Tecnologia meccanica - Appunti 1° e 2° parte

Tecnologia meccanica - processi industriali di lavorazione e raffinazione

In questo corso verranno definiti i seguenti concetti:

• Produzione industriale e i fattori tecnico-economici che consentono di realizzare prodotti.
• Relazioni che intercorrono tra progettazione, ingegnerizzazione, materiali, processi industriali e i relativi costi.
• Tendenze in atto nella produzione industriale moderna e come esse possono essere utilizzate nel mercato mondiale per ridurre al minimo i costi di produzione.

Produzione industriale

La produzione industriale o Manufacturing, nel suo significato più ampio, è il processo di conversione di materie prime in prodotti. Si inserisce all’interno di tale sezione anche la progettazione e la fabbricazione di prodotti utilizzando varie tecnologie e metodi di produzione.

La produzione industriale può riguardare prodotti discreti, nel caso di singoli pezzi o parti, oppure prodotti continui (lamiere, fili, tubi) che devono essere tagliati per diventare prodotti discreti. Un prodotto, poiché ottenuto mediante una serie di trasformazioni a partire da diverse materie prime, acquisisce un certo valore aggiunto in termini monetari.

La produzione industriale è generalmente un complesso di attività che coinvolgono persone con varietà di conoscenze e competenze, unitamente ad una vasta gamma di macchinari.

La progettazione di un prodotto è un’attività molto importante poiché è stato stimato che il 70% dei costi di sviluppo e produzione è determinato dalle prime fasi di progettazione. Il processo di produzione richiede una chiara comprensione delle funzionalità e delle prestazioni che si desidera avere. Il prodotto che viene messo in commercio può essere un prodotto del tutto nuovo o essere un miglioramento di un prodotto già esistente. Si ha inoltre l’obbligo di conoscere il mercato di riferimento e come il prodotto, una volta finito, possa essere usato. Per questo le attività di progettazione e di produzione vengono eseguite in serie.

• Manufacturing engineering (ingegneria della produzione): è una disciplina dell'ingegneria che si occupa delle diverse pratiche di produzione e della ricerca e sviluppo di sistemi, processi, macchine, strumenti e attrezzature.
• Manufacturing technology (tecnologia di produzione): fornisce gli strumenti che consentono la produzione di tutti i manufatti.
• Processing operations (operazioni di elaborazione): rappresenta il processo di successione delle varie attività industriali che trasformano il pezzo grezzo in un prodotto finito che può essere immesso nel mercato.
• Assembly operations (operazioni di assemblaggio): unire due o più componenti per creare una nuova entità.
• Shaping processes (processi di modellatura): trasforma la forma di un materiale di lavoro da uno stato di completamento approssimativo a uno stato più avanzato o finito.

Nella produzione industriale gioca un ruolo importante la raffinatezza che si vuole ricercare. Oggetti più raffinati sono soggetti a costi maggiori e quindi a produzioni ristrette, mentre oggetti meno raffinati possono essere soggetti a produzioni più ampie. Nella progettazione si vanno ad inserire nei disegni le tolleranze che aiutano ad essere il più precisi possibile nella reazione del componente. Si deve inoltre, per ridurre i costi e allo stesso tempo ottenere prestazioni eccellenti, scegliere i materiali più appropriati per la realizzazione dell’oggetto richiesto. Ciò poiché ogni materiale presenta determinate proprietà che lo rendono appropriato per un determinato utilizzo e non appropriato per un altro. Per questo sono fondamentali i concetti di disegno meccanico e tecnologia dei materiali.

Aspetti tecnologici ed economici

Le applicazioni meccaniche e chimiche ad un terminato oggetto permettono di alterare la sua geometria, le sue proprietà e il suo aspetto. Ciascun processo presenta un determinato costo per poter essere applicato e determinati macchinari. Per poter ridurre al minimo i costi e i tempi di produzione è molto importante avere anche una struttura industriale ben precisa e focalizzata sul tipo di produzione che si vuole andare ad attuare. Si parla così di Facilities Layout.

