UNIBO: Ing. meccanica magistrale. Ingegnerizzazione di prodotto 2018/2019

INGEGNERIZZAZIONE DI PRODOTTO
UNIBO 2018/2019 – ingegneria meccanica magistrale – prof. liverani
Sommario
Concetto di prodotto ................................................................................................................................... 5
Prodotto .................................................................................................................................................. 5
Prodotto industriale e tipologie ............................................................................................................ 6
Ingegnerizzazione di Prodotto .............................................................................................................. 6
Componenti di un Prodotto .................................................................................................................. 6
Architettura di prodotto ....................................................................................................................... 6
Piattaforma .......................................................................................................................................... 7
Tipi di Prodotto ........................................................................................................................................ 8
Valore aggiunto ....................................................................................................................................... 8
E Innovazione .......................................................................................................................................... 8
Natura di innovazione .......................................................................................................................... 8
Intensità di innovazione ....................................................................................................................... 8
Mass Production ...................................................................................................................................... 8
Fordismo.............................................................................................................................................. 8
vs Customer driven .................................................................................................................................. 9
Modello Toyota .................................................................................................................................... 9
Product-driven ........................................................................................................................................10
Ciclo di Vita di un prodotto .........................................................................................................................10
Introduzione ...........................................................................................................................................10
Crescita...................................................................................................................................................10
Maturità .................................................................................................................................................10
Declino ...................................................................................................................................................10
Vendite, costi & profitti ...........................................................................................................................11
Curva di mortalità/sopravvivenza ............................................................................................................11
Rule of ten’s ............................................................................................................................................11
Costi del prodotto ...................................................................................................................................11
Vantaggio competitivo dato da un TTM (time-to-market) basso || Costi del prodotto............................11
Aspetti basilari dello sviluppo del prodotto .............................................................................................12
Competitività dei mercati........................................................................................................................12
Complessità dei prodotti industriali.........................................................................................................13
Necessità di ottimizzazione .....................................................................................................................13
Progettazione & Simulazione ..................................................................................................................13
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DMU: Digital Mock-Up ........................................................................................................................13
Virtual Prototyping ..............................................................................................................................13
CIM: Computer Integrated Manufacturing ..........................................................................................14
Specifiche di Progetto .............................................................................................................................14
Approccio Top-Down...........................................................................................................................14
Approccio Bottom-Up .........................................................................................................................14
Specifiche di Prodotto .............................................................................................................................17
Output del Design ...............................................................................................................................17
Design for X ............................................................................................................................................17
Concurrent Engineering: compressione dei tempi ...............................................................................18
Internet nello sviluppo prodotto .........................................................................................................19
Vedi PHProjekt (??) .................................................................................................................................19
Specifiche ...........................................................................................................................................19
Modello del processo di progettazione secondo Pahl e Beitz (1984) ....................................................20
Design for Manufacturing .......................................................................................................................21
Esempio ..............................................................................................................................................22
Design for Assembly ............................................................................................................................23
Design for Quality ...............................................................................................................................24
Design for Recovery ............................................................................................................................24
Design for Maintainability ...................................................................................................................25
Design for Safety .................................................................................................................................25
Design for Disassembly .......................................................................................................................25
Design for Recycling ............................................................................................................................25
Design for Product Retirement / Recovery ..........................................................................................25
Organizzazione dati e risorse Progetto, BOM, PDM/EDM, group technology ...............................................26
Elementi chiave per competitività .......................................................................................................26
Gestione dati di Progetto ........................................................................................................................26
PDM – EDM a supporto del processo di sviluppo prodotto ......................................................................26
Workflow ............................................................................................................................................27
Document management .....................................................................................................................27
EDM (Engineering Document Management) .......................................................................................27
Electronic Vault ...................................................................................................................................27
Group technology ...................................................................................................................................28
Machining features .............................................................................................................................28
Distinta base (dei Componenti) ...............................................................................................................28
CAPP (computer aided process planning) ............................................................................................28
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ERP (Enterprise Resource Planning).........................................................................................................29
Verticalizzazione dell’ERP ....................................................................................................................29
CRM (Customer Relationship Management)............................................................................................29
PLM (Product LifeCycle Management).....................................................................................................29
Lean Design ................................................................................................................................................30
Just in Time .............................................................................................................................................31
Lean Six Sigma ........................................................................................................................................31
Lightweight Design .....................................................................................................................................32
Tecniche Sottrattive… .................................................................................................................................32
…e Additive.................................................................................................................................................33
Rapid Prototyping ...............................................................................................................................33
Rapid Tooling ......................................................................................................................................33
Rapid Manufacturing...........................................................................................................................33
Processo .................................................................................................................................................33
Stereolitografia ...................................................................................................................................34
Polyjet-Multyjet ..................................................................................................................................34
Laser Sintering ....................................................................................................................................34
Fused Deposition Modelling ................................................................................................................34
Laminated Object Manufacturing ........................................................................................................35
Binder jetting ......................................................................................................................................35
Direct Energy Deposition .....................................................................................................................35
Tecniche Ibride ...................................................................................................................................35
Rugosità e Tolleranze ..................................................................................................................................36
Calcolo delle tolleranze dimensionali ..................................................................................................39
Progettazione .............................................................................................................................................43
Organizzazione del Progetto Costruttivo .................................................................................................43
Progetto costruttivo nell’ottica QFD ....................................................................................................43
Modello del processo di progettazione secondo Pahl e Beitz (1984) ........................................................44
Azioni da sviluppare nel progetto costruttivo (Pahl Beitz) ....................................................................45
Lista di controllo nel progetto costruttivo............................................................................................45
Ottimizzazione strutturale.......................................................................................................................48
Metodi Convenzionali .........................................................................................................................50
Metodi non Convenzionali ......................................................................................................................50
QFD – Quality Function Deployment .......................................................................................................54
Finalizzare e coordinare le competenze di un’organizzazione al fine di progettare prodotti conformi
alle attese dei clienti ...........................................................................................................................54
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Le Case della Qualità ...........................................................................................................................54
Supporto alla Progettazione TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving) .................................................56
Questionario sulla Situazione Innovativa (Innovation Situation Questionnaire ISQ) .............................57
Contraddizioni.....................................................................................................................................57
Documentazione tecnica di prodotto ..........................................................................................................60
Obblighi del costruttore ......................................................................................................................60
Marcatura CE ......................................................................................................................................60
Macchine escluse dalla direttiva ..........................................................................................................60
Fascicolo tecnico .................................................................................................................................60
Immissione sul mercato di una macchina ............................................................................................61
Immissione sul mercato di una quasi-macchina ...................................................................................61
Analisi dei rischi ..................................................................................................................................61
Manuale d’uso e manutensione ..........................................................................................................62
Integrazione con PLM..........................................................................................................................62
Lavoro di gruppo - punti..............................................................................................................................63
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Concetto di prodotto
1. Prodotto industriale e tipologie
2. Mass Production e prodotto Customer-driven
3. Ciclo di vita prodotto
1. Sono quelli destinati a individui o organizzazione che li usano per produrre altri beni o servizi. La
classificazione che solitamente viene attuata per questo tipo di prodotto riguarda il grado in cui esso
entra nel processo produttivo: materie prime e componenti, beni strumentali, servizi di consulenza…
Prodotto
“bene, ottenuto al termine di un processo produttivo di natura diversa rispetto a quello artigianale e
destinato alla commercializzazione”
Caratteristiche dipendono:
• Materia prima di partenza
• Sistema produttivo
• Settore di mercato nel quale si posiziona.
Ottenuti attraverso l’Industrial design
Industrial Design: “processo di progettazione teso a soddisfare un determinato bisogno”.
Progettazione del Pd → Scopo, Forma, Materiale, Tecnologia di realizzazione.
Design: “sia disciplina che consta di attribuzione di struttura, forma e caratteristiche agli artefatti che ci
circondano; sia processo capace di mediare tra le varie componenti intangibili dei prodotti, ossia Uso,
Fruizione e Consumo individuale e sociale del prodotto (fattori funzionali, simbolici o culturali) con fattori
associati alla produzione (tecnico-economici, tecnico-costruttivi, …)”
Elemento cardine per defininire una Strategia d’innovazione, agendo da mediatore tra le esigenze
sociali/contestuali delle persone e tecnico/produttive/economiche delle imprese.
Processo per creare innovazione.
Status multidisciplinare: interagisce con discipline differenti per definire nuovi approcci, metodologie.
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Prodotto industriale e tipologie
Al prodotto si affiancano
aspetti che diventano il
suo Corredo:
istruzioni d’uso, garanzia,
servizio post vendita…
Componenti di un Prodotto
Architettura di prodotto
Ingegnerizzazione di Prodotto
Obiettivo: Produzione di massa
Necessario prevedere le trasformazioni delle
specifiche di prodotto definite dai
designer/progettisti per farle combaciare con i
vincoli/logiche dei processi della produzione.
Ottimizzazione: posizionamento dei componenti;
Definizione: Fasi Produzione;
elaborazione: produzione efficace (volumi & costi).
“assegnazione di funzioni a parti o moduli o blocchi di moduli del prodotto stesso (chunks)”
Definita da:
• Elementi funzionali
• Corrispondenza fra elementi funzionali o componenti o moduli
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•
Interfacce tra componenti
Componente: svolge una o + funzioni. L’insieme Strutturato di + componenti costituisce l’AdP.
Funzione: ragion d’essere del componente.
Interfaccia: Elemento di connessione dei componenti
Componente “Coupled”:
• la modifica/sostituzione di un componente → modifica Interfaccia
• Architettura Integrale: mappatura complessa funzioni & componenti.
▪ Più moduli assolvono alle funzioni primarie
▪ Moduli assolvono a + di 1 funzione
▪ Interazioni tra moduli poco definite
▪ Pro: migliori prestazioni e riduce i costi.
Es. macchina fotografica digitale.
Componente “De-coupled”:
o Interfaccia non varia al variare dei componenti.
o Architettura Modulare: mappatura 1a1 funzioni & componenti.
▪ Ogni modulo assolve completamente ad una funzione
▪ Interazioni tra moduli ben definite e risolvono le funzioni primarie del Pd
▪ Pro: semplicità e riutilizzabilità in famiglia di Pd.
Es. pc desktop, lego.
Carry Over: riutilizzo componenti/sottoassiemi già utilizzati su altri componenti.
Piattaforma
Concetto nasce per legare Pj le cui sinergie siano sfruttabili sinergicamente.
Scopo:
• Ridurre il Time To Market;
• Aumentare l’integrazione funzionale del processo di sviluppo dei nuovi prodotti.
PIATTAFORMA ORGANIZZATIVA:
PIATTAFORMA di PRODOTTO
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Tipi di Prodotto
Prodotti da piattaforma: costruiti attorno ad un sistema tecnologico preesistente.
Simili ai prodotti spinti dalla tecnologia hanno uno sviluppo più facile.
(Esempio: il Sistema operativo Macintosh)
Prodotti legati al processo: Progettazione strettamente legata al processo produttivo
(Esempio: alimentari, prodotti chimici, carta;
(Esempio: nuovo formato di cereali da colazione richiede parallelamente sia un nuovo sviluppo di
prodotto che di processo produttivo)
Prodotti personalizzati: Rispondono ad una precisa richiesta del cliente.
Un generico processo produttivo va corredato da moltissime informazioni ausiliare specifiche.
Prodotti ad alto rischio: (rischio tecnico, di mercato, di budget)
Posseggono incertezza sulla tecnologia utilizzata e sul mercato a cui si indirizzano.
Si cerca di far anticipare molto le fasi di testing e prototipazione in modo da avere una risposta dai
clienti: (più soluzioni proposte in paralleo, uso di grafica e VR/AR).
Prodotti a fattibilità rapida: processo di sviluppo prodotto a spirale, le fasi di testing e
prototipazione si anticipano subito dopo la generazione del concept e lo sviluppo prodotto
si rende molto flessibile (software e prodotti elettronici)
Prodotti complessi: Prodotti a larga scala, composti da moltissimi componenti,
comprensivi di architetture differenti. Si lavora per sotto gruppi.
Più team lavorano insieme e parallelamente ai diversi sottogruppi per poi integrarli tutti
insieme nel design di dettaglio (automobili, aeroplani).
