Tecnologia dei processi produttivi - tpp

Introduzione

Storia dei materiali e dei processi produttivi

Fin dall’antichità, l’uomo ha sviluppato tecnologie sempre più efficaci per soddisfare le proprie necessità: alcune di esse non sono più in uso, altre invece lo sono ma con metodi più innovativi.

I sistemi produttivi

Un sistema produttivo è l’insieme coordinato di tutte le risorse materiali e immateriali che concorrono alla realizzazione di un prodotto, a partire dalla sua concezione fino alla sua immissione nel mercato. Analizziamo nel dettaglio le diverse fasi che riguardano la realizzazione di un sistema produttivo:

Fasi del sistema produttivo

• Un’idea: Il sistema produttivo nasce innanzitutto da un’idea (astratta o concreta) che, una volta sviluppata, necessita di essere definita nelle sue prestazioni desiderate.
• Progettazione del prodotto: Questa fase può avere diverse soluzioni, nel senso che più prodotti possono realizzare le medesime prestazioni; in questo caso andrà scelta la migliore soluzione in base alle esigenze del consumatore finale. A questa fase si affianca contemporaneamente la progettazione del processo atto a realizzare il prodotto: solo lavorando ai due progetti in maniera simultanea si può avere infatti un approccio efficiente. Spesso, infatti, scelte di processo possono condizionare la struttura del prodotto, al fine di rendere l’intero lavoro più veloce ed economico.
• Realizzazione del processo: Successivamente alla fase progettuale, si passa alla realizzazione del processo vero e proprio, cioè alla costruzione dei macchinari che permettono di fare il prodotto. In questa fase non è raro dover tornare alla fase progettuale per modificare qualche macchina o alcune sue parti: si può trovare un modo diverso per realizzare il prodotto mediante procedimenti più snelli e semplici rispetto alla soluzione iniziale, mantenendo comunque inalterate le caratteristiche funzionali del prodotto volute.
• Controllo e ottimizzazione: Una volta realizzato il processo produttivo, si passa alla fase di controllo ed ottimizzazione: si verifica infatti la corrispondenza tra la soluzione realizzata e quella ipotizzata, cercando di limitare ulteriormente eventuali imperfezioni residue.
• Produzione del prodotto: Realizzato, controllato e ottimizzato il processo, si dà il via alla produzione del prodotto, in termini di assemblaggio: si costruisce il prodotto finito montando assieme una serie di componenti (in alcuni casi distinguibili come nei pc, in altri indistinguibili come nei farmaci). Dell’assemblaggio fa parte anche l’inscatolamento, talora erroneamente sottovalutato da alcune aziende, talora invece fonte di enorme fortuna per altre (es. Tetrapak).

Settori di un sistema produttivo

Un sistema produttivo può essere suddiviso in 4 settori ciascuno dei quali realizza diversi compiti. Analizziamoli:

• Studio e progettazione: comprende le seguenti attività:
  • Ideazione del prodotto da fabbricare
  • Definizione dei disegni d’insieme e di dettaglio
  • Scelta dei materiali
  • Condizioni funzionali con prototipi
• Industrializzazione: comprende le seguenti attività:
  • Controllo dei disegni
  • Modalità di fabbricazione di mezzi, attrezzature, utensili
  • Cicli di fabbricazione e di montaggio
• Fabbricazione: comprende le seguenti attività:
  • Distribuzione del lavoro ai reparti
  • Controllo della lavorazione
  • Flusso dei materiali
• Controllo di qualità: rispondenza del prodotto ai requisiti funzionali richiesti, introducendo una certa tolleranza (purché non sia compromessa la funzionalità) in quanto è quasi impossibile realizzare un prodotto perfettamente corrispondente a quello progettato.

La singola tecnologia di fabbricazione

Obiettivo di questo corso è lo studio delle singole tecnologie di fabbricazione che poi andranno inserite nel sistema produttivo. Queste si configurano nel ciclo di fabbricazione, che si basa sui seguenti strumenti:

• Disegno del finito: rappresentazione meccanica in forma grafica dell’oggetto per poter funzionare correttamente; è una rappresentazione univoca di ciò che si vuole costruire, che fissa forme e dimensioni del prodotto.
• Analisi dei materiali: nella maggior parte dei casi il materiale è predefinito, pertanto bisognerà studiarne caratteristiche e comportamenti per adattare di conseguenza il progetto del ciclo di fabbricazione.
• Analisi critica del progetto e tecniche di fabbricazione: scelto il materiale, si definisce la tecnologia più idonea a lavorarlo e i relativi parametri (ad es. fonderia ha come parametro la temperatura).