La scelta e la gestione dei materiali costituisce un aspetto fondamentale nei processi tecnologici e nei loro costi. Per esempio, se scegliamo un materiale colabile, bisogna conoscere alla perfezione la sua viscosità per sottoporlo al processo industriale più redditizio. Questo comporta un stretto legame tra materiali, processi e layout.

Materiali processi layout creazione/produzione

I processi si suddividono in processi primari e secondari. Tale distinzione viene fatta in base al tipo di lavorazione alla quale gli oggetti verranno sottoposti e in base alle finiture che si vogliono raggiungere.

• Processi primari: si sottopongono i materiali a processi che permettono di ottenere una forma approssimativa dell’oggetto.
• Processi secondari: permettono di andare ad ottenere le finiture superficiali che si vogliono conferire all’oggetto finito prima di essere immesso nel mercato.

Inoltre si fa notare che il costo di produzione dell’oggetto dipende al tipo di finitura superficiale che si vuoi ottenere e dal numero di pezzi che andranno a costituire l’oggetto stesso. A sua volta si fa notare che la produzione di un oggetto presenta dei costi fissi e dei costi marginali variabili (quest’ultimi dipendono dai numero dei pezzi che si devono produrre per assemblare l’oggetto finale). I processi primari sono veloci ma hanno costi fissi elevati poiché necessitano di uno stampo. I processi secondari sono processi mediamente lunghi che permettono di rifinire le superfici. Si può realizzare un oggetto anche partendo da un blocco del materiale selezionato e sottoponendolo ad un processo di rifinitura, ma in questo modo i costi diventano estremamente elevati.

Manufacturing capability (capacità produttiva)

La maggior parte dei materiali ingegneristici possono essere classificati in tre classi basilari: metalli, ceramici e polimerici. Con capacità produttiva si intende la quantità massima che un impianto può produrre in un determinato periodo di tempo (ad esempio, mese o anno) in condizioni operative presunte. Mentre per capacità di elaborazione tecnologica si intende che i processi produttivi sono adatti a determinati materiali, quindi specializzandosi in determinati processi, l'impianto si sta specializzando anche in determinati materiali.

Si può suddividere lo sviluppo all’interno della catena produttiva in tre grandi gruppi: materiali, processi, sistemi produttivi. Questi tre blocchi rappresentano l’oggetto di studio della moderna manifattura. È opportuno andare a rivedere le proprietà dei materiali. Si fanno presenti i materiali più utilizzati e le loro proprietà più significative.

• Acciaio: costa poco, è pesante e soggetto alla corrosione.
• Legno: leggero, resistente, ma non deformabile.
• Alluminio: leggero, moderatamente resistente alla corrosione, ma costoso.
• Magnesio: leggermente migliore delle leghe di alluminio, ma molto più costoso.
• Carbonio: leggero, resistente alla corrosione, ma estremamente costoso.

Si ricorda che si scegliere un terminato processo produttivo invece che un altro in base al materiale che si deve utilizzare e in base al numero dei pezzi che si deve produrre.

Facilities layout (organizzazione della produzione)

Vengono utilizzati principalmente 4 layout produttivi:

• Project shop
• Flowline-transfer line
• Job shop
• Cellular system

Andiamo ad analizzarli uno alla volta. Secondo il Project shop abbiamo diversi reparti in ciascuno dei quali vengono prodotti piccole quantità di pezzi complessi, specializzati e personalizzati. Stiamo parlando per esempio di parti di aeromobili, prototipi o particolari macchine. L’attrezzatura in ciascun reparto è di uso generale. Secondo tale organizzazione industriale la forza lavoro, altamente qualificata, si muove attorno all’oggetto. Si riesce ad ottenere la massima flessibilità, ma si ha una bassa efficienza.

Con flow and line transfer line si pensa ad una disposizione in sequenza. Si producono oggetti complessi che richiedono più operazioni, tra cui anche l’assemblaggio. In questo caso la forza lavoro rimane ferma, mentre si vanno a spostare le unità di lavoro all’interno della sequenza per completare il prodotto. A differenza del project shop in questo caso le apparecchiature vengono progettate per compiere determinate attività che mirano ad ottenere un determinato obiettivo. Si raggiunge così la massima efficienza. Il problema principale risulta essere il fatto che il guasto di un singolo macchinario blocca l’intera linea di produzione.

