Studi di fabbricazione

Studi di fabbricazione

Processi di lavorazione e materiali

I processi di lavorazione hanno più o meno elevata affinità rispetto alle classi di materiali. In particolar modo si distinguono:

• Processi convenzionali:

  • Processi di formatura primaria: passaggio da qualcosa privo di forma ad un oggetto dotato di una geometria ben definita; tra questi il processo di fusione, iniezione, sinterizzazione.

  • Processi di deformazione: realizzabili facilmente per alcune classi di materiali, come i metalli, e meno per altre classi, come i polimeri termoplastici, e assolutamente non realizzabili su materiali come polimeri termoindurenti e ceramiche.

  • Processi di asportazione di truciolo: hanno la capacità di arrivare alle geometrie e precisioni richieste per i componenti (industria manifatturiera) e sono realizzabili per tutte le classi di materiali ma con diverse difficoltà.

  • Processi di saldatura: facile saldare i metalli, impossibile saldare le ceramiche.

  • Trattamenti termici: processi che possono alterare permanentemente le caratteristiche meccaniche di un materiale; solo alcuni tipi di metalli possono essere trattati termicamente, tutto il resto del mondo dei materiali non possiede questa capacità.

• Processi non convenzionali o speciali:

  • Lavorazioni laser, al plasma, a getto d'acqua abrasivo, di elettroerosione, elettrochimiche, ad ultrasuoni: tecnologie recenti che si sono imposte inizialmente in nicchie di mercato, alcune delle quali oggi hanno raggiunto la completa stabilizzazione nel mercato, come laser e elettroerosione (KETs).

  • Tecnologie additive: hanno una capacità "disruptive" rispetto a quelle tradizionali perché possiedono una flessibilità operativa tale da sostituire tutte le tecnologie convenzionali ad un tempo. Sono soltanto questioni di costo e di limite dimensionale a frenare la sostituzione delle tecnologie convenzionali con quelle additive.

Scelta del processo di fabbricazione

Il primo criterio per la scelta di un processo è la capacità di quel processo di ottenere una determinata forma. Il secondo criterio, correlato al primo, è la precisione: spesso accade che la prima tecnologia realizza il pezzo grezzo, ma non con precisione, quindi viene aggiunta una seconda tecnologia per rifinire il pezzo grezzo ottenuto dalla prima. Spesso infatti ci sono catene di due processi, il primo destinato a formare superfici grezze, il secondo a riprendere alcune di queste superfici e a rifinirle, secondo le specifiche del progetto iniziale. Parliamo quindi di superfici grezze e superfici lavorate. In generale i parametri per scegliere un processo sono 4:

• Costo: costo di produzione unitario, cioè quello di un singolo componente per il lotto considerato di produzione. Le componenti di costo di un prodotto industriale sono:
  • Progettazione: in crescita per la complessità dei prodotti sviluppati
  • Materiale: costo diretto
  • Attrezzature dirette: come ad esempio stampi
  • Manodopera: costo degli operatori direttamente impegnati nella realizzazione del pezzo (mdo diretta), e costo dei lavoratori indiretti
  • Energia e materiali ausiliari: energia connessa al funzionamento delle macchine che realizzano i processi
  • Ammortamento: l'ammortamento dei macchinari è la voce di costo più importante di un prodotto industriale.
• Tempo: tempo necessario per produrre un singolo componente con quel processo; l'inverso del tempo si trasforma nella capacità di produzione oraria (pz/h) che deve essere compatibile con le richieste del mercato. Tempo e costo sono due parametri strettamente collegati; in particolar modo distinguiamo tra costi fissi e costi variabili: in generale un processo con costi fissi alti è in grado di produrre ad un tempo minore (es. processo basato su uno stampo); al contrario più i costi fissi si riducono, più i tempi di processo si allungano, quindi avremo minore produttività e di conseguenza costi variabili maggiori.
• Qualità: per qualità si intende un numero elevato di caratteristiche:
  • Tolleranze dimensionali e geometriche
  • Aspetto delle superfici
  • Integrità del materiale e sue caratteristiche meccaniche
  • Presenza di defettologie interne o superficiali
  • Capacità di mantenere costanti nel tempo le precedenti caratteristiche.
  La regola sempre valida è che maggiore è la qualità, maggiori saranno i costi di produzione e quindi i tempi.
• Flessibilità: facilità con cui all’occorrenza è possibile cambiare una determinata forma in un’altra, per via delle mutate esigenze. È sempre vero che i processi basati sui costi fissi sono più rigidi dei processi basati sui soli costi variabili. Un secondo tipo di flessibilità è quella relativa al materiale: capacità di cambiare il materiale del prodotto senza che il processo ne risenta sensibilmente.