Valore aggiunto
“elemento che rende le soluzioni proposte competitive sul mercato, cercando fattori per sviluppo del Pd che
altri non hanno considerato”
(es: ultimamente focus su design pakaging)
E Innovazione
Natura di innovazione
Prodotto: creazione nuovo Pd o miglioramento esistente
Processo: creazione nuovo Pc o miglioramento esistente
Intensità di innovazione
Radicale: modifica radicalmente Pd o Pc esistenti, dipendente da nuove scoperte scientifiche
Incrementale: migliora Pd e Pc esistenti
Modulare: modifica 1 o + parti MA immutati i legami tra essi
Architetturale: modifica delle interfacce che legano i componenti MA immutati sti ultimi
Mass Production
Fordismo
1. Organizzazione scientifica del lavoro proposta da Taylor.
2. Idea: > efficienza ↔ organizzazione centralizzata:
[compiti di decisione e pianificazione] divisi da [esecuzione].
3. Processo di lavoro smontato in serie di operazioni t.c. definiscono un posto di lavoro.
4. Operazioni Standard (Fissi tempi e metodi) → prevedibili.
5. Tecniche reclutamento del personale adeguato e remunerato/lavoro.
Ford:
1. adattò al lavoro operaio grandi masse dequalificate.
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2. Utilizzò catena di montaggio (macchine veloci e non flessibili, tempi e ritmi di lavoro dettati dalla
macchina, rendendo l’operaio un ingranaggio.
Celebre è il modello T: vendere tanto/poco prezzo.
Contro:
• Limitatezza del mercato (mercato domina la produzione) → saturazione del mercato
vs Customer driven
Modello Toyota
1. Break even point: economia flessibile basata su produzioni di breve serie (adattamento al mercato).
2. Meno problemi di stoccaggio e magazzino (∄ scorte)
3. Sistema di trasporti efficiente: arrivo materiale just in time:
Lean Production:
▪ disposizione impianti a U (must: In di fronte Out).
o ↓ tempi attesa stoccaggio/trasferimento (workers see everything)
o Polivalenza ruoli
o Comunicazione e Lavori di gruppo
▪ Macchine autoattivate (possibilità di correggere errori in Real time)
o Eliminazione sprechi (OFFICINA MINIMA)
o Coinvolgimento dipendenti nelle decisioni di produzione
o Collaborazione con i fornitori
o ↑ Qualità Totale rispetto alla Regolarità dei flussi produttivi.
4. Concetto di azienda comunità: poche e implicite regole:
o decentramento responsabilità del processo di produzione;
o dirigenti si spostano dagli uffici alle officine;
o lavoro a tempo indeterminato,
o l’impiego a vita e la sua sicurezza.
Questo fa si che si sviluppi un sentimento di appartenenza all’azienda e il fine dell’azienda diventa quello del
lavoratore.
La retribuzione è molto più flessibile e individualizzata che qua, legata all’anzianità e al merito, e formata da
una parte di welfare, che comprende servizi assicurativi indennità ecc.
Beni e servizi di massa vengono personalizzati in base alle indicazioni dell’acquirente.
Orientarsi al cliente è un processo complesso, richiede il coinvolgimento di clienti, collaborazione e
partecipazione di tutte le parti interessate.
Importanza della collaborazione di gruppo e della comunicazione efficace tra i vari dipartimenti.
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Nasce l’esigenza di applicare un metodo per identificare i requisiti dei clienti e trasformarli in specifiche
tecniche.
Le aziende guidate dai clienti (customer-driven) sviluppano relazioni con i clienti.
1. Scoprire che cosa desidera il cliente.
2. Attingere soluzioni tecnologiche da altri settori la cui applicazione può creare un vantaggio al nostro
prodotto;
3. Investire nell'assistenza clienti e nei servizi post-vendita.
Product-driven
▪
▪
▪
Operare sulla strategia del "costruisci e arriveranno", orientare il mercato;
Concentrarsi sul prodotto invece di essere competitivi.
Inventare prodotti distintivi.
Ciclo di Vita di un prodotto
Introduzione
•
•
•
•
•
•
•
Ricerche di mercato
Innovazione di progetto
Modifica e perfezionamento processo produttivo
Revisione Q.tà e capacità fornitori
Durata dipende dalla predisposizione del mercato ad accettare l’innovazione
No profitti fino al Break-even Point (punto di pareggio)
Individuazione e modifica difetti
Crescita
•
•
•
•
Il prodotto si stabilizza sul mercato
Aumento capacità produttiva
Entrano i concorrenti e calano prezzi Pd e profitti
Promuovere fedeltà al marchio
Maturità
•
•
•
Intensa concorrenza
Necessaria:
o Produzione in grandi volumi
o Metodi produttivi + efficienti
Controllo $
Declino
•
•
Pd non crea valore aggiunto viene abbandonato o innovato
Pianificazione cessazione offerta
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Vendite, costi & profitti
Curva di mortalità/sopravvivenza
Costi del prodotto
Rule of ten’s
Vantaggio competitivo dato da un TTM (time-to-market) basso || Costi del prodotto
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Aspetti basilari dello sviluppo del prodotto
•
“Robust design”
o Piccole Δ nella produzione/assemblaggio non hanno effetti negativi sul Pd
o Prestazioni stabili indipendentemente dall’effetto di variabili non controllabili
•
•
Concorrenza basata sul vantaggio temporale
Progettazione modulare
o Componenti semplici
o + flessibilità Pd & produzione
Analisi del valore
o Ottimizzazione $ produzione
o Miglioramento Pd ⱥ soluzioni $ favorevoli
Diverse Fasi:
▪ Preparazione: scelta campo di intervento del Pj, Priorità, Obiettivi per il Team
▪ Informazione: serve ad orientare il Team, fondendo le esperienze
▪ Analisi funzionale: funzioni “base” e “secondarie” Pd, associandovi il $
▪ Creatività: Brainstorming
▪ Valutazione: analisi Idee
▪ Sviluppo: idee vengono combinate in gruppi e adattate alle fz specifiche
Prodotto compatibile con il suo ambiente di funzionamento
Virtual Prototyping (Prototipazione virtuale)
•
•
•
Competitività dei mercati
• Sensibili al prezzo
• Difficile percezione di qualità da parte del cliente
• Competizione limita drasticamente i budget,
• < Tempi di realizzazione ridotti & tempo di obsolescenza.
Necessità di:
• Differenziare i propri prodotti dalla concorrenza
• Personalizzare i propri prodotti
• Far percepire la superiore qualità
• Anticipare nuove esigenze con nuove funzionalità
• Migliorare le prestazioni
• Innovare con nuove soluzioni
Necessità di ridurre:
– Tempi:
• di realizzazione
• di messa a punto
• cicli di vita del prodotto
– Costi di:
• Prototipazione
• Messa a punto
• Produzione
• (Stoccaggio e
Commercializzazione)
• Assistenza post vendita
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Complessità dei prodotti industriali
La competitività si è spostata dalla produzione al prodotto:
Le macchine sono divenute complessi sistemi con integrate numerose e diverse discipline tecniche e varietà
di conoscenze di natura notevolmente differente
Ogni singolo componente risulta oggetto di attenti studi mirati ad ottimizzarne la funzionalità.
Per sviluppare un moderno prodotto industriale, che richiede una forte integrazione ed ottimizzazione di
conoscenze multidisciplinari, è necessario lavorare in team formati da specialisti con competenze e
background culturale notevolmente diversi.
La forte diversità della natura delle tecnologie di cui detti specialisti sono esperti rende la relativa
collaborazione problematica, essi mancano spesso anche di minime conoscenze del sapere di cui sono
depositari i colleghi e la difficoltà trovata ad interfacciarsi rischia addirittura di tramutarsi in attriti e rivalità
che nuocciono gravemente alla progettazione stessa.
Necessità di ottimizzazione
Analizzare minuziosamente tutte le soluzioni possibili e di sviluppare accuratamente quelle ritenute migliori
Simularne numericamente il funzionamento e ridurre il più possibile le fasi di messa a punto e modifica su
prototipi funzionali.
Recuperare e riutilizzare il più possibile tutte le nuove conoscenze acquisite precedentemente rendendole
immediatamente disponibili allo staff tecnico che può così evitare di ripetere errori e velocizzare i tempi di
sviluppo.
Progettazione & Simulazione
Progettazione:
attività ciclica decisionale, basata su dati scientifici forniti dalla sperimentazione, l’esperienza e dal
calcolo. Questi dati tendono a fornire previsione del comportamento del prodotto/processo prima
che questo sia realizzato.
Simulazione:
verifica e prova in ambiente sicuro o sintetico delle funzionalità/prestazioni di un prodotto/processo.
La conoscenza anticipata del comportamento del prodotto/processo permette al progettista di
operare scelte corrette e congruenti con l’obiettivo finale del progetto.
In questo modo il Pg si trasforma in prodotto senza errori e le prestazioni sono in linea con quanto previsto.
DMU: Digital Mock-Up
“Copia digitale del prodotto che andrà in commercio”
Permette la realizzazione di simulazioni e prove che in passato si eseguivano su un prototipo fisico.
➔ Totale integrazione di forme e funzionalità.
Da una Geometria comune → diverse simulazioni disaccoppiate (separate a seconda dell’interesse
dell’indagine e della complessità del problema).
Dagli anni ’90 evoluzione verso il Virtual Prototyping.
Virtual Prototyping
“Modello/ambiente teso a replicare il comportamento del prodotto nella sua destinazione/funzione finale”.
Simulazioni Accoppiate (eseguite in maniera combinata):
Realizzazione modello comportamentale del prodotto/processo.
Eseguite risolvendo modelli matematici di fenomeni fisici [analisi elastica + dinamica] in modo
discreto (con pc).
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CIM: Computer Integrated Manufacturing
“Visione orientata alla massima integrazione della progettazione e della produzione”.
Le scelte di Progettazione e Produzione si condizionano vicendevolmente.
Caratteristiche:
• Dati centralizzati e condivisi dai diversi processi
• Comunicazione di informazioni tra i diversi sottosistemi di elaborazione
• Coordinamento attività umane e automatiche
• Ottimizzazione tempi e flessibilità di risposta dipendente dalle funzioni di mercato
• Qualità elevata e controllata
Per ogni livello sono svolte funzioni di base comuni, in 3 categorie:
1. Gesione dal livello superiore: scomposizione dei comandi in sottocompiti e rapporto delle attività
svolte
2. Gestione del proprio livello: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse, attuazione dei
sottocompiti del livello
3. Gestione verso il livello inferiore: assegnazione dei sottocompiti e delle risorse e analisi delle info di
risposta ricevute dal livello inferiore
Necessità di 2 diverse tipologie di integrazione:
o Orizzontale: all’interno di ciascun livello
o Verticale: tra livelli adiacenti
Specifiche di Progetto
Approccio Top-Down
“Parte dall’obiettivo e da esso fa scaturire la strategia adatta a determinare l’obiettivo stesso”.
• Si descrive la finalità principale senza entrare nei dettagli
• Individua le risorse necessarie, disponibili e mancanti, proponendo successivamente ogni risorsa
mancante come sub-obiettivo che richiede una sub-strategia specifica.
• Ogni parte è completata affinchè validi il modello.
Indicata per la realizzazione dei sistemi nuovi dove è possibile far riferimento a modelli precisi di
architetture, dove è massimo il livello di integrazione e la semplicità per raggiungerlo.
Approccio Bottom-Up
“considera l’obiettivo finale, inducendo a costruire un percorso sequenziale organizzato in passaggi successivi
in cui ciascun traguardo intermedio è raggiunto come processo di Tentativo/Errore, quindi in maniera
Casuale”.
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Indicato per situazione già esistenti, in cui si individuano interventi locali di facile realizzazione.
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Specifiche di Prodotto
Definizione delle Specifiche (= vincoli ): identificazione dei principali parametri per la progettazione e lo
sviluppo del prodotto.
1. Specifiche numeriche espresse mediante costanti (vel = 50 km/h)
2. Specifiche numeriche espresse mediante disequazioni (<100 kg)
3. Specifiche lingustiche (carrozzeria sportiva)
Output del Design
•
•
•
•
•
Schizzi
Modelli 3D
Immagini renderizzate (manuali)
Schemi
Animazioni
Design for X
“Famiglia di Metodologie che considerano in particolare alcuni aspetti del ciclo di vita del prodotto, approccio
atto a garantire specifici requisiti nell’ambito della fase di progettazione.
X = proprietà del prodotto che lo caratterizza in relazione a una o + fasi del ciclo di vita”.
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Concurrent Engineering: compressione dei tempi
“Metodologia di organizzazione del processo progettuale, basata sullo svolgimento // di attività diverse”
Scopo: esaminare e risolvere ogni problema inerente prodotto e processi prima dell’inizio dei processi stessi.