Tramite il job shop si raggiunge un’elevata flessibilità nella progettazione del prodotto e nella gestione delle macchine che possono essere aggiunte, tolte o sostituite. Permette anche un’elevata elasticità del volume di produzione. Abbiamo però una bassa obsolescenza, ovvero i macchinari non sono specifici ma sono tipicamente multiuso. Poiché ogni reparto presenta più di una macchina, un guasto rallenta la produzione, ma non la blocca come invece accade nel flow and line transfer line. La programmazione e la pianificazione del lavoro è complicata a causa dell’elevata variabilità del prodotto che si può andare a realizzare e del flusso di produzione intrecciato che si ha. Nel complesso abbiamo una buona flessibilità, ma una scarsa efficienza.

Nei sistemi di produzione cellulare (Cellular System) le macchine sono raggruppate in base alle famiglie di parti prodotte. Il flusso di materiale è notevolmente migliorato, riducendo la distanza percorsa da materiali, inventario e tempi di consegna cumulativi. Si vanno così a creare tante piccole linee di produzione. Tale struttura rappresenta il giusto compromesso tra efficienza e flessibilità.

Come nasce e si realizza un prodotto industriale

• Design for Manufacturing
• Design for Assembly
• Design for Reliability
• Design for Maintainability
• Design for Disassembly
• Design for Recycling/Disposal
• Design for Life Cycle
• Design for Sustainability
• Design for Ergonomics

Prima di parlare specificamente del Design for X si deve introdurre il concetto di Concurrent Engineering (progettazione simultanea). Il concurrent engineering è un insieme organico di metodologie, tecniche e strumenti che consente un approccio alla progettazione integrata di un prodotto e del relativo processo produttivo. Tale approccio permette di ridurre drasticamente i tempi di sviluppo e i costi connessi, consente inoltre maggiore flessibilità alla progettazione e alla produzione, oltre che una migliore qualità dei prodotti. Il tutto a spesa di una maggiore complessità della fase di progettazione e della necessità di avere team interfunzionali.

Più semplicemente, la progettazione simultanea è un approccio sistematico che integra la progettazione e la fabbricazione dei prodotti con l’obiettivo di ottimizzare tutti gli elementi coinvolti nel ciclo di vita del prodotto. I principali obiettivi del concurrent engineering sono la riduzione del numero di modifiche progettuali e l’abbattimento dei tempi e dei costi di produzione. L’applicazione del concurrent engineering può richiedere tempo e sforzi considerevoli. Si ha bisogno quindi di un gruppo di persone che presentino la capacità di interagire tra di loro e la capacità di utilizzare qualsiasi forma di tecnologia.

La progettazione del prodotto richiede spesso, sia in aziende grandi che in aziende piccole, la modellazione analitica del prodotto per poter studiare le tensioni, le deformazioni in gioco e la forma geometrica ottimale. Oggi siamo aiutati, nell’ottimizzare il processo produttivo, dal calcolatore e dalle tecniche di progettazione, ingegnerizzazione e fabbricazione assistita dal calcolatore. Queste ultime tecniche sono comunemente indicate con gli acronimi CAD, CAE e CAM. Grazie a tali strumenti, la scelta dei materiali viene fatta in collaborazione con tecnici esperti dei materiali. La simulazione al calcolatore è uno strumento potente ed efficace per la valutazione delle prestazioni del prodotto e la pianificazione del sistema produttivo. La simulazione aiuta ad individuare eventuali errori progettuali. Il passo successivo nel processo di sviluppo del prodotto è la realizzazione di un prototipo, ovvero una prima versione del prodotto. Per realizzare esso si utilizzano le tecniche del CAD e del CAM. La prototipazione virtuale è una tecnica che consiste nell'utilizzo del calcolatore, di grafiche avanzate e ambienti virtuali che permettono al progettista di esaminare ogni componente.