Contesto evolutivo dei processi

Tra i vari fattori di competitività che possono essere considerati per attuare una politica industriale, oggi ha assunto un’elevata importanza quello dell’innovazione, considerando la velocità con cui le tecnologie si evolvono per rispondere a grandi sfide globali come la sostenibilità ambientale, la scarsità di risorse, la spinta demografica, oltre a quelle tipiche del mercato, dunque la complessità, la richiesta di personalizzazione, l’abbattimento del costo. L’attrattività degli investimenti nel settore industriale risiede dunque nella capacità all’interno del sistema industriale di sostenere l’innovazione e di trasformarsi velocemente, adottando nuove tecnologie e insegnando ai propri addetti a gestirle efficacemente. Ad oggi il sistema manifatturiero tradizionale è cambiato: ad esempio spesso il materiale di cui si ha bisogno non è disponibile sul mercato, allora viene progettato con delle determinate formulazioni chimiche. Tema importante dei giorni nostri è il riciclo: la progettazione di un prodotto non può prescindere dalla sostenibilità ambientale, quindi si diffonde il concetto di “urban mining”, cioè le materie prime che ci servono sono già presenti nei prodotti che utilizziamo. Un ulteriore punto importante è quello dell’interdisciplinarietà dei saperi connessi con la fabbricazione. E infine c’è la questione legata ai software, inteso come valore aggiunto immateriale di un prodotto fisico: ogni prodotto si porta dietro un patrimonio di intelligenza, istruzioni, informazioni, strumenti di uso, che sono spesso la parte che impatta di più soprattutto a livello economico. Il ciclo di progettazione segue ad oggi le seguenti fasi:

• CAD: software da disegno, in cui viene definita la geometria del pezzo
• CAE: sistemi di simulazione delle condizioni d’esercizio del componente o del prodotto complesso.
• CAM: sistemi di programmazione avanzata delle macchine utilizzate per la fabbricazione
• FEM: sistemi di analisi avanzata dei processi di fabbricazione che saranno utilizzati per il componente.

Processi di fonderia

I processi di formatura da liquido consentono la realizzazione di manufatti a partire da leghe metalliche allo stato fuso, utilizzando apposite attrezzature per conferire la forma del pezzo attraverso il processo di solidificazione. È necessario realizzare dapprima la “forma” o “cavità” con un materiale adatto a sopportare le temperature di processo e le operazioni di formatura, in seguito avviene la colata del materiale metallico allo stato fuso al loro interno. I processi di fonderia possono essere classificati innanzitutto in:

• Processi in forma transitoria: al termine della fase di solidificazione lo stampo viene distrutto. Solitamente il materiale usato è la sabbia silicea, poiché ha un’ottima resistenza alla temperatura (circa 2000°K), quindi si presta meglio a metalli come ghisa e acciai (che hanno temperature di fusione tra 1500 e 1600°K). La sabbia silicea è costituita da sabbia più dei “leganti”, come ad esempio argilla. I processi in forma transitoria richiedono dunque uno stampo per ogni pezzo (10000 pezzi = 10000 stampi), dunque hanno un costo variabile elevato; i limiti di questo processo sono due: lo spazio fisico (dell’officina), la quantità di materiale da fondere (che di solito è definita dal forno).
• Processi in forma permanente: in questo caso gli stampi non vengono distrutti ma sono riutilizzati. In questo caso gli stampi non resistono a temperature molto elevate (circa 750°K) quindi si prestano alla fusione di leghe di acciaio. Questi tipi di processi richiedono che il pezzo si solidifichi completamente prima di aprire lo stampo, dunque il tempo di ciclo corrisponde al tempo di solidificazione; richiedono costi fissi elevati.

