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 1 www.slideforyou.com 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 2 www.slideforyou.com 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 3 www.slideforyou.com 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 4 www.slideforyou.com 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. 5 www.slideforyou.com 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 6 www.slideforyou.com • 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 7 www.slideforyou.com 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. 8 www.slideforyou.com 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. 9 www.slideforyou.com 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 10 www.slideforyou.com 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 11 www.slideforyou.com 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 12 www.slideforyou.com 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). 13 www.slideforyou.com 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”. 14 www.slideforyou.com Indicato per situazione già esistenti, in cui si individuano interventi locali di facile realizzazione. 15 www.slideforyou.com 16 www.slideforyou.com 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”. 17 www.slideforyou.com 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 18 www.slideforyou.com 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 19 www.slideforyou.com 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 20 www.slideforyou.com 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 21 www.slideforyou.com 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 22 www.slideforyou.com 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) 23 www.slideforyou.com • 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) 24 www.slideforyou.com 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 25 www.slideforyou.com 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” 26 www.slideforyou.com 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” 27 www.slideforyou.com 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: 28 www.slideforyou.com • 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. 29 www.slideforyou.com 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). 30 www.slideforyou.com 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. 31 www.slideforyou.com 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 32 www.slideforyou.com 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) 33 www.slideforyou.com • • 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. 34 www.slideforyou.com 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 35 www.slideforyou.com 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 36 www.slideforyou.com 37 www.slideforyou.com • 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) 38 www.slideforyou.com 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. 39 www.slideforyou.com 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]. 40 www.slideforyou.com ◆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]. 41 www.slideforyou.com 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 42 www.slideforyou.com 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 43 www.slideforyou.com 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 44 www.slideforyou.com 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 45 www.slideforyou.com 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. 46 www.slideforyou.com 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 47 www.slideforyou.com 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. 48 www.slideforyou.com 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 49 www.slideforyou.com 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 50 www.slideforyou.com 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. 51 www.slideforyou.com 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. 52 www.slideforyou.com 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. 53 www.slideforyou.com 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) 54 www.slideforyou.com 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 55 www.slideforyou.com 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 56 www.slideforyou.com 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” www.slideforyou.com ASSOCIO PARAMETRI Parametro (10): Forza 57 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. 58 www.slideforyou.com 40 Principi inventivi (operazioni da eseguire per cercare la possibile soluzione del problema) 59 www.slideforyou.com 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. 60 www.slideforyou.com 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. 61 www.slideforyou.com 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. 62 www.slideforyou.com 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 63 www.slideforyou.com
