In tema di resistenza meccanica e più in dettaglio di carico di rottura in questo post sarà brevemente definita la funzione dei test di rottura nel controllo della qualità strutturale di pressofusi in zama nel corso della produzione. Sarà inoltre descritto lo strumento utilizzato per l’esecuzione di queste prove atte a garantire il rispetto delle specifiche del componente. Di seguito verrà descritta qualche case study relativa all’argomento principale.

Carico di rottura: prova di resistenza a rottura di un pezzo o di un assieme

Come anticipato il carico di rottura è la forza che è necessario applicare ad un pezzo per provocare snervamento e/o rottura e si misura in mega-pascal, indicato con il simbolo MPa, che è la principale unità di misura della pressione, cioè della forza sull’unità di superfice.

Per procedere con questo test si applica la forza in un punto del pezzo, prestabilito e concordato con il cliente, allo scopo di osservare il carico necessario per provocare la sua rottura o il suo snervamento. In questo modo si può testare la quantità di forza necessaria affinché il pezzo posto in esame perda le specifiche proprietà meccaniche, ovvero la capacità del componente di resistere ai carichi esterni e sia, di conseguenza, inutilizzabile.

Per effettuare questo processo è necessaria una macchina specifica per prove di trazione/compressione da laboratorio.

Questa macchina è quindi estremamente importante perché le prove di resistenza a rottura sono tra gli elementi chiave per la verifica funzionale di un prodotto finito. Spesso infatti singoli componenti pressofusi in zama vengono montati in un ambiente o in un assieme che subisce varie sollecitazioni dall’esterno e queste forze, se non opportunamente considerate ed analizzate, potrebbero compromettere uno o più elementi del sistema mettendo a rischio la funzione del prodotto stesso. Un esempio molto chiaro di questo concetto è certamente il gruppo sterzo di un’automobile che subisce sollecitazioni differenti a seguito di diversi conducenti. I singoli elementi ed il sistema devono necessariamente essere in grado di svolgere la propria funzione senza rompersi anche in caso di forze eccessive applicate da conducenti con stili di guida estremi. Perciò il fatto di evitare la compromissione della funzionalità e quello di garantire la corretta resistenza meccanica dei componenti dello sterzo, costituiscono un fattore di sicurezza essenziale per la persona al volante.

Il carico di rottura: prove reali e simulazioni al computer (FEM)

Questo genere di test può anche essere simulato all’interno degli applicativi CAD (FEM) ma come è noto il processo di pressofusione, anche utilizzando la tecnologia del vuoto, non permette lo stampaggio di pezzi a densità teorica del materiale poiché a seguito del ritiro volumetrico durante il raffreddamento all’interno delle zone del pressofuso a massa maggiore si creano micro cavità, chiamate tipicamente “cavità da ritiro”, che potrebbero compromettere le prestazioni del prodotto in termini di resistenza meccanica. Queste variazioni di densità non sono completamente intercettate dai sistemi software di simulazione i quali possono risultare molto utili in fase di progettazione ma che, in termini di produzione, potrebbero mettere in discussione il raggiungimento delle specifiche richieste a causa dei risultati imprecisi rilevati dal programma di simulazione. Per questa ragione è consigliato utilizzare i programmi di simulazione per definire un’idea di realtà, una linea guida per la produzione e poi, direttamente in fonderia, procedere invece con controlli a campione durante lo stampaggio e verificare nel dettaglio ogni singolo aspetto legato alla resistenza meccanica.

Avere un costante controllo in tempo reale sulla produzione, verificando ciclicamente a campione, è quindi fondamentale per verificare se la produzione è conforme alle specifiche del cliente. Il vantaggio di utilizzare questi strumenti di controllo direttamente in produzione comporta quindi un controllo continuo e la capacità in tempo reale di agire per evitare eventuali interruzioni di linea.

In conclusione

Come abbiamo brevemente osservato precedentemente le prove in produzione del carico di rottura non sostituiscono le simulazioni, ma le affiancano con diversi obiettivi. Si tratta di prove importanti, periodiche durante la produzione, per garantire un processo affidabile e conforme alle specifiche.

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La riduzione dei costi nella pressofusione è un’attività che deve essere eseguita senza inficiare la qualità e la funzionalità del componente prodotto. Tutte le attività volte ad aumentare la produttività, diminuire gli scarti e semplificare i processi produttivi sono strategie di riduzione dei costi, così come lo sono le scelte fatte a livello di materiali e di lavorazioni.