Esistono, all’interno di queste tipologie di processo, un numero elevato di varianti che contribuiscono alla versatilità del processo (ad esempio materiale utilizzato per le cavità, modalità di riempimento, etc). In generale i processi di fonderia possono essere schematizzati in queste fasi:

• Fusione: lingotti di materiale metallico vengono fusi in un forno fusorio, di solito questa fase richiede qualche ora. Il materiale poi viene spillato, cioè viene travasato in un forno di attesa, dove avviene sostanzialmente il trattamento della lega. Successivamente il materiale viene trasferito in un secchiello, chiamato siviera, pronto per essere colato.
• Colata: un operatore versa il materiale dalla siviera nelle staffe, all’interno delle quali c’è la forma del pezzo da realizzare.
• Solidificazione: si aspetta il tempo necessario affinché il calore del materiale si disperda (a seconda delle dimensioni del pezzo da realizzare varia da secondi, minuti, ore, giorni).
• Estrazione: terminata la fase di solidificazione lo stampo viene aperto o distrutto, a seconda dei casi, e si ottiene il pezzo allo stato grezzo, chiamato getto (prodotto di fusione).
• Finitura
• Controlli
• Trattamenti termici

Colata a terra

Il processo di colata a terra è un processo in forma transitoria, quindi richiede la realizzazione di uno stampo. Gli elementi fondamentali dell'attrezzatura sono:

• Il materiale di formatura (terra da fonderia): riporta una cavità che rappresenta il negativo del pezzo da realizzare.
• L’anima, anch’essa di materiale refrattario, destinata ad impedire che il materiale fuso occupi zone destinate a cavità.
• Tasselli, servono per evitare i “sottosquadri”.
• Il sistema di colata, che collega la cavità da riempire con l’esterno (attacco di colata e canale di colata).
• Le staffe, inferiore e superiore, racchiudono il sistema lasciando aperte sia la sommità che il fondo (le staffe sono come delle scatole metalliche con solo pareti laterali).
• Le materozze, che servono per la fase successiva di solidificazione.

Per realizzare la cavità occorre un modello:

Modello

Il modello è solitamente realizzato in legno, attraverso una lavorazione in macchina utensile, oppure in materiali più pregiati. La realizzazione del modello segue diverse fasi:

1. Si parte dal disegno del finito (cioè del pezzo da realizzare), seguono diversi passaggi:
   • Scelta del piano di divisione
   • Eliminazione dei fori (piccoli)
   • Sovrametalli (si aggiunge qualche millimetro di spessore al pezzo, cosicché in fase di rifinitura del pezzo non varino di troppo le dimensioni precedentemente stabilite)
   • Angoli di sformo
   • Raggi di raccordo
   • Analisi degli spessori
2. Si ottiene quindi il disegno del grezzo; a questo punto seguono due processi:
   • Compensazione del ritiro
   • Portate d’anima
3. Disegno del modello

Il problema fondamentale della fonderia è l’estraibilità del modello: devono essere evitati:

1. Sottosquadri, ovvero porzioni di materiale che non consentono l’estrazione del modello
2. Strisciamenti, potrebbero staccarsi pezzi di sabbia che comporterebbero difetti nel getto, che di conseguenza viene scartato.

Questi due problemi possono essere risolti aggiungendo al modello:

1. Tasselli: forme realizzate in terra da fonderia che vengono inserite, assieme alle anime, nella fase di ramolaggio allo scopo di risolvere i sottosquadri (anche i tasselli si poggiano su portate d’anima che devono essere previste sul modello).
2. Angoli di sformo: le superfici parallele alla direzione di sformatura devono essere dotate di un’inclinazione che ne agevoli l’estrazione; sono sostanzialmente delle deviazioni della cavità dalla forma originaria del pezzo da realizzare.

Il modello deve prevedere non solo la geometria del pezzo da realizzare ma anche tutto il sistema di colata e distribuzione del metallo; deve realizzare gli appoggi delle anime (dette portate d’anima) che consentono il riferimento e il bloccaggio tra le due staffe. Mentre lo stampo viene distrutto ad ogni colata, per i processi in forma transitoria, il modello può essere impiegato per la formatura di numerose forme, a seconda della sua resistenza all’usura.

