Studi di Fabbricazione - Appunti del corso

Introduzione al manufacturing

Il corso si baserà sulla scelta della migliore tecnologia possibile dati i vincoli. Spesso si pensa che una volta avuta l’idea e assegnato i materiali si sia risolto il problema; ma in generale, proprio da quel momento si possono avere molte possibilità, ossia una vastità di tecnologie di produzione disponibili.

Se in un momento nasce una tecnologia complementare migliore, il modo vecchio di operare è destinato a sparire in qualche anno. Con tecnologie, intendo principi di trasformazione (ad esempio il processo di produzione a livello tecnologico in Tenaris, ciò che sarà cambiato riguarderà la modalità di gestione e supervisione).

Circa 25 anni fa, avvenivano tecniche di additive manufacturing, si pensava fosse il futuro, ma ancora oggi non è diventata una tecnologia di massa. Questo perché le velocità ed i volumi non sono compatibili con le richieste di mercato; inoltre i costi sono alti.

Se lo stesso oggetto potessi farlo con pressostampaggio, i tempi sarebbero dell’ordine dei secondi; le voci di costo sarebbero le stesse di prima, ma il costo di utilizzo della manodopera è molto inferiore. Cambiando la tecnologia, ho risolto due problemi: velocità di produzione e abbattimento dei costi (tecnologia a basso valore aggiunto). Alcune volte le tecnologie non sono in grado di rispettare velocità e tempi di mercato.

A differenza, se dovessi realizzare un solo prodotto non avrebbe senso il pressostampaggio; avrei un costo alto che non potrei ripartire su più prodotti.

Scelta della tecnologia di produzione

È essenziale l’idea del dover produrre. Avendo il disegno del prodotto da realizzare, devo decidere la tecnologia da utilizzare nella produzione, il tipo di macchinario (grande, piccolo, resa, caratteristiche); l’integrazione fra le tecnologie perché il più delle volte il prodotto finito è realizzato tramite scelte di compatibilità. Decise:

• Macchine
• Processo
• Materiali

Devo formalizzare la sequenza dettagliata delle operazioni che mi porteranno alla realizzazione finale. Perché:

• Costi
• Ripetibilità, stabilità del processo; se devo realizzare più prodotti dello stesso tipo, tutti uguali.

Arrivati alla fine si spera che il prodotto funzioni e risponda alle aspettative; sarebbe preferibile conoscere tutto prima, anzi, si deve conoscere tutto prima. Prima di ottenere il prodotto si deve realizzare uno studio di fattibilità con un’idea di quelli che saranno i costi, il prodotto finale. Se alla fine otterrò quello che mi aspettavo, avrò una conferma. Spesso si potrebbe partire con più progetti ma alcuni potrebbero essere abbandonati perché non rispondono a termini tecnici ed economici.

Fattibilità tecnica ed economica

Come faccio a sapere a priori se sarà fattibile dal punto di vista tecnico ed economico?

• Costi di produzione
• Costi investimenti
• Costi di manodopera
• Costi nell’unità di tempo

• Funzionerà per tutto il tempo all’uso per cui è stata destinata; si dovrà fare un’ipotesi di utilizzo e funzionalità. Quindi è importante l’aspetto di durata.
• Caratteristiche tecniche, quindi resistenza del materiale, spessore minimo legato ad un materiale, ovviamente dato il carico che dovrà sopportare. Potrei aggiungere per sicurezza uno spessore ma comporta dei costi.

Prototipazione

Posso realizzare prototipi. La prototipazione, in senso generale, può darmi delle risposte in termini di affidabilità; però, perché sia veritiera, il prototipo dovrà essere realizzato con gli stessi materiali, la stessa tecnologia di lavorazione o trasformazione. Questo perché il materiale reagisce diversamente in base alla lavorazione.