•
•
•
•
•
•
Minimizzare il ciclo di vita del prodotto : eliminare la procedura di ridisegno
Diminuire i costi di produzione: dipende dal punto precedente
Massimizzare la produzione: spendendo più soldi e tempo nella fase di progettazione assicurando
un’ottimizzazione del progetto concettuale
Lavoro di gruppo: più persone che lavorano su un’unico prodotto simultaneamente
Time to Market: tempi minori
Principi base:
Trasversalità: le attività e i processi aziendali sono collegati
Focalizzare il processo produttivo, costi e qualità
Convertire l’organizzazione gerarchica in gruppi
Fattori organizzativi:
Cross-functional team: team di progettazione interfunzionale
Personale coordinatore: trasferimento info tra gruppi di lavoro
Rotazione del lavoro: al fine di integrare le conoscenze dei gruppi di lavoro
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Internet nello sviluppo prodotto
Creazione dei
• Virtual Design Team, che collegano i Team di progetto delle società partner
• Extended Enterprise, in cui si integrano nel processo i clienti ed i fornitori, permettendo la
condivisione e lo scambio rapido di informazioni relative a specifiche e requisiti di prodotto,
Attraverso delle secure extranet (Virtual Private Network) i partner che collaborano allo sviluppo possono
condividere un unico ambiente di progettazione e di scambio delle informazioni in tempo reale, come se
fossero all’ interno di una unica azienda e mantenendo i requisiti di sicurezza.
L’azienda → Azienda Estesa: si parla di
• eCollaboration (Project Management, Team Collaborative (gestione task), Real-Time Data
Conferencing, Content & Document Management)
• eDesign (System & Requirement Engineering, Virtual Prototyping, Component Supplier
Management, Knowledge Management)
Livelli della progettazione collaborativa:
1. Visualizzazione dei dati di progetto
Chi è abilitato può visualizzare i dati di progetto. No modifica.
2. Collaborativo asincrono
I team abilitati possono accedere a un databse in modo asincrono (dati sul progetto)
3. Collaborativo gerarchico
Concessione gerarchica e temporale dell’uso del file in scrittura per Revisioni
4. Co-design (o collaborativo concorrente)
Include le regole del (3) + vuole permettere l’operabilità in contemporanea sullo stesso file
[problema: congruenza di un assemblaggio]
Vedi PHProjekt (??)
Specifiche
“Vincoli di progetto, principali parametri per la progettazione e lo sviluppo del prodotto”
• Numeriche, costanti
• Numeriche, equazioni o disequazioni
• Linguistiche
o Di Obiettivo: basate sulle richieste del cliente
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o
Finali: basate sulla soluzione concettuale scelta, sulla realizzabilità, prove, costo…
Modello del processo di progettazione secondo Pahl e Beitz (1984)
1. Chiarificazione del compito
Raccolta info su caratteristiche e vincoli di progetto al fine di definire le specifiche di pj
2. Progetto concettuale
Definizione delle funzioni da includere nel progetto e sviluppo delle soluzioni concettuali
La scelta della soluzione concettuale è basata sul metodo Pugh concept selection
Matrice decisionale:
Matrice di selezione:
Concept Scoring = valutazione delle soluzioni concettuali (utilizzo media pesata)
3. Progetto di massima
4. Progetto costruttivo
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Design for Manufacturing
“Progettazione per la Produzione” componenti:
• Minimizzazione costi di produzione mantenendo livello di qualità stabilito attraverso:
o Analisi di Valore: scomposizione della funzione globale in sotto funzioni di complessità
decrescente, fino ad assegnare queste a gruppi e componenti (Function carriers), dei quali
stabilire i costi.
Si realizza un grafico di distribuzione costi (design, material, labor) per realizzare i singoli
componenti e si ragiona sulla tipologia di riprogetto da effettuare.
Produzione = costruzione dei componenti, montaggio e controllo qualità.
La progettazione dello schema generale avviene sulla base della struttura funzionale che determina la
suddivisione in gruppi e componenti.
Fase che caratterizza:
• Origine dei componenti (da costruire internamente, comprare ecc)
• Procedure di fabbricazione
• Dimensione dei lotti
• Procedure di controllo
Si arriva a definire metodi di Costruzione:
1. Per parti o sottocomponenti = Differenziale o per Blocchi (moduli)
“scomposizione del componente in più parti facilemtne lavorabili, da assemblare con giunti
scomponibili”
• Uso di parti unificate più piccole o + disponibili
• Acquisizione semplificata di parti forgiate/di fusione
• Adattamento al layout dell’azienda in termini di dimensioni e pesi delle parti
• Aumento dimensione lotti
• Semplificazione montaggio, trasporto, controlli, manutenzione
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Svantaggi:
> peso lavorazioni meccaniche, costi assemblaggio, + controlli qualità, riduzione rigidezza (giunti)
Oss: Costruzione Modulare (o Blocchi): se questo metodo usato per utilizzare le parti in altri pd.
2. A tecnologia singola (o Integrale)
• Connessione NON separabile di ≠ parti ottenute con ≠ tecnologie (parti in fusione + laminati
+ saldatura)
• Uso ≠ metodi di giunzione (adesivi + rivetti/adesivi + viti)
• Uso ≠ materiali (compontenti in resina + metallo)
3. A tecnologia composita
Minimizzazione tempi di produzione:
• Ponendo in parallelo lavorazioni lunghe ma diverse
• Scelta materiali grezzi e semilavorati + reperibili o in magazzino
Sx: tempo fornitura semilavorati
Dx: tempo min di produzione
Esempio
1. Stimare i costi di manufacturing
Analizzare origine dei costi con il grafico dell’influenza delle varie fasi di produzione componenti
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2. Ridurre il costo dei componenti
• Vincoli di processo (rugosità, tolleranze, raccordi)
• Redesign per ridurre gli step di processo (near net shape)
• Economie di scala appropriate
• Standardizzazione di componenti e processi
• Definizione componenti Black Box = sistema che, simile a una scatola nera, è descrivibile
essenzialmente nel suo comportamento esterno (cosa importante), ma il cui funzionamento
non è visibile.
3. Ridurre costo assemblaggio (vedi Design for Assembly)
4. Ridurre i costi di supporto alla produzione
o Minimizzare la complessità del sistema
o Anticipare la verifica degli errori
o Implica la riduzione dei costi totali (inventario, reclutamento personale, gestione)
5. Valutare impatto delle decisioni del DfM su altri fattori
o Tempo di sviluppo
o Costo di sviluppo
o Qualità
o Riutilizzo componenti
Design for Assembly
Progettazione componenti e sistemi mirata alla semplificazione dei processi di assemblaggio.
• Valutazione tempi e costi assemblaggio (manuale, assistito o automatico (rigido o flessibile))
Criteri analisi comparativa soluzioni di montaggio:
o Riduzione N° tot delle parti
Si bilancia il costo del n° delle superfici di accoppiamento e il costo di fabbricazione di parti
complesse.
Indice 𝐼 = 100
o
o
o
o
o
(𝑁𝑎 −𝑁𝑚𝑖𝑛 )
𝑁𝑎
𝑁𝑎 = numero delle parti scelto
𝑁𝑚𝑖𝑛 = numero minimo teorico
10 < 𝐼 < 20: molto efficiente
20 < 𝐼 < 40: sufficiente
40 < 𝐼 < 60: discreta
Minimo uso di elementi di bloccaggio costituiti da parti separate
Individuare un componente di riferimento (su cui montare gli altri)
Compromesso tra un unico assemblaggio e + sub-assemblaggi parziali
Controllare il N° di riposizionamenti
Manterenre invariato l’orientamento della base durante tutti gli assemblaggi
Verificare l’efficienza della sequenza
Non c’è una sola possibile sequenza di montaggio
Evitare le caratteristiche di forma che complicano l’assemblaggio
Favorire il mantenimento di giaciture ordinate (posizione pezzi nello spazio)
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•
Evitare l’annidamento delle parti
Evitare l’aggrovigliamento delle parti
o Progettare le parti in funzione del tipo di assemblaggio
o Introdurre simmetrie con assi normali alla direzione di montaggio (alberi)
o Introdurre simmetrie nella direzione di montaggio
o Introdurre Dissimmetrie quando è necessario distinguere il senso di montaggio
o Adottare traiettorie rettilinee (nel movimento di montaggio)
Per ridurne il numero e la complessità
o Prevedere inviti (facilitare le funzioni di guida) nella fase di inserimento delle parti
Smussi spigoli
o Favorire accessibilità per montaggio e smontaggio
Metodi strutturali
Obiettivi:
o Risparmio costi assemblaggio e fabbricazione
o Aumento flessibilità e velocità di distribuzione
o Riduzione costi e tempi di sviluppo prodotto
o Maggiore competitività nel proprio segmento di mercato
o Soddisfazione delle esigenze del cliente
o Progettazione “robusta” del prodotto/sistema
Design for Quality
“Metodologia finalizzata alla riduzione della sensibilità delle prestazioni del prodotto a fenomeni di disturbo
incontrollabili (errori di lavorazione e condizioni operative impreviste)”.
Obiettivi:
o Minimizzare le potenziali variazioni durante la produzione
o Minimizzare i costi della non-qualità
o Perfezionare continuamente l’affidabilità e le prestazioni del prodotto
Design for Recovery
“Progettazione dei componenti e dei sistemi finalizzata all’affidabilità del prodotto nell’arco di tempo
che verrà utilizzato (FailureMode and EffectAnalisys).
FMEA studia i possibili effetti sull’intero sistema provocati dal malfunzionamento di ogni singolo
componente (logica bottom-up) ed individua su quali difetti è essenziale intervenire”.
Obiettivi:
o Migliorare l’affidabiltàper garantire prestazioni soddisfacenti in diverse condizioni operative (durante
il suo utilizzo)
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Design for Maintainability
Progettazione orientata alla manutenibilità per favorire gli interventi finalizzati a escludere la possibilità di
fenomeni di guasto o riparazione
Obiettivi:
o Migliorare l’affidabiltàper garantire prestazioni soddisfacenti in diverse condizioni operative (durante
il suo utilizzo)
Design for Safety
Progettazione orientata al controllo degli standard di sicurezza e alla prevenzione da mal funzionamenti
durante l’utilizzo
Design for Disassembly
Progettazione orientata alla semplificazione e facilitazione della fase di smontaggio dei prodotti (non solo
nella fase di fine vita)
Obiettivi:
o Ridurre al minimo il n° di connettori e tipologie di connettori
o Prevedere un facile accesso a tutte le parti
o Essere composto di parti std
o Priorità alle connessioni meccaniche e non a quelle di tipo chimico
o Rendere possibile smontaggio di pannelli
o Struttura semplice
Design for Recycling
Progettazione orientata al riciclo del prodotto a fine vita
Obiettivi:
o Massimizzare il profitto e il n° di parti da riciclare
o Minimizzare il numero delle parti da non riciclare
Linee guida:
• Facilmente disassemblabile
• Non contenere materiali dannosi e non avere contaminazioni tra material diversi
• Valore non deve superare il costo di riciclo
• Facilmente trasportabile
Design for Product Retirement / Recovery
Progettazione orientata alla pianificazione delle strategie di dismissione e recupero del prodotto a fine vita
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Organizzazione dati e risorse Progetto, BOM, PDM/EDM, group technology
Elementi chiave per competitività
•
•
•
Miglioramento singole attività
Miglioramento coordinamento persone e informazioni all’interno del progetto
Riutilizzo del know-how e risultati di precedenti progetti (gestione degli Intellectual Capital)
Gestione dati di Progetto
Organizzazione dei dati di progetto e il loro veloce reperimento è top per un gruppo di lavoro.
L’E-Enterprise: azienda che lavora con tecnologie informatiche
PDM – EDM a supporto del processo di sviluppo prodotto
“application framework (database relazionale) che consente di Identificare, creare, modificare gli oggetti e le
info collegate; definire, modificare e eseguire i processi che concorrono allo sviluppo di un prodotto o di un
progetto”
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Workflow
“piattaforma di servizi su rete che consente di:
• Descrivere e eseguire un processi in accordo alle sue componenti elementari: attività, relazioni tra le
attività, oggetti e risorse;
• Coordinare l’interazione tra le attività del processo e gli strumenti che creano e modificano gli oggetti
delle attività.”