A questi strumenti si affianca la definizione delle tolleranze su forma e dimensioni del prodotto finito: come già è stato detto, è quasi impossibile costruire un oggetto dalla forma e dalle dimensioni progettate; pertanto vanno fissati quei valori limite superiori/inferiori alle attese che possono essere comunque ritenuti validi, per tener conto delle possibili imperfezioni di fabbricazione. Questo aspetto è molto importante sia in termini di funzionalità, sia per regolare i costi di produzione: limitate tolleranze garantiscono un prodotto migliore, ma questo si ripercuote inevitabilmente sui costi di produzione e di vendita per il maggior numero di scarti (ossia quei prodotti che non rispettano le tolleranze e che pertanto non possono essere venduti).

In aggiunta, un giusto peso va dato anche alla realizzazione di una finitura superficiale (o rugosità) del prodotto adeguata: infatti nei processi meccanici, si costruiscono prodotti che spesso hanno più parti che si muovono tra di loro; se tale finitura è scadente, l’attrito che si determina può essere rovinoso per la funzionalità prodotto stesso. Per ovviare a questo inconveniente, la geometria del prodotto andrà progressivamente migliorata durante il ciclo di fabbricazione.

Dalla singola tecnologia al processo produttivo

Una volta definita la singola tecnologia di fabbricazione, si passa a definire il processo produttivo in cui essa è inserita. Vi sono diverse tipologie di processi produttivi, ovvero:

• Fonderia
• Asportazione di truciolo
• Controllo di prodotto/processo
• Deformazione plastica
• Assemblaggio
• Saldatura/incollaggio
• Lavorazioni non convenzionali

Dal processo produttivo al sistema produttivo

Un processo produttivo coesiste insieme ad altri, dando così luogo ad un sistema produttivo, caratterizzato da una molteplicità di fattori che permettono la corretta gestione del sistema:

• Processo produttivo
• Risorse umane
• Economia
• Management
• Impianti industriali
• Organizzazione della produzione
• Finanza aziendale

Dal sistema produttivo al sistema integrato di produzione

Il sistema produttivo si inserisce in un contesto ancora più ampio conosciuto come sistema integrato di produzione che è composto, in generale, da due tipologie di beni:

• Beni immateriali: competenze tecnologiche, impiantistiche ed economiche
• Beni materiali: macchine, materie prime, risorse umane

La filiera produttiva dell’industria meccanica

Quali sono, nello specifico, i passaggi che portano dalla progettazione di un prodotto alla sua effettiva realizzazione finale? Come già detto, gli eventi fondamentali sono progettazione del prodotto e del processo, che si basano su:

• Disegno del finito, per definire forma, dimensioni, tolleranze e tipo di materiale
• Scelta della tecnologia da utilizzare per creare il prodotto
• Eventuali modifiche del finito

Terminata la fase di progettazione, si passa alla realizzazione del prodotto, che porta ai seguenti tre stadi di trasformazione:

• Grezzo
• Prodotto finito
• Controlli (dimensionali e strutturali)

Le lavorazioni effettuate per passare da a) a b) sono, tipicamente: fonderia, asportazione di truciolo, lavorazioni speciali, saldatura, deformazione plastica (quella che subisce un corpo soggetto a una forza, proporzionale allo sforzo applicato, e che permane). La fase di controllo c) serve per verificare il rispetto delle tolleranze imposte e delle funzionalità richieste.