Tipologie di produzione

Possiamo dividere la produzione in due gruppi principali:

• Produzione continua: alla fine del processo, è molto difficile riconoscere le materie prime; non è possibile lo smontaggio. In generale la produzione continua coinvolge operazioni di:
  • Miscelazione, risoluzione
  • Reazioni chimiche
  Le tipiche produzioni riguardano: acciaio, carta, cemento, sostanze chimiche e filati.
• Produzione per lotti, o discreta: il prodotto in lotti è costituito da singole parti, assemblate insieme, che possono essere facilmente distinte (molto spesso in materiali diversi).
  • Produzione per parti, prevede una sequenza di operazioni per cambiare forma, dimensioni, finitura superficiale o altre proprietà di parti semplici (elementari)
  • Assemblaggio, è una sequenza di azioni per raggruppare, posizionare e fissare parti in un assieme.
  Pertanto, utilizziamo la produzione in lotti per: automobili, computer, elettrodomestici (lavatrici, frigoriferi).

Ogni bene viene prodotto usando uno (a volte entrambi) di questi tipi. La quantità di prodotti Q fabbricati da una fabbrica influenza il modo in cui funziona e quindi le procedure sono organizzate. Le quantità di produzione annuali possono essere classificate in tre intervalli:

La varietà di prodotto P si riferisce a diversi tipi di prodotto o modelli prodotti nello stabilimento. Prodotti diversi hanno caratteristiche diverse: hanno diverse geometrie, proprietà, aspetto; sono destinati a mercati diversi; alcuni hanno più parti di altri. Quando il numero di tipi di prodotto realizzati in fabbrica è elevato, questo indica una varietà di prodotti elevata. La sequenza del processo può essere molta diversa. Ci sono trasformazioni che alterano la forma, la finalità estetica o altre caratteristiche. Modifica la forma, le proprietà fisiche o l'aspetto di un materiale al fine di aggiungere valore.

Tre categorie del processo di lavorazione:

• Operazioni di sagomatura: modificare la geometria del materiale di lavoro iniziale
• Operazioni che migliorano la proprietà: migliorano le proprietà fisiche senza cambiare forma
• Operazioni di trattamento delle superfici: per pulire, trattare, rivestire o depositare il materiale sulla superficie esterna dell'opera.

Caratteristiche delle tecnologie di trasformazione

Processi di solidificazione

• Fusione: si basano sul passaggio di stato solido-liquido-solido

Processi di sinterizzazione

• Passaggio del materiale sotto forma di polvere alla sua compattazione, e ottenimento di un unico pezzo

Processi con costanza del volume ma cambiamento della forma

• Deformazione

Processi con trasformazioni che avvengono tramite rimozione di materiale

Processi non convenzionali: il principio è la rimozione del materiale ma non c’è l’interazione pezzo – utensile (laser..)

Tutte queste famiglie di processi non sono diverse per la modalità pratica con cui trasformano il materiale, ma sono da considerare anche i diversi effetti/proprietà/caratteristiche che trasferiscono al materiale:

es. Acciaio: considero lo stesso pezzo d’acciaio, un terzo lo fondo, un terzo stampaggio, un terzo fresato dal pieno. Potrei ottenere tre pezzi identici nell’aspetto esperiore ma molto diversi nelle loro caratteristiche. Con prove di trazione si verificherebbero delle significative differenze. Chimicamente la composizione è la medesima ma avendo subito trasformazioni differenti sono state alterate alcune caratteristiche di resistenza. La fusione dell’acciaio non è gradita per evitare la formazione di difetti.

Materiale di scarto e prodotto difettoso

È auspicabile ridurre al minimo gli sprechi durante la modellazione delle parti. I processi di rimozione dei materiali sono dispendiosi nelle operazioni unitarie; la maggior parte delle operazioni di lavorazione di colata, stampaggio e particolato sprecano poco materiale.

Terminologia per i processi tecnologici di trasformazione

• Processi di forma netta - quando viene utilizzata la maggior parte del materiale di partenza e non è necessaria alcuna lavorazione successiva;
• In prossimità di processi di forma netta - quando è richiesta una quantità minima di lavorazione.