Le fasi di realizzazione dello stampo

Una volta individuato il piano di sformo più adatto, il modello è suddiviso in semimodello superiore e semimodello inferiore. Si passa quindi alla realizzazione dello stampo vero e proprio:

1. Il semimodello viene posto su un piano di lavoro (con i fori di riferimento che ne consentiranno l’estrazione) all’interno della staffa.
2. La staffa viene riempita di sabbia in modo tale da ricoprire completamente il semimodello.
3. La sabbia viene compressa, in modo tale da riempire perfettamente tutti gli spazi tra staffa e modello.
4. Viene eliminata la sabbia in eccesso.
5. Vengono realizzate le tirate d’aria (in modo tale che non si creino buchi d’aria).
6. La staffa viene rovesciata e vi è l’applicazione dell’altro semimodello.
7. Dopo che la seconda staffa viene sistemata c’è la fase di ramolaggio, ovvero di ricomposizione delle staffe e aggiunta di canali di colata e materozze.
8. Riempimento, compressione e tirate d’anima.
9. Separazione staffe, estrazione del modello, ramolaggio anime, ricomposizione.

Il getto la forma del materiale solidificato è costituita dalla geometria del pezzo che si vuole ottenere e da tutto il sistema di colata, distribuzione e alimentazione. Le parti “in più” del getto vengono chiamate “boccame” e vengono rimosse attraverso un processo di smaterozzatura. Il rapporto tra il peso del pezzo (parte utile = getto – boccame) e il peso del getto viene definito resa del getto: maggiore è la resa, minore è la quantità di materiale che deve essere colata a parità di peso utile (e quindi minori costi di produzione).

Anime e tasselli

Per realizzare anime e tasselli si utilizza una cassa d’anima, costituita da due semistampi (in legno o altro materiale) in cui la terra di fonderia viene introdotta secondo varie metodologie: di solito abbiamo una cavità cilindrica che, attraverso una macchina spala sabbia, viene riempita e da lì si ottengono anime (per le cavità/fori del pezzo) e tasselli (per i sottosquadri). Anime e tasselli dunque sono sempre realizzati in sabbia e vengono inseriti nello stampo nella fase di ramolaggio (lo spazio viene creato, come detto in precedenza, dal modello). Le anime presentano le cosiddette portate d’anima che ne consentono l’appoggio.

Sistema di colata

Il sistema di colata è costituito da:

• Canale (o bastone) di colata: normalmente ha una forma a cono, questa geometria non è realizzabile dal modello altrimenti comporterebbe sottosquadri, quindi il problema viene risolto inserendo il canale di colata da sopra prima della colata.
• Attacco di colata: è il canale che collega il bastone di colata alla cavità, viene realizzato dopo l’estrazione del modello.
• Bacino di colata: il flusso di colata viene indirizzato in questa parte del bacino, quindi sormonta il piccolo risalto ed entra nel bastone di colata.

Progettazione del processo

La scelta del processo di fonderia adatto alla realizzazione di un pezzo si basa fondamentalmente su: numero di pezzi, dimensioni e geometria del pezzo, materiale da colare. Il processo di fonderia è un’attività nell’ambito del settore industriale terziario: il cliente richiede un’offerta sulla base del disegno tecnico del pezzo da realizzare, il responsabile tecnico della fonderia valuta la fattibilità del getto in base a considerazioni tecniche ed economiche e indica il prezzo del pezzo richiesto.

Il responsabile tecnico dopo aver stabilito la fattibilità del progetto considera diversi aspetti per stabile il prezzo di vendita:

• Aspetti tecnici: estraibilità
• Sformabilità
• Sovrametalli (in funzione di successive lavorazioni)
• Portate d’anima: servono per bloccare anime e tasselli, in modo tale da essere completamente bloccati quando viene messa la staffa superiore.

Colata in conchiglia

La colata in conchiglia per gravità è la tecnologia fusoria che prevede la colata del metallo fuso in uno stampo generalmente di acciaio; il riempimento e la solidificazione del materiale avvengono sotto la legge di gravità e questo rende possibile l’utilizzo di tasselli e anime in sabbia. Per risolvere sottosquadri lo stampo o conchiglia può essere diviso in due o più parti a seconda dei casi; in alcuni casi si utilizzano altre parti mobili rispetto al semistampo, chiamate anime o maschi, in questo modo il controsformo viene risolto con un movimento aggiuntivo limitato ad una sola parte dello stampo. Quando non è possibile risolvere i sottosquadri in questi due modi, allora vengono impiegati anime e tasselli. Anche in questo caso anima e tasselli svolgono le medesime funzioni, rispettivamente si utilizzano per... (testo troncato).