Scelta della tecnologia al fine di ottenere una determinata forma finale

I metodi per creare un oggetto sono moltissimi, pertanto la scelta della tecnologia migliore andrà fatta in base ai seguenti fattori, interconnessi fra loro:

• Tolleranze
• Rugosità
• Dimensioni
• Tipo di materiale

Esempio: Fonderia

Si consideri il seguente oggetto da produrre, un cilindro con una parte svasata a tronco di cono:

1. Si realizza il pezzo a partire da un metallo liquido (il processo impiegato è quello di fonderia): viene fornito calore al metallo finché non si fonde, dopodiché viene versato in un opportuno contenitore chiamato forma. Per la legge di Fourier il metallo, essendo ad alta temperatura, comincia a scambiare calore con l’esterno fino a raggiungere la temperatura di solidificazione: il metallo ha dunque raggiunto il profilo cercato, non resta che eliminare la forma.
2. Per ottenere la forma finale possono essere applicate una serie di lavorazioni quali:
   • Deformazione plastica: applicando una forza alla superficie del materiale; tipica della scultura: l’oggetto voluto già esiste all’interno del grezzo, basta asportare la materia in eccesso.
   • Asportazione di materia
   • Aggiunta di materia: unendo più pezzi fra loro con meccanismi di incollaggio, saldatura e altri, per rendere le parti un unico pezzo.

Scelta della tecnologia in funzione delle tolleranze

A seconda delle tolleranze possibili per l’oggetto da produrre (stabilite in base alla funzione che esso deve assolvere), si sceglie la tecnologia più opportuna, tenendo conto che le tecnologie più sofisticate sono caratterizzate da un ristrettissimo range di tolleranza. Infatti, tolleranze piccole portano a montaggi molto precisi ed oggetti più resistenti. D’altro canto, tolleranze ristrette determinano un iperbolico aumento dei costi di produzione.

NB: è possibile ottenere la medesima tolleranza con più di una tecnologia, pertanto la scelta andrà effettuata tenendo conto anche di altri fattori quali i costi delle stesse.

Scelta della tecnologia in funzione della rugosità

La rugosità è, come già accennato, la finitura superficiale di un oggetto; essa influisce sulla corretta funzionalità dello stesso perché due oggetti dalla rugosità molto bassa, se a contatto fra loro, generano un attrito assai scarso, con conseguenti minori consumi (es. limitata produzione di calore): l’oggetto funziona quindi molto bene. Ogni tecnologia è in grado di produrre una certa rugosità: minore è la rugosità richiesta, maggiori saranno i costi (con andamento iperbolico anche in questo caso).

Scelta della tecnologia in funzione delle dimensioni

Le dimensioni dell’oggetto da produrre influiscono significativamente sulla scelta della tecnologia. In questo senso, il legame con le tolleranze desiderate è strettissimo: non esistono tecnologie in grado di produrre pezzi grandi e tolleranze scadenti (>= decimo di mm) e pezzi piccoli e tolleranze buone (≈ millesimo di mm).

Scelta della tecnologia in funzione delle rugosità e delle tolleranze

Anche la rugosità è strettamente interconnessa con la tolleranza desiderata (rapporto di diretta proporzionalità): non esistono tecnologie in grado di produrre pezzi molto rugosi e al contempo richiedenti tolleranze minime, o viceversa.

Scelta della tecnologia in funzione del tipo di materiale

Non tutte le tecnologie possono essere applicate a tutti i materiali (ad esempio il legno non può essere impiegato in fonderia, oppure materiali come il Titanio possono essere trattati con un solo tipo di lavorazione): la scelta dovrà dunque tener conto del tipo di materiale che si deve lavorare (per approfondimento vedi slide 24).

In conclusione

Scegliere la migliore tecnologia da adottare per creare l’oggetto della produzione è un’operazione molto complessa perché si hanno:

• Ampia scelta di tecnologie
• Ampia versatilità delle singole tecnologie
• Ampia disponibilità di materiali

Dipende dall’obiettivo che si intende raggiungere in termini di:

1. Costi
2. Tempi
3. Flessibilità
4. Qualità

La decisione va presa in base ad un’adeguata combinazione di competenze tecniche e gestionali, riassumibili nel seguente tetraedro della produzione, una piramide a base triangolare ai vertici della quale sono posizionati i quattro attributi sopra elencati:

Se si lasciano uguali le dimensioni delle 4 facce e delle 4 altezze, si dà eguale peso a tutti gli attributi; se si vuole dare maggior peso ad uno degli attributi, si aumenta l’altezza ad esso relativa, sacrificando gli altri 3; il massimo che si può ottenere è massimizzare 3 attributi su 4: è IMPOSSIBILE ottimizzarli tutti e 4.