Document management
“piattaforma di servizi su rete che integra:
• Memorizzazione dei documenti in un’area (VAULT)
• Servizi di libreria (gestione check-in/out documenti, versioni, sicurezza)
• Servizi di conversione da un formato e l’altro”
EDM (Engineering Document Management)
“application framework che consente di:
• Identificare, creare, mdificare e archiviare documenti e le info collegate
• Definire, modificare ed eseguire le procedure di approvazione e rilascio dei documenti che descrivono
un prodotto o un progetto”
Vede archiviati al suo interno i soli documenti tecnici (dati tecnici), solitamente disegni e modelli 3D, al massimo
legati a documenti diversi con un collegamento di riferimento; l'EDM gestisce quindi la ricerca e la riproduzione
controllata di diverse quantità di documenti correlati (ed è spesso una versione "alleggerita" del PDM).
Electronic Vault
“cassaforte dei dati, magazzino dei Metadati del prodotto/documenti, file, processi, gestione della sicurezza
e dati amministrativi”
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Group technology
“Metodologia di classificazione dei particolari meccanici secondo criteri tecnologici”
Basic shapes: forma di base, codificata.
Ad essa sono aggiunte mediante operazioni
booleane le form features.
Es. cil32: un albero formato da 3 cilindri esterni
e 2 interni.
Machining features
“lavorazioni aggregate al fine di eseguire lavorazioni complesse”
Es. fl12x10: foro lamato di diametro 10 con lamatura di diametro 12
Standardizzazione:
Vantaggi Goup technology:
Classificazione automatica del pezzo
Definizione ciclo di lavorazione automatizzato
Definizione automatizzata del grezzo di partenza
Valutazione automatica dei costi
Riduzione tempi di modellazione
Riduzione rischi errore
Definizione di classi di pezzi simili
Aggregazione informazioni
Distinta base (dei Componenti)
“Elenco completo dei componenti costituenti un insieme (o sottoinsieme) o dei particolari elementari
presentati su disegno tecnico. Fornisce le info di base, essenziali per la produzione dei componenti o il loro
approvvigionamento”
Stabilisce, mediante numeri di posizione, un legame biunivoco tra Componenti e Informazioni.
Oss: Componente commerciale = pezzo o gruppo che viene acquistato da terzi, non dev’essere disegnato (è
solo indicata la codifica nella distinta dei componenti)
CAPP (computer aided process planning)
Obiettivo: assicurare che la relizzazione del prodotto rispetti le specifiche.
È una pianificazione di processo tra la Progettazione e la Produzione, traducendo le specifiche di progetto in
dettagli di produzione.
• Analisi parte da realizzare
• Selezione del pezzo grezzo
• Determinazione delle lavorazioni e della loro sequenza
• Selezione delle macchine e degli utensili
• Determinazione condizioni di lavorazione (vel taglio…) e del tempo di lavorazione
Tecniche:
1. Metodo a Variante: il processo di una nuova parte viene richiamato da uno analogo apportando le
dovute modifiche
2. Metodo Generativo: nuova pianificazione attraverso:
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•
Decisioni logiche, Formule, Algoritmi e in base alla Geometria (riconoscendo le info dal CAD
e identificando tutte le superfici).
Un tempo era fatta Manualmente ma i problemi erano tanti (inconsistenze, richiesta ingente di esperienza,
tempi elevati) e si cercata di risolvere questi problemi con Standardizzazione dei processi.
ERP (Enterprise Resource Planning)
"pianificazione delle risorse d'impresa", è un software di gestione che integra tutti i processi di business rilevanti
di un'azienda (vendite, acquisti, gestione magazzino, contabilità ecc.).
Verticalizzazione dell’ERP
“sforzo di caratterizzare il sistema ERP in modo molto specifico all’interno del tradizionale mercato
manifatturiero. Ogni mercato richiede uno sviluppo specifico di ERP”
CRM (Customer Relationship Management)
“strategia aziendale per Individuare il cliente, Comunicarvi, Ricercarne la soddisfazione, Determinarne il
profilo, Erogarne i servizi.
Attuabile attraverso modelli organizzativi, processi aziendali e strumenti tecnologici propri del CRM”.
BackOffice = applicazioni operative classiche (ERP)
FrontOffice = insieme delle soluzioni applicative del CRM. 4 aree:
• TES: Technology Enabled Selling
• TEM: Technology Enabled Marketing
• CSS: Customer Service and Support
• EC-B2C: Electronic Commerce
PLM (Product LifeCycle Management)
La gestione del ciclo di vita del prodotto, è un approccio strategico alla gestione delle informazioni, dei processi e
delle risorse a supporto del ciclo di vita di prodotti e servizi (CAD, preventivazione, gesione clienti, codifica, flusso
di materie prime, allo sviluppo, al lancio sul mercato, al ritiro).
Il PLM è una filosofia di lavoro, basata su un insieme di tecnologie, su metodologie di organizzazione del lavoro
collaborativo e sulla definizione di processi.
L'obiettivo del PLM è ottimizzare (minor tempo, minori costi, maggiore qualità, minori rischi) lo sviluppo, il lancio,
la modifica e il ritiro di prodotti o servizi dal mercato.
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Agisce in modo globale su tutto il ciclo di vita del prodotto, in particolare sulle fasi iniziali che maggiormente
condizionano il valore finale.
Perciò spesso si tratta di un insieme di software integrati, che seguono 3 piste legate tra loro:
• Documentazione tecnica
• Dati affidabilistici e manutentivi
• Gestione magazzino e commesse
Lean Design
La Lean manufacturing, Lean production o Produzione snella è una filosofia di gestione che deriva dal
Toyota Production System (TPS).
È una metodologia di gestione che considera uno spreco la spesa per quelle risorse utilizzate per
qualsiasi altro obiettivo che non sia la creazione di valore per il cliente.
Essenzialmente, la Lean manufacturing si concentra sulla creazione di valore con il minor lavoro possibile.
I concetti di Valore e Spreco diventano sempre più importanti.
Strategia: identificazione degli sprechi:
• eccesso di attività che non producono valore;
• movimento: spostarsi per raggiungere materiali lontano dal punto di utilizzo;
• difetti: produrre scarti o rilavorazioni;
• scorta: acquistare o produrre materiali in eccesso rispetto al fabbisogno del processo successivo;
• eccesso di produzione: produrre più di quanto richiesto dal cliente o dal processo successivo;
• attesa: impiegare il tempo in maniera non produttiva;
• trasporto: spostare il materiale senza necessità connesse alla creazione del valore.
Principi guida:
1. definire il valore dal punto di vista del cliente (ciò che il cliente è veramente disposto a pagare)
2. identificare il flusso di valore: l'insieme di azioni che portano a realizzare il prodotto o il servizio
3. far fluire tutte le attività: per processi e non per funzioni, senza soste o interruzioni;
4. impostare le attività secondo la logica "pull" (e non "push"), ovvero realizzare un'attività solo quando
il processo a valle lo richieda;
5. perseguire la perfezione tramite continui miglioramenti (fare kaizen, parola composta che significa
KAI = cambiamento, miglioramento e ZEN= buono, migliore).
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Just in Time
garantisce la continua e perfetta simmetria tra l’offerta dei beni prodotti e la domanda.
Le conseguenze sull’output opposte a quella della produzione di massa: mentre il fordismo-taylorismo punta
su economie di scala attraverso la fabbricazione prolungata e uniforme di un dato prodotto e il rigido rispetto
delle quantità programmate in anticipo, il modello giapponese, tramite il JIT, tende a far uscire prodotti in
serie brevi e differenziate, adattandole continuamente in base alle fluttuazioni della domanda. E’ il mercato
quindi a “tirare” la produzione.
1. L’eliminazione delle risorse ridondanti, considerate spreco.
L’officina (minima) richiede meno scorte, meno spazi, meno movimenti di materiale, tempi di
all’estimento più brevi, meno addetti. Il concetto di spreco è molto vasto e va dalla presenza di
materiali inutili ai movimenti superflui, dai tempi morti alle produzioni non immediatamente
richieste dal mercato. Il processo congnitivo e di miglioramento continuo che viene così innestato è
detto in giapponese kaizen.
2. Coinvolgimento dei dipendenti nelle decisioni riguardanti la produzione
3. Partecipazione dei fornitori
non scelgono i fornitori in base ai costi delle singole commesse, ma li selezionano accuratamente in
base alla capacità di collaborare con l’impresa madre in piani di lungo termine.
4. Ricerca della Qualità Totale
il processo produttivo è organizzato in modo da progredire costantemente verso l’obiettivo ideale dello
zero difetti.
Il processo lavorativo deve incoroporaredei meccanismi di autocorrezione, in modo che i prodotti
arrivino alla fine della linea già garantiti sul piano della qualità, così da rendere meno importante la
revisione e il controllo.
Punti cardine:
• Visual Management
• Ingegnere di Sistema/Imprenditore: si fa carico del processo di sviluppo dal concept fino alla fine
• Set-basedConcurrentEngineering
• Standardizzazione dei processi per ridurre la variabilità
Lean Six Sigma
Basato sulla variabilità e la riduzione dei difetti di processo.
È un programma di controllo qualità che sottolinea un miglioramento del tempo di
produzione e la riduzione dei difetti di processo (sia fisico che informativo) ad un livello
non superiore a 3,4 per milione.
Sigma, deviazione standard, è l’indice di dispersione di un processo rispetto alla sua media.
L’80% delle aziende si situa ad un livello compreso fra 2 e 3 sigma, quindi non sono
centrate sulla soddisfazione del cliente.
Lavorare in condizioni SIX SIGMA significa fissare i limiti di specifica contrattuali a ± 6 sigma = 1/6 della
tolleranza specificata.
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Al crescere del numero di sigma nelle tolleranze del nostro processo, diminuisce la probabilità di generare
errori o difetti.
Lightweight Design
È la scienza di progettare parti più leggere possibile, rispettando i vincoli (costi, tempi, legge).
1. Non sovraspecificare: progettare rispetto al mercato target
2. Non usare fattori di ignoranza: (es. derivare, aumentandolo, il limite dinamico dal limite statico)
3. Evitare flessione e torsione
4. Non selezionare i materiali indipendentemente da forma e processi produttivi
5. Non utilizzare + giunti del necessario: giunto indebolisce la parte
6. Non smettere di ottimizzare fino a quando il prodotto non possa essere ancora + leggero
7. Non escludere subito l’acciaio
Tecniche Sottrattive…
Classificazione delle lavorazioni per asportazione di truciolo in base:
• Moto di Taglio (rotazione):
o Rotazione pezzo: tornitura (pezzi assialsimmetrici)
Moto di taglio (rotatorio) → genera truciolo
Moto di avanzamento (longitudinale) → spessore del truciolo
Moto di appostamento (radiale) → larghezza truciolo
o Rotazione utensile: fresatura, foratura, rettifica, alesatura, maschiatura
Fresa:
Moto di avanzamento (normale asse rotazione) → generazione del truciolo
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Foratura:
Moto di taglio (rotatorio)
Moto di avanzamento (longitudinale)
Rettifica: (≈ fresatura, tramite mola abrasiva rotante: “rettifica in tondo”)
o Moto rettilineo: piallatura, strozzatura, brocciatura
Pialla:
Moto di taglio (longitudinale) → genera truciolo
Moto di avanzamento (trasversale) → spessore del truciolo
Moto di appostamento (verticale) → altezza truciolo
Processi indispensabili quando:
• Richieste tolleranze dimensionali migliori.
• Le superfici trattate termicamente possono presentare distorsioni ed alterazioni.
• Lavorare le parti alle macchine utensili può essere più economico.
Limitazioni:
• producono scarti di materiale e generalmente richiedono più energia, capitali e manodopera rispetto
alle operazioni di formatura e deformazione plastica.
• Tempo superiore rispetto a realizzare la forma e le dimensioni volute tramite altri processi;
• possono produrre effetti indesiderati sulla qualità superficiale e le proprietà del prodotto.
…e Additive
Vantaggi:
• < vincoli progettuali
• Riduzione N° di parti
• < materiale impiegato
• Multimateriale nello stesso estrusore
• No economie di scala
• Personalizzazione
• Impatto ambientale
Rapid Prototyping
Produzione automatica di modelli fisici a partire da CAD
Rende possibile la produzione senza l’uso di utensili, direttamente dal cad.
Processo Layer by Layer.