Richiami dei processi tecnologici di trasformazione

Fusione (casting)

Capacità del materiale liquido di riempire una cavità, aspetto che solidifichi e successivamente lo stacco dalla sua impronta. È la tecnologia più versatile in assoluto, mi permette di arrivare molto vicino alla forma finita. Il tempo ciclo va da pochi secondi a qualche minuto. Il tempo critico è il tempo di solidificazione che dipende dalle caratteristiche del materiale: è il collo di bottiglia, e la cadenza produttiva dipenderà da esso. Si presta sia per pezzi molto piccoli (microfusione) sia per pezzi molto grandi. Economica: a basso valore aggiunto, a patto che ci siano minimi voluti di produzione; ci sono tempi di produzione, e tempi di set up non semplici (es. forma in sabbia). Esclusiva: dovendo realizzare prodotti molto grandi, potrebbe essere l’unico modo di realizzazione. Si possono trattare, gestire quasi tutti i materiali metallici. Il punto di forza è arrivare molto vicino al prodotto finito. Possono essere realizzate tutte le cavità senza problemi: avendo cavità, il tempo è più legato al volume da riempire rispetto alla forma da conferire. L’obiettivo è arrivare alla forma finita, lasciando ad altri processi le “rifiniture” (dimensionali, sottosquadre..)

È importante la temperatura di fusione. La fusione è una tra le tecniche più antiche per la produzione di manufatti metallici (fin dal 3000 a.C.). L’obiettivo è dare al metallo una determinata forma partendo dallo stato liquido. La colata è l’operazione con la quale il metallo liquido viene versato nella forma dove assume la forma della cavità relativa e si solidifica. Al termine dalla solidificazione esso viene estratto dalla forma (che può essere o meno a perdere, ovvero distrutta) fornendo così un grezzo avente la forma della cavità riempita con il metallo fuso. Si chiama getto e può essere un semilavorato o un prodotto finito.

Non tutti i materiali sono adatti ad essere impiegati in fonderia. Occorre verificarne le proprietà tecnologiche che sono: fusibilità e colabilità. Le prerogative di materiali adatti ad essere fusi sono:

• Fondere a temperature relativamente basse (buona fusibilità, max. 1500-1600 °C);
• Riempire completamente la forma (buona fluidità o colabilità o scorrevolezza);
• Mantenere una sufficiente omogeneità strutturale durante la solidificazione (niente o minima segregazione);
• Fornire getti sani esenti da difetti.

Alla fine dell’800 la fonderia ha assunto un carattere industriale con il perfezionamento degli impianti, con lo sviluppo della ricerca sui materiali e con il progresso tecnologico.

Fusione in terra

Nella fusione in terra la forma viene realizzata in terra (o meglio, in una particolare sabbia da fonderia miscelata con leganti e additivi specifici) e il riempimento con il metallo liquido avviene per gravità, cioè semplicemente versandolo nella forma. Quindi la forma è transitoria e la colata avviene in gravità. I materiali che possono essere colati in sabbia sono tutti i materiali metallici, soprattutto le leghe ferro-carbonio. La forma viene ottenuta compattando la sabbia di fonderia attorno ad un modello (generalmente in legno), che viene poi estratto per generare la cavità desiderata. Quindi esiste un problema di estraibilità del modello dalla forma.

Il distaffaggio

È fondamentale chiarire che il pezzo prodotto (getto) non viene estratto dalla terra (forma): la forma viene distrutta al momento del distaffaggio. I vincoli tecnologici sulla geometria riguardano l’estrazione del modello dalla forma prima della colata. I prodotti che meglio si prestano ad essere realizzati mediante colata in terra sono caratterizzati da:

• Geometria anche complessa ma con parete non necessariamente sottili
• Tolleranze geometriche imposte di circa +/- 0.5% – 2% della quota
• Finitura superficiale imposta di circa Ra = 12 – 24 mm
• Pesi medio-grandi
• Numerosità bassa (pezzo singolo), media o alta (processo automatizzabile)
• Non richiedere una elevata stabilità di progetto (la modifica del modello è relativamente semplice)

Sequenza di formatura

• Getto da ottenere
• Modello scomponibile
• Cassa d’anima
• Produzione dell’anima
• Formatura staffa di base
• Forma completa con canali
• C: canale di colata
• M: materozze
• Forma allestita per la colata

Tipologie di forme

• A perdere (forma transitoria)
• Non a perdere (forma permanente)

La fonderia presenta il vantaggio della rapidità di esecuzione e della convenienza economica nella realizzazione di pezzi la cui forma renderebbe troppo costoso o difficile la lavorazione con altri metodi.

Fase di solidificazione e raffreddamento

Per effetto delle isoterme di raffreddamento e delle caratteristiche del materiale, è possibile ottenere strutture differenti non equivalenti in termini di caratteristiche comportamentali. La solidificazione non avviene quindi contemporaneamente nella forma ma progressivamente dall’esterno verso l’interno.