Attributi decisionali e variabili decisionali

Quelli appena elencati sono i cosiddetti attributi decisionali. Ma da che cosa possono essere influenzati? Dalle variabili decisionali rappresentate da:

• Processi
• Macchine
• Materiali
• Parametri

Le variabili decisionali sono fondamentalmente parametri liberi (nel loro campo di esistenza). Ogni combinazione tra questi elementi avrà una serie di ricadute diverse sugli attributi decisionali. Pertanto esistono relazioni biunivoche tra variabili e attributi che danno luogo a modelli tecno-economici basati su equazioni tecnologiche ed economiche.

Nella pratica, si analizzano dapprima le equazioni tecnologiche: se esse non pervengono a risultati ritenuti soddisfacenti, è inutile passare all’analisi di quelle economiche. Se invece il modello risulta attendibile dal punto di vista tecnologico, si può passare ad analizzare l’impatto sui vari attributi (punto di vista economico).

Analisi dell’impatto sui vari attributi

1. Costo: fissata una velocità di taglio v come parametro indipendente, bisognerà corrispondentemente costruire un modello che, in funzione anche di attrezzature, materiali, manodopera, manutenzione, infrastrutture e capitali, permetta di scrivere una funzione che leghi v ai costi. Una volta ricavata la funzione generale, si regoleranno le varie leve descritte fino a raggiungere la propria funzione obiettivo, ottenuta sommando i costi dei singoli parametri.
2. Tempo: l’impatto di una variabile sull’attributo tempo è studiabile mediante l’ottimizzazione NON VINCOLATA legata a tale parametro. Riferendoci al medesimo esempio precedente: per trovare la v_t che minimizzi l’attributo tempo, si deve trovare il minimo di questa funzione. NB: Per valori agli estremi dell’intervallo di v, i tempi si allungano infinitamente.
3. Flessibilità: in base ai parametri desiderati, bisogna scegliere tra due tipi di sistemi:
   • Transfer: fanno benissimo una sola cosa, pertanto risultano i più efficaci se si intende produrre con le medesime modalità per lungo tempo.
   • Flessibile: producono un’ampia gamma di oggetti ma di minor qualità.
4. Qualità: agganciandoci al punto precedente, se ad esempio si vuole produrre un certo oggetto dalla determinata rugosità R (variabile decisionale), si deve ottimizzare il peso di due parametri a e r: mantenendo costante uno e variando l’altro, la rugosità potrà aumentare o diminuire.

In sostanza, l’interazione tra i vari parametri è continuativa e vincolante: andrà scelta la combinazione migliore per avere le ricadute desiderate sui vari parametri.

Sintesi esercitazione 1

A margine di questo capitolo, è stata fatta un’esercitazione per verificare quanto appreso. Essa è consistita in 3 esercizi:

1. Controllare il rispetto delle tolleranze sul diametro esterno di una boccola (=cilindretto cavo) di diametro 19,4mm con tolleranza ±0,4 mm. Si utilizza il calibro passa non passa, un cilindro cavo dal diametro interno variabile, che va da x+ε a x-ε. Si provano ad inserire le varie boccole all’interno del calibro dalla parte del diametro maggiore ottenendo i seguenti tre possibili risultati:
   • Non passa: il diametro esterno della boccola è maggiore del diametro interno del calibro x+ε.
   • Passa passa: la boccola riesce ad essere inserita nel calibro e ne esce anche, perché ha un diametro esterno minore di x-ε.
   • Passa non passa: la boccola ha un diametro compreso tra le due tolleranze ed è quindi un pezzo buono.
2. Misurare l’altezza di una serie di medie, prismi triangolari. Si utilizza il calibro ventesimale, uno strumento costituito da una parte fissa e una mobile. La distanza tra le due parti è riportata in una scala graduata principale (in mm), affiancata da una seconda scala graduata misurata in decimi di mm.
3. Appurare la cilindricità esterna di ciascuna boccola, per capire se effettivamente la boccola è cilindrica oppure a tronco di cono.