Rapid Tooling
Produzione automatica o semiautomatica di Stampi per produrre prototipi a partire da modelli CAD
Rapid Manufacturing
Produzione automatica di componenti o prodotti finiti a partire da modelli CAD
Processo
•
•
•
Modello 3D CAD
Convertito in file STL, approssimazione geometria modello con mesh triangolare
Possibili errori: Gap, Verifica delle normali
Piazzamento (dipende il tempo di esecuzione e la seguente)
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•
•
Generazione delle strutture di supporto
Slicing
o Uniforme: strati di spessore costante
o Adattivo: spessore varia in funzione della curvatura, limitando l’aspetto a gradini
Stereolitografia
Un fascio laser (≈ 10 mW) viene proiettato e polimerizza uno strato sulla superficie di una vasca contenente il
monomero epossidico liquido. la piattaforma si alza progressivamente, strato dopo strato, estraendo il
modello. (green part)
Alla fine si espone il modello a una lampada UV per completare la polimerizzzione della resina. (red part)
Polyjet-Multyjet
Funzionamento: stampa a getto di un fotopolimero che viene immediatamente solidificato in loco da
lampade UV. Poi la piattaforma si abbassa di una quantità pari allo spessore del layer.
Laser Sintering
Sinterizzazione laser a partire da Polvere (materiali termoplastici, metalli e sabbia).
La camera in cui avviene il processo viene portata a una T prossima a quella di fusione della polvere in modo
da minimizzare la potenza necessaria al laser.
L’oggetto finito (red part) dev’essere solo spolverato.
Fused Deposition Modelling
Testa di estrusione che fonde a 180<T<270°C un filo termoplastico e costruisce il modello Layer by Layer.
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Laminated Object Manufacturing
Per prototipi di grande dimensioni in poco tempo.
Sovrapposizione di Layer di carta tagliati strato dopo strato da un laser.
Usati anche in sostituzione dei modelli in legno per fonderia.
Binder jetting
Deposizione di un legante du strati di polveri (ceramiche, di cellulosa, metalliche).
Direct Energy Deposition
Applicazioni di riparazione e manutenzione di parti strutturali
1.
La testa si muove attorno all’oggetto;
2.
Il materiale è depositato sull’oggetto esistente;
3.
Deposizione sia in polveri che in fili di materiale;
4.
Il materiale è fuso con laser o flusso di elettroni o arco plasma.
Tecniche Ibride
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Rugosità e Tolleranze
Errori Geometrici:
• Microgeometrici → Rugosità
Irregolarità superficiali con passo piccolo lasciate dalle lavorazioni o altri fattori:
o Utnsili da taglio e abrasione
o Azione delle forme o stampi
Ra = Scostamento medio aritmetico del profilo
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•
Macrogenetici → Tolleranze dimensionali, Tolleranze geometriche
Scostamenti della superficie Reale da quella Ideale dovuti alle imperfezioni delle macchine
o Di Forma (planarità, circolarità)
o Di Orientamento (//, concentricità)
o Di Posizione (localizzazione, concentricità)
o Di Oscillazione (circolare)
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Calcolo delle tolleranze dimensionali
Il Sistema ISO suddivide tutte le lavorazioni secondo gradi di precisione, chiamati anche qualità di lavorazione
e, in funzione di ciascuno di essi, stabilisce il campo di tolleranza e gli scostamenti. Tanto minore è il valore
della tolleranza e dunque tanto maggiore è il grado di precisione.
La valutazione delle tolleranze avviene attraverso le seguenti operazioni:
1. Si stabilisce il grado di precisione (o qualità della lavorazione) richiesto avvalendosi della tabella 1,
che prevede 20 gradi di precisione, ciascuno dei quali definito dal simbolo IT (International
Tolerance) seguito da un numero.
2. Si determina poi il valore del campo di tolleranza in funzione della dimensione nominale del pezzo
avvalendosi delle tabelle 2 e 3.
Supponiamo, per esempio, di dover stabilire il campo di tolleranza di un cuscinetto con dimensione nominale
del diametro di 52 mm e che la qualità di lavorazione (grado di precisione) richiesta sia IT6. Dalla tabella 2 si
legge che il campo di tolleranza da assumere per la dimensione nominale di
52 mm e il grado di precisione IT6 deve essere 19 μm. Se invece il grado di precisione di un pezzo di eguali
dimensioni fosse IT15 (per esempio un pezzo lavorato per laminazione), il campo di tolleranza salirebbe a
ben 1,20 mm (cioè 1200 μm).
Si osservi infine che, a parità di qualità di lavorazione (grado di precisione), il valore del campo di tolleranza è
tanto maggiore quanto più grandi sono le dimensioni del pezzo: restando all’esempio precedente, se il
diametro del cuscinetto a sfere fosse di 125 mm il suo campo di tolleranza diventerebbe di 25 μm.
3. Una volta noto il valore del campo di tolleranza è possibile, attraverso altre tabelle, definire lo
scostamento (vedi pagina seguente).
L’operazione conclusiva del calcolo della tolleranza è quella della valutazione dello scostamento del campo di
tolleranza dall’asse zero.
Il Sistema ISO limita a 28 il numero delle possibili posizioni del campo di tolleranza rispetto all’asse zero (cioè
rispetto alla dimensione nominale del pezzo) sia per gli alberi sia per i fori e le identifica con altrettante
lettere (minuscole per gli alberi e maiuscole per i fori), assegnando a ciascuna di esse, in
funzione delle dimensioni del pezzo, il valore dello scostamento (superiore o inferiore) dalla linea dello zero.
La posizione indicata dalla lettera h (per gli alberi) e H (per i fori) è particolarmente significativa, in quanto
sfiora la linea dello zero e per tale ragione risulta nullo lo scostamento superiore dell’albero e quello
inferiore del foro.
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La rappresentazione grafica dello scostamento
Molto utili nella valutazione dello scostamento sono le
rappresentazioni grafiche. La dimensione nominale dell’albero
(linea dello zero) è attraversata da una serie di 28 rettangolini
di altezza pari al campo di tolleranza e posti a diversa distanza
della linea dello zero. Ciascuno di essi è contrassegnato da una
lettera e rappresenta una posizione del campo di tolleranza e dei
relativi scostamenti.
Analoga rappresentazione grafica si ha anche per i fori.
Il sistema ISO, per ridurre il numero delle combinazioni dei
possibili accoppiamenti tra alberi e fori, prevede di mantenere
costante la posizione della tolleranza dell’albero e far variare
quella del foro (sistema albero base) o viceversa (sistema foro
base) e prende come riferimento la posizione indicata dalla
lettera h (nel sistema albero base) o H (nel sistema foro
base).
In pratica il sistema albero base rappresenta un insieme di
accoppiamenti ottenuti combinando le posizioni di vari fori
con la posizione h fissa dell’albero; nel sistema foro base
[fig. 1] si procede in modo analogo.
Gli scostamenti sono espressi in micrometri (μm) e possono
avere segno positivo o negativo a seconda che la dimensione
sia rispettivamente minore o maggiore di quella nominale. La
tabella 4 della pagina a fronte e la figura 1 si riferiscono solo
agli alberi, ma analoghe tabelle esistono per i fori.
Come scostamento di riferimento viene sempre considerato
quello più vicino alla linea dello zero, detto scostamento fondamentale.
Esempi di determinazione dello scostamento
◆Esempio 1
Si voglia calcolare lo scostamento dell’albero 35g10 (sigla che
sta a indicare che l’albero ha diametro di 35 mm, lo scostamento
del campo di tolleranza dalla linea dello zero deve essere
di tipo g [fig. 1] e il grado di precisione deve essere IT10).
La tabella 2 della pagina precedente consente di determinare
l’ampiezza del campo di tolleranza (T = 100 μm), mentre la
tabella 4 consente di individuare l’entità dello scostamento
superiore es, che è di – 9 μm; lo scostamento inferiore vale
ei = es – T = – 9 – 100 = – 109 μm.
Quindi l’albero in questione deve avere dimensioni comprese
tra 35 – 0,109 = 34,891 mm e 35 – 0,009 = 34,991 mm [fig. 2].
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◆Esempio 2
Si consideri l’accoppiamento rappresentato dalla sigla 100 H8/m7. Essa sta a indicare che l’albero ha
diametro pari a 100 mm (dimensione nominale), lo scostamento del campo di tolleranza dalla linea dello
zero deve essere di tipo m e il grado di precisione deve essere IT7. La tabella 2 di pagina 5 consente di
determinare l’ampiezza del campo di tolleranza (35 μm), mentre la tabella 4 consente di individuare l’entità
dello scostamento inferiore, ei = 13 μm. Lo scostamento superiore è es = ei + T = 13 + 35 = 48 μm. Quindi
l’albero in questione deve avere dimensioni comprese tra 100 + 0,048 = 100,048 mm e 100 + 0,013 =
100,013 mm. Il foro invece, identificato da H8, ha grado di precisione IT8,
quindi tolleranza 54 μm; lo scostamento inferiore è 0 mm, poiché compare la lettera H, mentre lo
scostamento superiore è 54 μm, perciò esso varia tra 100 mm e 100,054 mm.
L’accoppiamento è incerto [fig. 3].
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La Brocciatura consente di ottnere fori calibrati con scostamento fondamentale zero (H).
I trafilati calibrati in acciaio vengono prodotti con scostamento fondamentale zero (h).
Esempi:
• H/a, H/b, H/c: gioco elevato, impieghi ad alta Temp
• H/g, H/h: gioco quasi nullo, parti scorrevoli su guide di precisione
• H/j, H/js: montaggio e smontaggio con leggera pressione
• H/k, H/m, H/n: rotazione reciproca impedita
• H/p, H/r: accoppiamenti eseguidi alla pressa con T diverse nei 2 pezzi
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Progettazione
Principi e metodi per l’esecuzione e l’organizzazione della progettazione
Organizzazione del Progetto Costruttivo
“Parte del processo di progettazione nella quale, partendo dalle varianti selezionate mediante la progettazione
concettuale, viene sviluppato concretamente il piano di prodotto, a fronte di criteri tecnici ed economici.
Diversamente dal progetto concettuale il progetto costruttivo richiede molte azioni correttive nelle quali
analisi e sintesi si alternano.”
Si distingue:
• Fase di Progettazione preliminare
• Fase di Progettazione di dettaglio
Progetto costruttivo nell’ottica QFD
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Modello del processo di progettazione secondo Pahl e Beitz (1984)
DEFINIZIONE ED ELABORAZIONE
DELLE SPECIFICHE
PROGETTAZIONE CONCETTUALE
INDUSTRIALIZZAZIONE DEL
PRODOTTO
La progettazione è un’attività decisionale ciclica:
• Ogni fase prevede una Proposta & Verifica
• Una verifica fallita comporta la ripetizione della fase
• Diversi team di sviluppo possono contribuire alla stessa verifica
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Azioni da sviluppare nel progetto costruttivo (Pahl Beitz)
Lista di controllo nel progetto costruttivo
Figura 1: Obiettivi generali
Figura 2: Obiettivi della specifica
Per la fattibilità tecnica, economica sono importanti:
• Chiarezza (non ambiguità): caratterizza la Funzione
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Esempi:
Più organi che svolgono in
parallelo la stessa funzione
portano ad una ripartizione non
definita delle sollecitazioni;
Evitare eccesso di vincoli
iperstatici che rendono incerta
la distribuzione delle tensioni.
•
Semplicità: orienta verso Forme Semplici
Esempi:
Funzioni congiunte (o
parzialmente congiunte) su un
unico componente;
•
Sicurezza: riduce le cause di Malfunzionamento
Le tre regole possono entrare in conflitto tra loro: mentre per la sicurezza non si può scendere a
compromessi, per la chiarezza e la semplicità spesso si cercano soluzioni intermedie che non violino
totalmente una delle due.
