambito virtuale è un’attività relativamente semplice: attraverso i CAD è infatti possibile rappresentare quasi senza problemi superfici anche complicate, associando ad esse opportune funzioni ed espressioni matematiche. Di gran lunga più complicato diventa trasformare le idee virtuali in qualcosa di reale, cioè modificare un grezzo, dandogli il contorno di una superficie ottenuta mediante un sistema software. Un buon progettista deve essere in grado di evitare di:

• Progettare superfici non fattibili: superfici che, per determinate caratteristiche geometriche, non consentono l’accesso all’utensile, o se il materiale utilizzato non supporta per resistenza la lavorazione desiderata.
• Realizzare superfici con geometrie e caratteristiche poco convenienti, che richiedono lavorazioni aggiuntive o impiego di utensili speciali. Seppur fattibili, tali superfici richiedono un processo di lavorazione che non corrisponde ad un costo accettabile, o al minore dei costi possibili. (Ad esempio, gli spigoli vivi sono un’inutile fonte di costo, poiché richiedono utensili specifici, diversamente dai raccordi).

È necessario, dunque, uno scambio continuo tra l’ufficio di progettazione (ufficio tecnico) e l’ufficio di produzione (tecnologo). Preparati i disegni di definizione, inizia, cioè, un confronto, durante il quale l’ingegnere di produzione (tecnologo) esamina i disegni e valuta se è necessario o preferibile apportare delle modifiche da sottoporre all'ufficio tecnico. Le caratteristiche della superficie su cui il tecnologo si concentra sono: quotatura, rifinitura, raccordi assenti o contenuti, nervature poco spesse e molto lunghe, fori di piccolo diametro ma molto profondi, ecc., i quali rappresentano una fonte di errore e di costi aggiuntivi.

In particolare riferimento alla finitura della superficie, tra i 50 indici esistenti per quantificarla, quello maggiormente impiegato è sicuramente Ra= Rugosità Media Aritmetica (misura dello scostamento del profilo reale della superficie rispetto alla linea media). Un valore di Ra molto basso implica un elevato grado di finitura della superficie, per cui diventano necessari processi aggiuntivi (come la rettifica) ed utilizzo di utensili specifici, che aumentano i costi di produzione. Condizione analoga si verifica anche nel caso in cui il pezzo sia caratterizzato da quotature restrittive. Il legame tra la progettazione e la produzione vuole proprio mettere in evidenza gli errori ed i parametri che fanno aumentare di troppo i costi di produzione, al fine di giungere ad un eventuale semplificazione del pezzo.

Le modifiche apportate sui disegni sono diverse a seconda del tipo di quotatura che si utilizzano:

• Quotatura funzionale: misura una grandezza dalla quale dipende il corretto funzionamento del pezzo.
• Quotatura ausiliaria: rappresenta prescrizioni generali, ma non ha un peso fondamentale sulla funzionalità del pezzo. Sul disegno, una quota ausiliaria è riportata tra parentesi tonde.

In produzione, una quota ausiliaria può essere oggetto di una piccola variazione, senza passaggio attraverso l'ufficio di progettazione. Le quote funzionali, invece, devono essere rispettate e, se si intende variarle, diventa necessario un confronto con l’ufficio di progettazione. Nel passaggio dalla progettazione alla produzione molto spesso si ricorre anche al concetto di trasferimento di quote. Il trasferimento di quote è legato al fatto che le tolleranze che si impongono nei disegni di produzione e che fanno riferimento alla conformità e funzionalità di un elemento non possono sempre essere ricavate in fase di produzione. Ciò accade perché, per trasformare le quote tollerate in qualcosa di reale, durante la lavorazione sul pezzo di partenza sono create nuove superfici: i volumi e le frontiere del pezzo di partenza sono modificate in modo da creare nuove geometrie tali da rispettare le dimensioni e le quote del disegno. Non è, però, garantito che si riesca a creare le nuove superfici sulla base delle quote presenti sul disegno, perché non sempre è possibile creare determinate superfici secondo la stessa logica con cui sono state realizzate con disegno.

Diventa, quindi, necessario il trasferimento di quote il cui obiettivo è di spostare una tolleranza da una quotatura di definizione ad una quotatura di fabbricazione, la quale rispetta la modalità con cui il pezzo viene realizzato. Il trasferimento di quote comporta sempre una riduzione del campo di tolleranza, motivo per cui si preferisce evitare il suo impiego.

Pianificazione dei processi

Una volta derivati disegni di fabbricazione, si iniziano a definire i processi di lavorazione da eseguire, gli utensili da impiegare, le attrezzature, le macchine di lavoro e tutti gli altri dettagli che consentono all'operatore di realizzare il pezzo. Tutti questi dettagli vanno a definire il ciclo di lavorazione del prodotto, sequenza ordinata di tutte le operazioni necessarie per trasformare l'elemento grezzo in prodotto finito.

