Sistemi di Produzione Industriale e Processi di Fabbricazione

PUNTO 1 - Impianti di Produzione

Concetto di Macchine di Processo Industriale

Il processo è l'insieme di attività ordinate per raggiungere un particolare obiettivo. In ingegneria industriale, il concetto di processo è fondamentale poiché la pratica di questo corso richiede pianificazione, integrazione, organizzazione, direzione e/o controllo.

Queste attività consentono al progettista di raggiungere i propri obiettivi nell'esercizio della professione. È necessario considerare i processi di produzione come strumenti per la progettazione e la definizione di piani, programmi e progetti riguardanti l'integrazione, l'organizzazione, la gestione e il controllo. Ciò include il lavoro di ottimizzazione, l'evoluzione dei risultati, gli standard di qualità, la maggiore efficienza e il monitoraggio costante.

Concetto di Produzione

• Il lavoro eseguito a mano o con l'ausilio di macchine.
• Il luogo in cui vengono svolte tutte le attività organizzate e previste per la trasformazione di materiali in oggetti utili o servizi per la società.

Produzione e Progettazione

L'ingegnere deve interpretare la produzione come un meccanismo per la trasformazione di materiali in beni utili. È inoltre considerata la struttura e l'organizzazione delle azioni che permettono a un sistema di svolgere una determinata attività.

Classificazione dei Processi di Produzione

I processi sono classificati in tre gruppi principali:

• Processi che cambiano la forma del materiale: colata o stampaggio, deformazione a freddo e a caldo, e metallurgia delle polveri.
• Processi con asportazione di materiale: macchine formatrici per il taglio dei metalli e lavorazioni non convenzionali.
• Processi di finitura superficiale: attraverso l'asportazione di particelle (abrasivi) o rivestimenti.

Affinché queste operazioni siano utili, il progettista deve considerare i seguenti criteri:

• Criteri economici e di profitto: il costo deve essere accettabile e competitivo.
• Redditività: deve offrire rendimenti superiori a quelli bancari.
• Qualità: deve essere quella strettamente necessaria.
• Efficacia del progetto: deve essere un design funzionale che permetta una produzione calcolata e controllata.
• Materiali: selezione di materiali adeguati ed economicamente accettabili.
• Processo di fabbricazione: sistema efficiente per la lavorazione di materiali di qualità, considerando le esigenze del cliente.
• Fattori umani: motivazione, trattamento, struttura, formazione e sicurezza.
• Processo amministrativo: pianificazione, integrazione, organizzazione, direzione e controllo.

Efficacia ed Efficienza

L'efficienza è il rapporto numerico tra il risultato raggiunto da un sistema e l'importo massimo che il sistema può teoricamente raggiungere.

L'efficacia è la stima del raggiungimento di obiettivi, scopi o funzioni di un sistema o di un processo, spesso senza una valutazione numerica o standard predeterminati.

PUNTO 2 - Introduzione ai Processi di Fabbricazione

Sistemi di Produzione

La produzione avviene in un ambiente di sistemi di produzione con caratteristiche diverse, impegnati in una serie di funzioni interattive finalizzate a ottenere prodotti finiti. Questi elementi possono essere raggruppati in una singola unità (fabbrica), in un dipartimento, o distribuiti in diverse piante.

Organizzazione dei Sistemi di Produzione

Ogni sistema produttivo è costituito da un ingresso di materie prime (inclusa l'energia) e da una produzione in uscita. Tra questi estremi vi sono i flussi di materiali sottoposti a processi di trasformazione eseguiti dagli elementi del sistema (macchine, stoccaggio, trasporto, ecc.) per acquisire le proprietà previste dal progetto.

Flusso del Processo

È comune classificare i processi in base al tasso del flusso dei materiali. I sistemi di produzione continua (o di processo) sono quelli in cui il percorso dei materiali rimane invariato. Vengono utilizzate poche materie prime per ottenere prodotti unici o limitati, registrati in peso (t) o volume (m³). Sono sistemi ad alto costo, rigidi e altamente automatizzati.

Caratteristiche dei Sistemi di Produzione di Prodotti Intermedi

Esempi includono l'industria siderurgica, la raffinazione del petrolio, il cemento, la carta o alimenti come farina e zucchero.

Sistemi di Produzione Discreti

Noti anche come sistemi "ad alto livello", sono orientati alla produzione di una varietà di prodotti diversi. Si caratterizzano per la flessibilità dei macchinari e dell'organizzazione. Sono organizzati per reparti (lavorazione, trattamento termico, montaggio) e sono più difficili da automatizzare. I prodotti sono registrati in unità e la sfida principale è il coordinamento della logistica.

Sistemi Combinati

Sebbene esistano sistemi puramente continui o di laboratorio, la maggior parte dei sistemi reali si colloca tra i due. Da un lato abbiamo i sistemi di montaggio (automobili, elettrodomestici), basati su linee automatizzate che oggi, grazie alla robotica, hanno aumentato la loro flessibilità. Dall'altro lato troviamo i sistemi batch (produzione a lotti), utilizzati in settori come l'aerospaziale o l'elettronica, dove le unità variano da poche decine a diverse centinaia.

Sistemi di Produzione Flessibili

Rappresentano la tendenza attuale. Sostituiscono la produzione in serie basata su stime a lungo termine con una produzione basata sulla domanda a breve termine (settimanale o giornaliera). Ciò consente risparmi in capitale fisso, materie prime e stoccaggio. L'uso di macchine a controllo numerico (CNC) e celle di produzione flessibili permette di coniugare alta produttività e versatilità.

Fase, Sottofase e Operazione

L'organizzazione del processo si basa su una suddivisione logica:

• Fase: insieme di trasformazioni tecnologiche effettuate sulla stessa macchina o posto di lavoro (es. tornitura, fresatura).
• Sottofase: suddivisione della fase, come diverse posizioni del pezzo sulla stessa macchina.
• Operazione: compito elementare eseguito su una macchina. Possono essere produttive (cambiamenti fisici come la stampatura) o non produttive (movimentazione, cambio utensile, preparazione macchine).

Rapporto tra Design e Produzione

Il tempo di progettazione incide direttamente sui costi e sulla competitività. Il design deve considerare esigenze funzionali, qualità, durata, sicurezza e metodi di fabbricazione. L'approccio moderno che ottimizza queste risorse simultaneamente è noto come ingegneria simultanea o concorrente.

Costi di Produzione

Il costo totale è definito da:

• Design del prodotto: requisiti funzionali e ciclo di vita.
• Scelta dei materiali: proprietà fisiche, disponibilità e costo.
• Definizione del processo: livello di automazione, volume di produzione e costo finale.

Tempi di Produzione

Il tempo totale per unità è l'unità di produzione in tempo. Ridurre questo valore è prioritario per la competitività. Si distingue in:

• Uptime (Tempo di attività): tempo in cui i materiali subiscono trasformazioni effettive.
• Downtime (Tempo di inattività): tempi inevitabili come la preparazione delle macchine (set-up) e il posizionamento dei pezzi.

La somma dei tempi di lavorazione e di manovra è nota come macchina del tempo e rappresenta il tempo totale trascorso dal pezzo durante le operazioni meccaniche.