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1. Sicurezza diretta (o interna)
Richiede l’applicazione di uno dei seguenti principi in funzione della Tipologia del sistema e delle
Condizioni di sollecitazione
o Principio di vita infinita
Il parametro dello stato del componente < tensione limite materiale
[sovradimensione eccessiva] (parti strutturali)
o Principio di vita finita (Safe-Life)
Operare in sicurezza per tutta la vita prevista (frazione della vita totale) (ingranaggi)
o Principio di sicurezza al guasto (Fail-Safe) – cedimento parziale
Operare in sicurezza nonostante malfunzionamenti parziali (giunti elastici che si allentano)
o Principio di accettazione/tolleranza del danno (Damage-Tolerant)
O “estensione della vita prevista”, rappresenta la possibilità di usare un sistema danneggiato
per un periodo limitato di tempo (insorgenza di cricche, recipienti a pressione)
o Principio di ridondanza
Introdurre parzialmente/totalmente altri organi che svolgono la stessa funzione (più motori
sullo stesso aereo, cavi multipli negli ascensori)
o Principio di separazione dei compiti
Ogni funzione è assolta da un organo diverso (rotore elicottero, parti indipendenti assolvono
funzioni diverse)
2. Sicurezza indiretta (o esterna)
Principi di sicurezza che è bene seguire, con lo scopo di prevenire cause di incidente e ridurne la
gravità, considerando Segnali di avvertimento e di automonitoraggio
o Sistemi di protezione: essere in grado di interrompere il funzionamento in caso di guasto
o Sistemi di autodiagnosi
o Sistemi di protezione multipli
o Sistemi di segnalazione
3. Sicurezza connessa con il dimensionamento
Mediante la valutazione delle verifiche delle tensioni massime nei punti più sollecitati, valuto un
Fattore di sicurezza [∄ valori caratteristici] Sarebbe più utile definire una probabilità di rottura.
o le verifiche a deformazione eccessiva
o le verifiche di propagazione dei difetti
o le tensioni residue e fattori infragilizzanti: usate bene per ridurre trazioni superficiali
o le dilatazioni termiche
o la tenuta delle guarnizioni
o le verifiche dei fenomeni di usura
o le verifiche della corrosione
o le vibrazioni e le risonanze
E’ bene considerare altri parametri:
o Tenacità: capacità di resistere alla propagazione di un difetto, dipende dalla
T, spessore e stato di tensione
Più significativo della Resilienza e Allungamento a rottura statico.
o Deformazione elastica
o Risonanze: difficilmente stimabili, producono rumore
o Tenute: causa frequente di guasto
o Usura: causa frequente di incidenti
o Corrosione: causa di concentrazioni delle tensioni e riduzione degli spessori
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4. Sicurezza negli aspetti ergonomici
Ottimizzazione strutturale
1. Ottimizzazione dimensionale: applicata a strutture reticolari per trovare la sezione ottimale
delle travi che la costituiscono, oppure a strutture a piastra per determinarne lo spessore
ottimale.
La forma della struttura rimane invariata.
2. Ottimizzazione di forma: la forma della struttura viene modificata, mantenendo invariate le posizioni dei
vincolo esterni (ossia i punti in cui la struttura è connessa con le altre parti di un dispositivo o di un
assieme in genere).
Modificato il modello strutturale di partenza e la distribuzione dei carichi.
3. Ottimizzazione topologica: non vi è una dimensione o una forma prestabilite. Vi è uno spazio di design
all’interno del quale deve essere ottimizzata la distribuzione del materiale affinchè sia garantita la
resistenza ai carichi imposti. Uno tra i più diffusi metodi di ottimizzazione topologica è il metodo SIMP
(solidisotropicmaterialwith penalisation) che stabilisce una relazione tra la rigidezza degli elementi di una
struttura e la loro densità.
I software di ottimizzazione di basano sulla definizione di una Funzione Obiettivo che descrive una delle
proprietà strutturali del componente. Poi vengono variati alcuni parametri di progetto fino a raggiungere il
massimo o minimo della F.O., che rappresenta una possibile soluzione del problema.
I principali metodi di ottimizzazione strutturale sono:
• Branch and bound: algoritmo di ottimizzazione inizialmente sviluppato per risolvere
problemi complessi scomponendoli in sottoproblemi più semplici, poi applicato
all’ottimizzazione strutturale attraverso la ricerca di tutte le possibili varianti dimensionali;
• linearizzazione: approssimazione di problemi non lineari con problemi lineari a cui sono applicabili i
consueti metodi di ottimizzazione.
• simulated annealing: per trovare il minimo globale in problemi aventi più minimi locali.
L’idea è di generare un insieme casuale di punti che si trovano nelle vicinanze dell’ottimo
ipotetico e calcolare le soluzioni del problema in quei punti. Se il valore della funzione
obiettivo ricalcolata nei nuovi punti offre una migliore ottimizzazione, il nuovo punto è
considerato come punto di ottimo.
La sostituzione del vecchio ottimo con il nuovo si basa su un approccio probabilistico.
• algoritmi genetici: con questi metodi si parte da un set di risultati generati in maniera casuale scegliendo
tra i possibili valori che può assumere ogni variabile di progetto. Questo set di risultati dà luogo alla
prima cosiddetta “generazione” (corrispondente alla prima iterazione del calcolo). A ogni soluzione del
calcolo è assegnato un valore di “fitness” (che generalmente corrisponde al valore della funzione
obiettivo). Migliore è il valore di fitness, maggiore è la probabilità che la soluzione “sopravviva” nelle
successive generazioni.
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Topologia = branca della matematica che studia le proprietà delle figure e delle forme che non cambiano
quando avviene una deformazione senza “strappi”, “sovrapposizioni” o “incollature”. Cubi e sfere sono figure
geometriche topologicamente uguali perché è possibile deformare un cubo in una sfera e viceversa senza
strappi, sovrapposizioni o incollature; una sfera e un toro sono invece topologicamente diversi.
“Lo scopo dell’ottimizzazione topologica è quello di trovare la migliore distribuzione di materiale nella
struttura.Ciò che caratterizza e distingue l’ottimizzazione topologica rispetto alle altre tipologie è che in
questo caso la forma e la topologia della struttura non è conosciuta prima di effettuarne l’ottimizzazione: il
numero di elementi, la loro forma, il numero di fori non sono decisi a priori. Il punto di partenza è sempre uno
spazio di progettazione (design domain), caratterizzato da una forma generica di dimensioni sufficienti a
contenere l’intera struttura e sufficiente a “connettere” tutti i componenti di forma definita o la cui posizione
va necessariamente rispettata in quanto vincolo progettuale.”
Per poter procedere alla risoluzione del problema è necessario utilizzare il metodo degli
elementi finiti (FEM) per poter dividere lo spazio di progettazione in un numero discreto di
elementi. Dal punto di vista informatico, il modello geometrico viene approssimato con una
conversione in meshpoligonale. In altre parole la geometria viene virtualmente scomposta in
una serie di elementi più piccoli, tanto più piccoli tanto maggiore sarà la risoluzione impostata
per il processo di approssimazione.
Il problema risultante viene risolto utilizzando metodi matematici di ottimizzazione per
determinare quali dei piccoli elementi in cui è scomposta la geometria sono “materiale” e quali
invece non lo sono. Possiamo considerare questo approccio come un approccio binario: gli
elementi esistono, “1”, o non esistono, “0”.
Il risultato è ciò che viene definito una topologia ISE (IsotropicSolid or Emptyelements,
elementi isotropici solidi o vuoti).
In questo caso il numero di differenti combinazioni è 2N, dove N è il numero di elementi.
Un’approssimazione della geometria ad una risoluzione maggiore, con conseguente aumento del numero di
elementi, causa una crescita esponenziale dei tempi di calcolo necessari per eseguire l’ottimizzazione.
Principali vantaggi dell’utilizzo dei sistemi di ottimizzazione topologica e stampa 3D:
• Miglioramento delle caratteristiche meccaniche e fisiche dei componenti
• Minori costi di produzione e minor utilizzo di materie prime
• Riduzione dei componenti dei sistemi
• Riduzione dei tempi di assemblaggio dei sistemi
• Maggiore velocità di produzione ed immissione sul mercato dei prodotti (time to market)
Le due strategie principali, e con migliori risultati, di risolvere un problema con una
topologia ISE sono
il metodo a densità (densitymethod) e il metodo ad omogeneizzazione
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Metodi Convenzionali
Metodi analitici
Soluzioni ottimali per funzioni continue e differenziabili
• Problemi a funzioni a singola variabile, multivariabile ma senza vincoli, multivariabile con vincoli espressi
mediante equazioni (moltiplicatore di lagrange) e vincoli espressi mediante disequazioni (condizione
Kuhn-Tucker)
Metodi numerici
• Programmazione Lineare: FO e V lineari
• Programmazione Lineare Intera: FO e V lineari e le variabili valori interi
• Programmazione Quadratica: FO può assumere valori quadratici e le variabili = equazioni e
disequazioni lineari
• Programmazione non Lineare
• Programmazione Stocastica: V dipendono da variabili casuali
• Programmazione Dinamica: il problema viene suddiviso in sottoproblemi
• Ottimizzazione Combinatoria: le possibili soluzioni è discreto
• Ottimizzazione a dimensioni infinite: le possibili soluzioni è un sottoinsieme di uno spazio infinito
dimensionale come uno spazio di funzioni
Metodi non Convenzionali
•
•
Hill Climbing: ciclo di ricerca dei nodi con valori + alti nei pressi di un particolare nodo di riferimento.
Spazio di ricerca limitato solo ai nodi vicini a quello corrente. Quando un noto è migliore del riferimento,
esso viene sostituito col precedente. Termina quando raggiunge il picco.
Una ricerca sequenziale avrebbe bisogno di una media di 50 step e un max di 100 per trovare il valore
più alto. In questo modo si raggiunge l’obiettivo in 5 passi.
Algoritmo rapido e veloce, ma alta possibilità di fallimento se trova un massimo locale, escludendo un
possibile massimo globale.
Simulated Annealing: nata come metodo di simulazione della tempra dei metalli.
Genera un insieme di configurazioni ad ogni temperatura T con la proprietà che le energie delle
differenti configurazioni possono essere rappresentate dalla distribuzione di Boltzmann.
Il metodo comincia da una assegnata configurazione iniziale degli atomi in un sistema
con energia E0.
Vengono quindi generate successive configurazioni con piccole perturbazioni casuali della
configurazione corrente. Viene deciso se accettare o rigettare la configurazione in base alla
differenza fra l’energia della configurazione corrente e quella della nuova configurazione (o
configurazione candidata). Tale decisione è influenzata dal fatto che le energie del sistema delle
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configurazioni accettate devono formare una distribuzione di Boltzmannse si è raggiunto
l’equilibrio termico.
Equilibrio termico= valore di Energia interna minima
L’algoritmo accetta sempre una soluzione candidato la cui energia Ejè inferiore a quella della
configurazione corrente (Ei).
Sia data una configurazione iniziale con energia o valore della funzione obiettivo E0.
Selezionare un valore iniziale T0 per la temperatura.
Per ogni stadio della temperatura effettuare i seguenti passi :
A. Generare una configurazione candidato ammissibile tramite una piccola perturbazione casuale
della configurazione corrente. Valutare la differenza di energia ΔE fra le due configurazioni.
B.1. Se ΔE ≤ 0, la configurazione candidato ha un valore della funzione obiettivo inferiore rispetto
a quello della configurazione corrente. Accettare la nuova soluzione e sostituirla a quella
corrente.
B.2 Se ΔE > 0, la configurazione candidato ha un valore della funzione obiettivo peggiore rispetto
quello della configurazione corrente. Accettare tale soluzione con una probabilità P(E) e
aggiornare la configurazione corrente se necessario.
C. Se non è raggiunto l’equilibrio termico, torna a StepI. Altrimenti vai a StepII.
Se il processo è incompleto, ridurre la temperatura e ritornare a StepI .
Per i problemi di ottimizzazione il SA lavora come segue:
ad alte temperature l’algoritmo si comporta più o meno come una random search. La ricerca
salta da un punto all’altro dello spazio delle soluzioni individuandone le caratteristiche e quindi
le direzioni o le aree in cui è più probabile trovare l’ottimo globale. A basse temperature le
soluzioni vengono localizzate nella zona del dominio maggiormente promettente.
Da quanto detto si intuisce che vi è un certo numero di parametri che l’analista deve
decidere per implementare il metodo, consentendo ampia libertà di scelta e quindi elevata
applicabilità. Tuttavia c’è un prezzo da pagare: la taratura di un numero elevato di parametri
causa un duro lavoro iniziale affinché il metodo possa convergere.
Un vantaggio fondamentale del SA è che l’analista lo può applicare a problemi di ottimizzazione per i
quali non ha una conoscenza profonda.
•
Algoritmi Genetici (GA): sono algoritmi di ricerca che si inspirano ai criteri della selezione naturale di
Darwin e dell’evoluzione biologica.
Operano su una popolazione di potenziali soluzioni applicando il principio della sopravvivenza e della
riproduzione dei migliori.
Gli Step di definizione della soluzione ottima sono i seguenti:
POPOLAZIONE: è costituita da un numero ndi individui. Ogni individuo rappresenta una
possibile soluzione ed è codificato mediante una stringa detta cromosoma.
FUNZIONE FITNESS: è una funzione in grado di valutare quanto una soluzione sia adatta a
risolvere il problema dato. La funzione viene valutata per una popolazione e
successivamente viene creata una nuova popolazione applicando operatori che si
inspirano alla selezione naturale.
OPERATORE DI SELEZIONE: la selezione avviene valutando la fitness per ogni popolazione
e le popolazioni con fitness maggiore saranno quelle che resistono alla selezione.
MATING POOL: ogni volta che un individuo viene selezionato ne viene creata una copia
inserita nel matingpool. Quando il matingpool è riempito esattamente conn copie di
individui, nuovi n discendenti sono creati applicando gli operatori genetici.