La documentazione che codifica il ciclo di lavorazione in ogni suo dettaglio è rappresentata dai fogli di ciclo e dai fogli di fase. La differenza fra i fogli di ciclo ed i fogli di fase sta nel loro differente livello di approfondimento. I fogli di fase riportano tutte le informazioni necessarie per lavorare il pezzo senza incertezze (utensili, misure, ecc.); dunque essi sostituiscono la spiegazione verbale all'operatore, specificando cosa l’operatore deve fare, come farlo e con che attrezzatura. I fogli di ciclo, invece, offrono una visione complessiva del processo di trasformazione e non scendono fino al dettaglio infinitesimo.

La diversa nomenclatura delle due carte sta nel fatto che il ciclo di lavorazione di un prodotto può prevedere una decomposizione.

• Ciclo -> Fasi -> Sottofasi -> Operazioni elementari

Il concetto di fase è legato al concetto di postazione di lavoro, il concetto di sottofase è legato al concetto di posizionamento del pezzo, mentre il concetto di operazione elementare è legato al concetto di singola superficie. Si definisce fase l'insieme di tutte le operazioni che si eseguono nella stessa postazione di lavoro, a prescindere del posizionamento del pezzo. Appartengono, quindi, alla stessa fase tutte le operazioni che si eseguono in corrispondenza della stessa macchina, oppure in corrispondenza del banco di misura o del banco di preparazione alla lavorazione, o presso il banco di controllo e collaudo. Una sottofase è un sottoinsieme di una fase legato al posizionamento del pezzo. Appartengono, cioè, alla stessa sottofase tutte le operazioni elementari che sono effettuate alla stessa postazione e con lo stesso posizionamento del pezzo, a prescindere dalle superfici. Il posizionamento del pezzo va cambiato per garantire una buona lavorabilità di tutte le sue superfici; ogni qual volta si cambia il posizionamento aumentano le possibilità di errore. Un’operazione elementare è un'operazione finalizzata all'ottenimento di una determinata superficie. I fogli di fase racchiudono, per ogni postazione di lavoro, tutte le informazioni relative alle operazioni ivi effettuate.

Il ciclo è l'insieme ordinato di fasi necessarie alla trasformazione del grezzo in prodotto finito e prevede un unico foglio esplicativo.

Pianificazione della produzione

Una volta conclusa la pianificazione dei processi, si va ad effettuare la pianificazione della produzione, in termini di allocazione delle risorse in funzione del tempo: gestione degli acquisti, della manodopera, definizione dell’impiego delle macchine e tutto ciò che consente, in funzione della disponibilità della materia prima, di rendere concreto il processo che si intende effettuare.

Fabbricazione, montaggio, controllo qualità

Solo quando tutti questi passaggi sono conclusi, si inizia a lavorare nel senso vero e proprio, con la fase di fabbricazione, assemblaggio dei pezzi e controllo qualità del prodotto finito.

Immissione sul mercato

Nel caso di lavorazione su commessa, il prodotto è pronto per essere consegnato al cliente, il quale, eventualmente, esegue una seconda operazione di collaudo in sede, in seguito alla quale emette la fattura e si attende il pagamento. Nel caso di lavorazione in serie e con una numerosità elevata del lotto, i prodotti non sono direttamente immessi sul mercato, ma si conservano in un magazzino intermedio, che separa l’ambiente produzione da quello degli utenti, in modo da garantire la continua messa sul mercato, in base su richiesta, ricevuta a monte e giorno per giorno, dei prodotti. Sincronizzare il contesto produttivo ed il contesto utilizzativo non è possibile, da cui l’esigenza del magazzino intermedio.

Assistenza post-vendita

Il ciclo di vita del prodotto non si chiude con l'immissione sul mercato, bensì con la fase di assistenza al cliente post-vendita. Quest'ultima fase ha un duplice scopo:

• Garantire la funzionalità del prodotto: cioè garantire che il pezzo funzioni per un certo intervallo di tempo, a meno della necessità di interventi di manutenzione. Tali interventi sono a spese dell'azienda, nel caso in cui il prodotto disponga di garanzia o se il danno o il malfunzionamento non dipendano dall’utente che lo ha acquistato.
• Ricavare informazioni, a costo zero, che l'azienda può utilizzare per migliorare o rendere sempre attrattivo il prodotto nel lancio successivo.

Studio dei materiali: alluminio e acciaio

L’alluminio si classifica in serie (alluminio 1000, alluminio 2000, e così via), a seconda del diverso contenuto degli altri elementi all’interno della lega. Le varie serie di alluminio si distinguono tra loro in base alle proprietà, ai costi e alla lavorabilità.

Gli acciai si classificano in base al contenuto di carbonio presente nella lega. Le varie leghe si individuano con il simbolo C del carbonio, seguito da un numero, che rappresenta la percentuale di carbonio. Ad esempio, C40 rappresenta un acciaio che contiene uno 0.4% di Carbonio: si tratta di un acciaio ipoeutettoidico. C250 individua una ghisa, contenente un 2.5% di Carbonio, che lega con Ferro e pochi altri alliganti, come zolfo e fosforo. Il modo più immediato di riconoscere se un materiale è costituito da una lega di acciaio o di alluminio è il diverso peso a parità di volume.