Strategie di riduzione dei costi nella pressofusione di zinco

La riduzione dei costi nella pressofusione di zinco può essere attuata a diversi livelli. Lo zinco, infatti, è un metallo versatile che, se lavorato con le giuste tecnologie, permette di risparmiare sia in termini assoluti, riducendo il tempo, l’energia e la quantità di materia prima utilizzati nei processi produttivi, sia relativamente ad altri metalli.

Nella produzione di pressofusi è quindi possibile attuare una riduzione di costi:

• Scegliendo lo zinco al posto di altri metalli o di altre leghe metalliche
• Ottimizzando il processo produttivo
• Progettando processi e componenti assieme al cliente attraverso metodologie di co-design

Vantaggi dello zinco: qualità e caratteristiche chimico-fisiche, temperatura di fusione, economia circolare

Le leghe di zinco comunemente usate nel processo di pressofusione hanno proprietà che le rendono competitive rispetto ad altri metalli. Queste proprietà, di natura chimico-fisica, permettono di ottenere una riduzione dei costi relativa sia ai processi di produzione sia alle fasi successive, come ad esempio quelle di smaltimento e di riciclo. Analizziamole più nel dettaglio.

Qualità e caratteristiche chimico-fisiche

Nel processo di pressofusione sono impiegate diverse leghe di zinco, le più comuni sono Zamak 2, 3 e 5. Queste leghe, per la realizzazione dei diversi prodotti, sono scelte in funzione delle loro proprietà chimico-fisiche. Infatti, a seconda delle percentuali e dei valori relativi dei metalli che contengono assumono diverse caratteristiche che le rendono più o meno adatte alla realizzazione di determinate tipologie di componenti. Se, per esempio, il componente da realizzare è un componente di sicurezza si privilegia la lega in grado di offrire maggiori resistenza ad usura, corrosione e pressione, sopportazione del carico di snervamento e stabilità dimensionale. Nel caso di componenti tecnici, invece, per i quali è spesso importante ottenere dettagli e sottili nervature, la Zamak da preferire sarà quella più fluida, in grado di riversarsi nello stampo con la maggiore uniformità possibile. In questo modo sarà infatti possibile ottenere spessori sottili, determinanti per garantire la funzionalità dei prodotti. Per i prodotti estetici, infine, sono preferibili le qualità di Zamak in grado di assicurare la migliore qualità superficiale e la migliore resa se sottoposte a lavorazioni successive e finiture. È quindi importante conoscere le caratteristiche fisico-chimiche delle diverse leghe di zinco per poter scegliere quella più appropriata alla realizzazione di uno specifico componente. Solo così, infatti, sarà possibile fare una scelta vincente e ottenere, con percentuali di scarto ridotte, pressofusi di qualità e che necessitano di un numero ridotto di finiture e lavorazioni ulteriori.

Per scoprire di più sulle diverse leghe di zinco e su come sfruttare al meglio le loro diverse caratteristiche puoi leggere gli articoli Le migliori leghe di zinco per la pressofusione a camera calda e Composizione della Zamak per pressofusione.

Se invece desideri approfondire i vantaggi dello zinco rispetto ad altri metalli leggi  L’importanza della pressofusione nel settore automobilistico  e Vernici, placcature e altri tipi di rivestimenti superficiali.

Temperatura di fusione

Una proprietà chimico fisica con un grande impatto in termini di riduzione dei costi è il basso punto di fusione della Zamak che ne rende possibile la pressofusione in camera calda. A differenza dell’alluminio, che ha un punto di fusione molto più elevato e che è pressofuso in camera fredda, la zama consente un risparmio energetico dato dalla diversa tecnologia di fusione impiegata. Il vantaggio dato dalla pressofusione in camera calda è ulteriore ed è relativo al tempo: la pressofusione in camera calda è un processo più veloce della pressofusione in camera fredda e ciò consente di aumentare la produttività. Un altro elemento di risparmio, sempre correlato alla temperatura di fusione, è costituito dal fatto che lo stampo, sottoposto a minori temperature, incorre in una minore usura ed ha quindi una vita più lunga, con benefiche ripercussioni soprattutto nel caso della produzione di grandi volumi.