CROSSOVER: combinazione dei geni delle diverse soluzioni al fine di esplorare nuove
soluzioni. Individuato un gruppo di soluzioni idonee alla riproduzione, i geni dei genitori
vengono combinati per formulare nuove generazioni.
MUTAZIONE: la mutazione agisce sui figli andando a mutare un gene a caso.
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La nuova generazione di soluzioni prende il posto della precedente.
Il processo viene iterato fino a che si raggiunge o un massimo di iterazioni, fissato all’inizio
dell’ottimizzazione, oppure una approssimazione accettabile della soluzione.
•
Particle Swarm Optimization: (clonie di formiche, sciame di api…)
si sviluppa dall’analisi dei meccanismi di interazione tra gli individui che fanno parte di
un gregge/stormo/branco (è particolarmente interessante quando il gruppo ha un
obiettivo comune come la ricerca di cibo).
Lo studio delle regole del volo in stormo mettono in evidenza come un individuo leghi il
suo comportamento a quello degli altri membri del gruppo (–deve seguire i suoi vicini –
deve rimanere nel gruppo –deve evitare di urtarli).
L’algoritmo PSO ha un obiettivo condiviso da tutti i membri: la ricerca di cibo di un individuo
che nel suo movimento scorge una fonte di cibo si trova di fronte a due alternative:
–allontanarsi dal gruppo per raggiungerlo (individualismo)
–rimanere nel gruppo (socialità)
Se più individui si dirigono verso il cibo anche altri membri possono cambiare la loro direzione per
sfruttare la stessa fonte di nutrimento -> il gruppo cambia gradualmente direzione verso le zone più
promettenti, ovvero l’informazione gradualmente si propaga a tutti.
L’analogia con il problema di ottimizzazione può essere definita come:
–individui: configurazioni di tentativo che si spostano e campionano la funzione
obiettivo in uno spazio reale a N dimensioni;
–interazione sociale: un individuo trae vantaggio dalle ricerche degli altri
dirigendosi verso la regione del punto migliore globalmente trovato.
La strategia di ricerca può essere espressa come bilanciamento tra
exploratione exploitation:
–exploration: legato all’individualità del singolo che ricerca la soluzione;
–exploitation: legato alla socialità ovvero allo sfruttamento dei successi di altri individui.
PSO ottimizza un problema impostando una popolazione (swarm) di soluzioni candidate (particles),
muovendo queste particelle nello spazio di ricerca tramite semplici formule matematiche. Il
movimento delle particelle èguidato dalla migliore posizione trovata nello spazio di ricerca
(dall’individuo e dalla popolazione) che viene aggiornata e via via si trovano soluzioni migliori.
•
Il metodo della Colonia delle formiche (AntColony) si basa sul concetto di stigmergia,
che è un metodo di comunicazione col quale gli individui del sistema comunicano fra
loro modificando l'ambiente circostante. Le formiche, per esempio, comunicano le une
con le altre lasciando una traccia di feromoni. I feromoni sono sostanze biochimiche
che vengono emesse con la funzione di inviare segnali ad altri individui della stessa
specie.
Le formiche nella ricerca del cibo tendono a seguire percorsi con maggior
quantità di feromone. Avendo trovato il cibo, quando rientrano al nido
rilasciano una quantità maggiore di feromone.
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Quando una di queste trova una fonte di cibo, torna al nido rilasciando una scia di feromoni; il
percorso che verrà a formarsi guiderà altri individui dal nido verso la fonte di cibo. Al loro ritorno
rilasceranno anch’esse una quantità di feromoni sulla pista seguita rafforzando così il percorso. La
formazione del tragitto è ottenuta quindi da un feedback positivo: più formiche utilizzano un
sentiero, più il sentiero diventa “attraente”.
Questo algoritmo viene tipicamente impiegato per risolvere il problema del
commesso viaggiatore, dove l'obiettivo è quello di trovare la via più breve per
collegare una serie di città. L'algoritmo generale è relativamente semplice. In ogni
fase, la formica sceglie di spostarsi da una città all'altra secondo alcune regole:
• più una città è distante, meno possibilità ha di essere scelta (la "visibilità");
• più l'intensità del percorso di feromone situato sul crinale tra due città è maggiore, più ha possibilità
di essere scelto;
• una volta completato il suo percorso, la formica deposita, su tutti i bordi attraversati, più feromone
se il percorso è breve;
• i percorsi di feromone evaporano ad ogni iterazione.
Si ha l’arresto o indicando un tempo di calcolo massimo o un numero di iterazioni prefissato.
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QFD – Quality Function Deployment
Obiettivi
Finalizzare e coordinare le competenze di un’organizzazione al fine di progettare prodotti conformi alle
attese dei clienti
• Migliorare la definizione delle richieste del cliente
• Migliorare la traduzione di tali richieste in caratteristiche del prodotto
• Facilitare la comunicazione interfunzionaledi progetto
Le Case della Qualità
Rappresenta schematicamente le relazioni esistenti tra diversi tipi di informazioni (Marketing, concorrenza,
tecnologie e costi)
Figura 3: Hauser e Clausing, 1988
1. Identificare la voce del cliente
o Identificare i Clienti
o Identificare le sue richieste (individuali o focus group)
o Estendere la verifica sulla base di un questionario su un campione (chi,cosa,quando?...)
o Risultato = lista di attributi, classificati su + livelli
Modello di Kano
2. Importanza dei bisogni
o Assegnare a ogni richiesta un indice di importanza
o Il cliente assegna un punteggio sulla base della priorità del bisogno (scala Likert, da 1 a 5)
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3. Percezione del cliente (benchmarking competitivo)
o Confronto tra prodotto dell’azienda e la concorrenza
o Giudicare soddisfazione cliente sempre con scale Likert
o Costruzione di un profilo ideale di prodotto (per ogni attributo ho le migliori prestazioni del
mercato)
o Dà indicazioni importandi ai progettisti
4. Caratteristiche tecniche
o Diventa uno strumento di progettazione
o Le caratteristiche tecniche devono essere misurabili
o Identificare almeno una caratteristica tecnica per ogni richiesta del cliente
5. Matrice di correlazione delle caratteristiche
o Relaziona le caratteristiche tecniche in termini di direzione (positiva/neg) e intensità (forte,
media, bassa)
o Evidenzia le caratterstiche tecniche che richiedono > sforzo tecnico
6. Matrice delle relazioni
o Si evidenziano relazioni esistenti tra le richieste del cliente (WHATs) e caratteristiche del
prodotto (HOWs)
o Si assegna a ciascuna correlazione un peso (es., 0-1-4-9)
o Si moltiplica il grado di importanza del bisogno per i pesi, e si sommano i valori per colonna
o Si ordinano le caratteristiche per valori decrescenti. Si possono così individuare le
caratteristiche che incidono maggiormente sulle fonti principali di soddisfazione del cliente
7. Benchmarking prestazioni
•
•
•
•
•
Attività time consuming, da svolgersi all’interno di gruppi interfunzionali
Meno adatto per innovazioni radicali, più per innovazioni incrementali
Difficile misurare caratteristiche intangibili o estetiche di prodotto
Funziona meglio per progetti di breve durata
Richiede commitmente assegnazione di responsabilità ad un titolare
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Supporto alla Progettazione TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving)
Brainstorming + Metodo di Pugh
INNOVAZIONE ROBUSTA GUIDATA DAL CLIENTE
GENICHI TAGUCHI
Identifica il valore dei componenti che
rendono un progetto in grado di
preseguire un obiettivo,
indipendentemente da influenze non
controllabili
QFD
TRIZ
I cerchi pieni mostrano che uno strumento (colonne) ha un
impatto significativo sul raggiungimento di un obiettivo (righe).
Quelli pieni per ¼ indicano un impatto moderato, quelli vuoti
un impatto debole.
Nella parte superiore, lo chema mostra le possibili e
significative sinergie tra QFD, TRIZ e GT.
“Teoria per la soluzione creativa dei problemi di cui non si è ancora trovata soluzione prendendo ispirazione
da contesti diversi. Quindi è possibile definire metodologie per un’innovazione sistematica, senza dover
attendere l’Ispirazione”
Scoperta ed eliminazione delle contraddizioni del sistema: esse possono essere risolte metodicamente
attraverso l’applicazione di soluzioni innovative.
• Analisi di molte invenzioni per definire la situazione iniziale di un problema
• Costruzione di un modello
• Scelta di appropriate trasformazioni per arrivare alla soluzione
• Verifica dell’efficacia della soluzione proposta
La teoria si basa su:
o Il design ideale è un obiettivo
o Le contraddizioni aiutano a risolvere i problemi
o Il processo innovativo può essere sfruttato sistematicamente
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Questionario sulla Situazione Innovativa (Innovation Situation Questionnaire ISQ)
Un problema ben definito è già per metà risolto.
Il questionario sulla situazione innovativa è un utile supporto nella fase di raccolta in modo strutturato delle
informazioni relative ai diversi aspetti del problema. Consente di creare un format che aiuta a esplorare in
modo sistematico lo spazio delle soluzioni.
Tratteremo dell’esempio “Bicicletta” per chiarificare i passaggi.
1. Funzione principale del sistema
un sistema rilascia una funzione quando qualcosa di esterno al sistema viene in qualche modo
modificato. Descritta utilizzando un verbo attivo e un oggetto che subisce l’azione.
Es Bicicletta: “muovere una persona o dei piccoli carichi per una distanza relativamente corta”
2. Struttura attuale o desiderata del sistema
Descritta staticamente, nella condizione in cui il sistema non sta operando, accompagnata da un
disegno
“struttura bicicletta comprende il telaio (1) e un cuscinetto (2) all’interno del quale ruota un asse,
fissati i pedali e una corona collegata alla catena…”
3. Funzionamento sistema durante la sua Funzione Utile Principale
4. L’ambiente del sistema
Includendo ogni sistema con il quale il sistema principale interagisce
Contraddizioni
Utilizzo della matrice delle contraddizioni per generare numerosi concept.
o Contraddizione Tecnica: il miglioramento di un parametro del sistema ne peggiora un altro
o Contraddizione Fisica: alcuni parametri devono possedere 2 stati opposti (il prodotto è caldo e
freddo)
Mentre il tradizionale problem-solving si basa su esperienze passate della nostra vita (e quindi, qui, mostra
il difetto principale nell’approccio ai problemi inventivi), questo metodo consente di rispondere proprio alla
domanda “come possiamo affrontare una contraddizione che non ci è familiare?”.
La determinazione di quale principio inventivo sia meglio utilizzare deriva dall’identificazione del parametro
che si sta miglioranto e di quello che si sta deteriorando. [se l’ordine dei parametri viene invertito, vengono
considerati principi differenti].
Problema specifico
“attrezzo non fa presa
nella guida”
ASTRAZIONE
Problema generale
“degradazione
della Forza”
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ASSOCIO
PARAMETRI
Parametro (10):
Forza
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39 Parametri che caratterizzano i sistemi
Si può rappresentare la Matrice delle Contraddizioni (39x39):
• Righe = parametri che devono essere migliorati
• Colonne = stessi parametri valutati nel problema analizzato in relazione alla possibilità di
essere dannosi
Nella casella corrispondente all’incrocio tra R e C si trovano i principi inventivi tipicamente usati
nella soluzione di problemi analoghi.
Righe: parametri da migliorare
Colonne: parametri che vengono deteriorati in
seguito al miglioramento della Riga.
Matrice: vengono messi i Principi Inventivi.
Diagonale: principi inventivi consigliati.
Esempio:
La crescita dell’osso attorno alla vite può essere
considerata un miglioramento richiesto dal
parametro “Volume di un oggetto stazionario”
(par.8); l’elevata Forza richiesta per rimuovere
la vite (vincendo l’attrito) è ricondotto al
parametro Forza (par.10). La diagonale
suggerisce i P.I. 2,18,37.
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40 Principi inventivi (operazioni da eseguire per cercare la possibile soluzione del problema)
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Documentazione tecnica di prodotto
“La direttiva macchine o MD (Machinery Directive) è un insieme di regole definite dall’ Unione Europea, rivolto
ai costruttori di macchine. E’ volta a stabilire i requisiti essenziali per la salute e la sicurezza relativi alla
progettazione e alla costruzione delle macchine al fine di migliorare la sicurezza dei prodotti immessi sul
mercato europeo”
Contiene i requisiti essenziali in materia di sicurezza e salute pubblica. Campo di applicazione:
• Macchine, attrezzature intercambiabili, componenti di sicurezza e sollevamento, catene, funi,
dispositivi di trasmissione meccanica.