• CAD: progettazione assistita dal calcolatore
• CAM: fabbricazione assistita dal calcolatore. Permette di conoscere i codici di lavoro.
• CAE: ingegnerizzazione assistita dal calcolatore
• CAPP: pianificazione del processo produttivo assistita dal calcolatore

Design for X

È uno degli strumenti del concurrent engineering. È un metodo di progettazione pensato in base al ciclo di vita del prodotto al fine di migliorare la qualità e ridurre i costi ed i tempi di realizzazione di un progetto. Si cerca, con tale approccio, di abbattere i muri della progettazione seriale, al fine di ottenere, appunto, un approccio integrato.

Schema tradizionale dell’organizzazione dello sviluppo del prodotto all’interno dell’industria

L'approccio seriale di progettazione porta con sé molti problemi. Si può osservare che durante qualsiasi fase può essere indispensabile tornare indietro, per ripetere o modificare una fase precedente, con conseguenti perdite di tempo. In generale, tra gli aspetti che maggiormente influenzano il progetto di un prodotto vi sono l'analisi di mercato, la reperibilità dei materiali, la stima dei costi e dei tempi di lavorazione (es.: con macchina utensile), di assemblaggio e di disassemblaggio.

Nell'ambito del concurrent engineering è perciò nato il DFX (Design for X), che si può anche vedere come una filosofia aziendale orientata alla cooperazione tra tutte le competenze coinvolte nella progettazione di un prodotto; esso comprende:

• il DFM (Design for Manufacturing)
• il DFA (Design for Assembly)
• il DFD (Design for Disassembly)
• il R&M analysis (Design for Reliability e Maintainability)

In particolare, per migliorare i tempi di produzione ed eliminare gli errori durante la progettazione è risultato efficace l'approccio DFM grazie al quale si possono ridurre i tempi di introduzione sul mercato di un prodotto.

Design for Manufacturing

È la pratica ingegneristica generale di progettazione di prodotti in modo che siano facili da fabbricare. Il concetto esiste in quasi tutte le discipline ingegneristiche, ma l'implementazione differisce ampiamente a seconda della tecnologia di produzione. DFM descrive il processo di progettazione di un prodotto al fine di facilitare il processo di produzione e al fine di ridurne i costi di produzione. DFM consente di risolvere potenziali problemi in fase di progettazione, che è il luogo meno costoso per risolverli. Altri fattori che possono influenzare la capacità produttiva sono il tipo di materia prima, la forma della materia prima, le tolleranze dimensionali e la lavorazione secondaria come la finitura.

Possiamo sintetizzare il Design for Manufacturing nei seguenti punti chiave:

• Valutazione dei processi produttivi, cercando di ridurre il numero di parti in modo da minimizzare il tempo impiegato per completare il prodotto.
• Valutazione della complessità dei processi produttivi.
• Valutare la lavorabilità dei materiali selezionati per ridurre al minimo i costi scegliendo i materiali più appropriati.
• Studiare metodi che aumentino l’affidabilità del processo produttivo andando a ridurre le parti dell’oggetto in modo da minimizzare gli errori possibili.
• Studiare tecniche che aumentino la qualità del design.

Si nota subito che già con il DFM, che rappresenta la fase iniziale del processo industriale, l’aspetto che viene considerato maggiormente è quello economico. Si cerca di conciliare la massima prestazione dell’oggetto prodotto con il costo di realizzazione minore.

Approfondimenti su azienda e vita del prodotto

Durante l’organizzazione della produzione è bene considerare i tempi delle singole produzioni. Si inizia sempre dalla produzione del componente che richiede più tempo. Inoltre un’azienda che produce un prodotto, pur potendo produrre anche altri tipi di oggetti, è difficile che si distacchi dalla produzione di esso.

• Vita del prodotto: comprende tutte le fasi che riguardano il prodotto: quelle iniziali di progettazione, di sviluppo, produzione e distribuzione, la fase di utilizzo e infine lo smaltimento e il riciclaggio. Ogni tot cicli si fanno degli aggiornamenti che permettono di migliorare il prodotto finito.
• Gestione del ciclo di vita del prodotto: riguarda le strategie aziendali adottate dalle imprese, e dipende dal tipo di prodotto, dal comportamento dei clienti e delle condizioni di mercato.

Classificazione dei disegni industriali

• Disegni di concepimento
• Disegni di definizione
• Disegni di catalogo
• Disegni di fabbricazione