Fenomeni che hanno luogo durante solidificazione e raffreddamento

Durante la fase di solidificazione hanno origine alcuni fenomeni che vanno presi in considerazione per poter progettare il modello, realizzare la forma e garantire getti sani. Questi fenomeni sono:

• Ritiro
• Tensioni di ritiro
• Cavità di ritiro
• Formazione di cricche a caldo

Oltre a questi fenomeni occorre considerare che il modello deve presentare alcune modifiche di geometria rispetto al pezzo finito per poter garantire:

• L’estrazione dalla forma, e che la stessa non si distrugga
• Angoli di sformo o spoglie
• Accorgimenti per la realizzazione di fori
• Raccordi sugli spigoli ed angoli
• Accorgimenti per la realizzazione di sottosquadri

Oltre questo, se il pezzo deve essere successivamente lavorato, è necessario prevedere un opportuno sovrametallo. Le cavità di ritiro dipendono dall’andamento delle isoterme di raffreddamento; porta ad una solidificazione che procede dall’esterno verso l’interno. Le tensioni di ritiro si verificano perché nel getto si hanno diverse velocità di raffreddamento, e quindi diverse temperature locali, e conseguenti diversi livelli di ritiro del materiale.

Canale di colata

Questo tipo di colata si definisce “in gravità” perché il riempimento della forma è garantito dal solo peso del metallo liquido. Il profilo è tronco-conico per compensare l’aumento della velocità del metallo liquido. Se così non fosse si correrebbe il rischio di ottenere l’inglobamento di bolle d’aria nella vena fluida.

Tipi di colata

• Colata diretta
  • Il canale di colata si apre direttamente nella parte più alta della forma
  • Problema delle gocce fredde
  • Problema della erosione della forma
• Colata in sorgente
  • Il canale di colata si apre sul fondo della forma
  • Riempimento più graduale
  • Minore erosione della forma

Solitamente, per semplicità, l’attacco di colata avviene in corrispondenza del piano di divisione delle staffe in maniera perpendicolare o tangenziale rispetto al getto.

Riepilogando: Un modello, rispetto al pezzo finito che si vuole ottenere, presenta modifiche dimensionali e di forma in quanto occorre tenere conto di:

• Ritiro
• Sovrametallo
• Angoli di spoglia
• Raccordi
• Scomposizione in più parti
• Eventuali sottosquadri
• Eventuali portate d’anima

Shell molding

La tecnica di shell molding (o processo Croning o processo C) consente di realizzare una forma partendo da due gusci ceramici. Il modello è permanente, mentre la forma è transitoria e la colata avviene in gravità. Vantaggi:

• Buona finitura superficiale
• Buona precisione dimensionale (intermedia tra la colata in sabbia e a cera persa)
• Non richiede staffe

Limiti:

• Limite nelle dimensioni
• Limite nella complessità del pezzo (solo due gusci)

Cera persa

Nella fusione a cera persa (o microfusione o investment casting) la forma è costituita da un materiale refrattario che viene depositato su un modello in cera, che viene poi eliminata attraverso il calore. La cavità così realizzata viene riempita di materiale liquido. La forma e il modello sono transitori e la colata avviene in gravità. Il modello in cera viene ottenuto attraverso lo stampaggio in uno stampo metallico. Esistono due processi a cera persa che differiscono esclusivamente per la modalità con cui si realizza la forma.

Nel primo caso si utilizza una staffa che viene riempita di materiale refrattario (sabbia o gesso). Nel secondo tipo (investment casting) il grappolo viene rivestito di materiale refrattario sintetico che solidificando costituisce il guscio ceramico all’interno del quale viene colato il materiale. I possibili difetti nella cera persa sono:

• Mancato riempimento: se la temperatura di colata o la temperatura del guscio sono troppo basse si può avere il mancato riempimento delle pareti sottili.
• Porosità: come per tutte le tecniche a gravità, le leghe che presentano un’elevata variazione di solubilità dei gas tra lo stato liquido e solido hanno un’elevata probabilità di formare porosità.

Vantaggi del processo a cera persa:

• Ottime precisioni dimensionali
• Ottima...