2 macro-gruppi:
1. Macchine certificate da Enti terzi
2. Macchine autocertificate dal produttore
Obblighi del costruttore
• Fascicolo Tecnico della Costruzione (per le macchine)
• Documentazione Tecnica Pertinente (per le quasimacchine)
• Marcatura CE (ed appropriata documentazione)
I prodotti non rispondenti ai requisiti della direttiva non possono accedere al mercato comune europeo e
quindi nemmeno a quello italiano che ne fa parte.
Marcatura CE
Ogni macchina deve recare, in modo leggibile e indelebile, almeno le seguenti indicazioni:
• nome del fabbricante e suo indirizzo
• la marcatura CE
• designazione della serie o del tipo
• eventualmente, numero di serie
• l'anno di costruzione
Macchine escluse dalla direttiva
1. Navi marittime e le unità mobili offshore nonché le macchine installate a bordo di tali navi e/o unità;
2. ascensori utilizzati nei pozzi delle miniere;
3. mezzi di trasporto per via aerea, per via navigabile o su rete ferroviaria escluse le macchine installate
su tali veicoli;
4. prodotti elettrici ed elettronici oggetto della direttiva Bassa Tensione (2006/95/CE) quali:
o elettrodomestici destinati a uso domestico
o apparecchiature audio e video
o motori elettrici
o apparecchiature di collegamento e di controllo a bassa tensione
5. alcune apparecchiature elettriche ad alta tensione quali:
o trasformatori
o apparecchiature di collegamento e di comando
o tutte le armi (e non solo le armi da fuoco)
o i trattori agricoli e forestali (per i rischi non trattati nella 2003/37/CE)
Fascicolo tecnico
La direttiva macchine 2006/42/CE e le altre direttive comunitarie, definiscono tutta la documentazione che il
fabbricante, il suo mandatario se il fabbricante si trova fuori della CEE o l’importatore di materiali, prodotti,
macchine o impianti deve produrre per poter apporre il marchio CE.
La parte più importante della documentazione è rappresentata dal fascicolo tecnico, che è la parte più
complessa e sta alla base della realizzazione del prodotto.
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Il fascicolo tecnico non è da confondere con il manuale d’uso e manutenzione. È una raccolta di tutta la parte
documentale che ha coinvolto la progettazione, la costruzione, il collaudo della macchina.
In esso sono inclusi i calcoli strutturali, le caratteristiche dei materiali utilizzati, i disegni costruttivi, gli
schemi, la documentazione del materiale da commercio, le misurazioni di rumore aereo e di compatibilità
elettromagnetica. Deve necessariamente includere l’analisi dei rischi. Contrariamente al manuale di uso e
manutenzione, il fascicolo tecnico non deve essere fornito al cliente, ma deve essere archiviato presso il
costruttore. Non è neppure necessario che sia fisicamente assemblato. La norma prescrive che, a fronte di
una richiesta da parte delle autorità competenti, il costruttore sia in grado di assemblarlo nei tempi richiesti.
Tale aspetto porta spesso le aziende a sottovalutare il problema di produrre tale documento.
I fascicolo tecnico deve essere attentamente analizzato con un tecnico esperto, preferibilmente esterno, che
conosca, oltre agli aspetti tecnici, quelli giuridici. La realizzazione di tale documento e il reperimento di tutte
le informazioni necessarie per la sua realizzazione, rappresentano il lavoro più lungo, oneroso e difficile della
marcatura CE.
Immissione sul mercato di una macchina
Il fabbricante deve principalmente garantire che:
• la macchina sia conforme ai requisiti essenziali di salute e di sicurezza;
• il fascicolo tecnico sia disponibile. Tale fascicolo deve dimostrare che la macchina è conforme ai
requisiti stabiliti dalla presente direttiva;
• le informazioni necessarie siano disponibili;
• le procedure di valutazione e di conformità siano applicate;
• la dichiarazione "CE" di conformità sia presente;
• il marchio CE sia presente.
Immissione sul mercato di una quasi-macchina
Prima di immettere sul mercato una quasi-macchina il fabbricante deve:
• accertarsi che sia preparata la pertinente documentazione tecnica;
• preparare le istruzioni per l’assemblaggio;
• redigere la dichiarazione di incorporazione.
Analisi dei rischi
Il fabbricante di una macchina deve garantire che venga effettuata una valutazione dei rischi per eterminare
gli obblighi di salute e di sicurezza che si applicano alla macchina. La macchina deve successivamente essere
progettata e costruita e considerata la parte più importante del fascicolo tecnico, ed è da ritenersi
assolutamente indispensabile. Mira ad analizzare in dettaglio le caratteristiche meccaniche, elettriche,
idrauliche, ambientali, operative della macchina, allo scopo di evidenziare possibili fonti di rischio per
l'operatore e per la macchina stessa. Dall'analisi, da farsi preferibilmente sul prototipo, scaturisce un elenco
di rischi esistenti, che dovrebbero essere eliminati in sede progettuale.
Ove ciò non sia possibile, e il rischio si presenti tale anche sulla versione commercializzata, dovranno essere
citate tutte le contromisure che l'operatore dovrà adottare per le cautele.
Tali informazioni, identificate con il termine "rischi residui", dovranno essere riportate sul manuale di uso e
manutenzione. L'analisi dei rischi deve essere eseguita da un consulente esterno all'organizzazione
aziendale. Solo con questo sistema vengono messi in risalto aspetti molto spesso trascurati in quanto
assimilati come routine. Per il processo di valutazione e di riduzione dei rischi, il fabbricante:
• determina i limiti della macchina, comprendenti il suo uso normale ed ogni cattivo uso
ragionevolmente prevedibile;
• elenca i rischi che possono derivare dall'uso della macchina e le situazioni pericolose connesse;
• effettua una stima dei rischi e della loro probabilità, tenendo conto della gravità di un'eventuale
ferita o di un attacco alla salute;
• valuta i rischi;
• elimina i pericoli o riduce i rischi connessi a tali pericoli applicando misure di protezione.
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Manuale d’uso e manutensione
La realizzazione del manuale di uso e manutenzione deve sempre scaturire da un'analisi dei rischi già
effettuata. La Direttiva macchine 2006/42/CE stabilisce in modo chiaro e inequivocabile che
“ogni macchina deve essere accompagnata da istruzioni per l'uso nella o nelle lingue comunitarie ufficiali
dello Stato membro in cui la macchina è immessa sul mercato e/o messa in servizio”.
Le istruzioni per l’uso sono testi, parole, segnali, simboli, diagrammi, utilizzati separatamente
o in combinazione per trasferire le informazioni, in particolare quelle inerenti la sicurezza, a tutti i destinatari
che si prevede interagiranno con il bene tecnico in tutte le fasi di vita prevista.
Sono necessari diversi tipi di istruzioni per l’uso che variano in funzione del bene tecnico
di riferimento (per uso industriale piuttosto che domestico) e delle caratteristiche dei destinatari
(utilizzatore, centri assistenza, tecnici esperti) Le istruzioni per l’uso richiedono competenze di tipo
tecnico, normativo, linguistico, la cui realizzazione va affidata a specialisti del settore: i redattori tecnici o
technical writer.
Il redattore tecnico professionale (figura non ancora riconosciuta in Italia al contrario di quanto avviene in
altri Paesi europei) è lo specialista in grado di coniugare il sapere tecnico con il sapere linguistico: cioè colui
che sa trasferire le informazioni applicando i principi di comunicazione più avanzati (vedere, pensare, usare).
Oggi i costruttori che intendono fidelizzare i propri clienti e acquisire nuove quote di mercato devono
disporre di manuali efficaci, con informazioni precise e puntuali e con un elevato grado di usabilità.
Un manuale d’uso e manutenzione con tali requisiti è la condizione fondamentale per la salvaguardia della
sicurezza degli utilizzatori e la tutela legale dei costruttori. Un manuale di istruzione e manutenzione chiaro,
supportato da immagini e completamente gestito:
• è un vero e proprio servizio post-vendita offerto ai propri clienti
• rende snella l'attività di manutenzione del prodotto
• rende tempestive e snelle le attività di riparazione del prodotto
Integrazione con PLM
per realizzare opportunamente il fascicolo tecnico che comprende le informazioni relative a :
• Progettazione, costruzione e funzionamento del prodotto
• Disegni e schemi di progettazione e costruzione
• Risultati dell'analisi dei rischi applicabili
• Caratteristiche meccaniche, elettriche, idrauliche, ambientali e operative della macchina, allo scopo
di evidenziare possibili fonti di rischio per l'operatore e per la macchina stessa.
• Rischi esistenti, che dovrebbero essere eliminati in sede progettuale.
• Rischi residui, che vengono riportati sul manuale di uso e manutenzione.
• Elenco delle norme e delle soluzioni alternative adottate per soddisfare i requisiti essenziali
• Caratteristiche dei materiali utilizzati
• Documentazione del materiale da commercio
• Calcoli, prove, controlli e istruzioni per l'uso
o Riduzione sensibile del lead time di commessa riguardo la “certificazione” del
prodotto/macchina/impianto
o Accessibilità estesa, anche al di fuori della realtà aziendale.
o Facile e veloce condivisione dei documenti prodotti a tutta l’azienda
o Monitoraggio e gestione dello stato di avanzamento delle attività
Pdm/plm viene creato ad personam per l’azienda.
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Pdm: Nella concurrent engineering l’azienda deve sapere che tecnologia e i prodotti che usano le aziende
fornitrici per gestire meglio la progettazione
Database relazionali: I dati vengono cercati sulla base di “query”=richiesta strutturata, in tabelle Omogenee
di dati, collegate tra loro. Tra le righe delle tabello vengono stabilite delle relazioni, link, mantenendo sulla
singola tabella l’uniformità della relazione. Creo una struttura perfettamente impacchettata dentro la quale
si trova la storia di quel pezzo. Non è un oggetto congelato nel tempo, ma permette di seguire il prima e il
dopo: le revisioni/modifiche.
Il Knowledge Reuse ci permette di migliorare il prodotto nel futuro.
SAP: elabora anche gli indicatori di gestione aziendale. Software + compicato.
TeamCentre:
Riutilizzo degli intellectual capitals: esperienza
Vault (PDM): dà indicazioni su dove vengano immagazzinate le info. È più forte di server: proteggo
l’intellectual capital, la proprietà intellettuale.
Workflow: piattaforma di servizi su rete che consente di:
• Descrivere ed eseguire un processo in accorso alle sue componenti elementare: attivitò, relazioni
tral le attivita, oggetti e risorse coinvolte.
quand’è il momento di passare alla fase successiva. Chi fa che cosa e in quale ordine. (concurrent engi).
Document managment
Un sistema di document man è una piattaforma di servizi su rete che integra:
• Memorizzazione dei documenti nell’area Vault
• Servizi di libreria come Check in/out, gestione delle versioni, gestione della sicurezza.
Check in/check out: situazione ben precisa in cui tu entri nella work station con login / pw per lavorare,
accedi al server e vault (arrivi a tutta la risorsa), scarichi il file in locale. Gestisce scaricamento in locale della
parte che ci serve e ricaricamento della parte modificata col cambio di Revisione.
Quando entri in check in (porti i modelli in locale) → metti in pausa il server su quel modello
temporaneamente per l’accesso di altra gente (non è modificabile temporaneamente da altra gente).
E, quando si lavora su gruppi, si blocca la possibilità di lavoro ad altri.
GESIONE DELLA SICUREZZA, anche all’interno, perché non tutti sono abilitati a vedere tutto.
Soluzione è non creare gruppi/assiemi troppo impegnativi, così da poter dividere il lavoro e poterlo fare in //.
Lavoro di gruppo - punti
•
•
Valutazione costo/complessità
Matrice decisionale: identificando la priorità sulle
specifiche e sulle funzioni si identifica la soluzione
concettuale vincente
Ottimizzazione e definizione del product lifecycle: tanti
passaggi sequenziali di progettazione & verifica
Modellazione e disegni costruttivi (rugosità, tolleranze)
Datasheet tecnico
• Scheda specifiche
•
• Scheda aree funzionali
• Valutazione e confronto con mercato
•
Organizzazione del gruppo di lavoro
Bom
• Indicazione del responsabile
• Costi
• Scheda dei ruoli
• Tempistica di introduzione sul mercato
• Timetable / gantt
Documentazione
tecnica
Re-design
• Manuale di montaggio
• Obiettivi, finalità
• Stima costi manutenzione
• Soluzioni concettuali
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