Economia circolare

In questo breve passaggio sulle qualità della zama rispetto ad altri metalli merita di essere ricordata un’ultima proprietà: la riciclabilità. Lo zinco infatti si inscrive nei processi di economia circolare e va quindi incontro alle recenti tendenze di sostenibilità ambientale. La riciclabilità dello zinco non si traduce solo in un vantaggio per il consumatore finale, che può riciclare i propri prodotti ed elettrodomestici, ma è anche un importante fattore di riduzione dei costi per il produttore di pressofusi. Lo zinco infatti, se gli accordi con il cliente lo consentono, può essere rifuso e, in percentuali controllate, reintrodotto nel processo produttivo, con evidenti conseguenze di riduzione dei materiali di scarto e di ottimizzazione dei processi produttivi.

Se desideri leggere di più sulla possibilità di riciclare la zama clicca qui se quello che cerchi è invece un approfondimento sull’economia circolare dello zinco ti consigliamo di leggere l’articolo Pressofusione ed economia circolare: il ruolo dello zinco.

Ottimizzazione del processo produttivo

Non sono solo le proprietà dello zinco come materiale ad essere importanti ai fini della riduzione dei costi nella pressofusione. Anche il processo produttivo con cui il metallo viene lavorato è molto importante. Infatti le tecniche di pressofusione e i macchinari, per essere efficienti, devono essere aggiornati allo sviluppo tecnologico: sono quindi necessarie ricerca e innovazione costanti.

Per un’overview generale su queste tematiche si consiglia di leggere Come migliorare il processo produttivo per l’industria della pressofusione.

Automazione e tempo ciclo

Un importante passo in direzione di riduzione dei costi è, ad esempio, l’introduzione di automazione nei processi produttivi. L’automazione rende infatti il sistema più efficiente diminuendo la percentuale di scarti e consentendo agli operatori a bordo macchina di dedicarsi ad attività a maggior valore aggiunto.

L’acquisizione di automazione è poi strettamente correlata alla capacità di aggiornare ed implementare il parco macchine. Grazie all’acquisto di nuove macchine, infatti, attività prima manuali diventano meccaniche facendo sì che lead time, tempo ciclo e percentuale di scarto diminuiscano a fronte di un aumento di produttività. Il tempo ciclo, in particolare, è molto importante in relazione alle strategie di riduzione dei costi, diminuire il tempo ciclo vuol dire infatti incrementare l’OEE, l’indice di rendimento produttivo dello stabilimento, e di conseguenza la produzione. Nel settore specifico della pressofusione in camera calda, inoltre, la diminuzione del tempo di ciclo rappresenta un’ulteriore opportunità di risparmio perché, in un tempo ciclo ridotto, aumenta la potenza termica che il materiale fuso apporta allo stampo con una diminuzione dei fronti freddi e dei difetti correlati.

Per approfondire gli apporti dell’automazione al processo produttivo leggi L’importanza dell’automazione per migliorare il processo produttivo; per scoprire di più sul tempo ciclo e sulla sua ottimizzazione si consiglia invece di leggere l’articolo Riduzione dei costi tramite l’ottimizzazione del tempo ciclo.

Simulazione

Un’ulteriore strategia per ottimizzare il processo produttivo è quella di ricorrere a software di simulazione che consentano di prevedere quanto avverrà durante il processo di pressofusione. La simulazione è un utile strumento per prevenire problemi, errori e difetti durante lo stampaggio dei pressofusi ed è, inoltre, un fondamentale ausilio in fase di progettazione, prototipazione e test.

Puoi trovare un approfondimento sui vantaggi apportati dalla simulazione nella pressofusione di zinco cliccando qui.

Certificazioni qualitative

Una garanzia dell’ottimizzazione del processo produttivo e della conseguente riduzione dei costi è l’ottenimento di certificazioni di qualità. Smeta 4 Pillars, ad esempio, è una certificazione di standard qualitativi, gestione ambientale, integrità aziendale, salute e sicurezza con importanti ripercussioni a livello di riduzione dei costi. Smeta 4 Pillars infatti, attraverso la condivisione di approcci standardizzati, migliora e uniforma il processo produttivo proteggendo la brand reputation e garantendo una filiera etica.

Co-design

Il co-design consiste in una serie di attività che hanno come obiettivo l’aumento del valore del prodotto e il suo miglioramento in termini di qualità ed efficienza. Spesso queste attività non si traducono in un aumento dei costi di produzione ma, al contrario, risultano in una diminuzione di prezzo. Già in fase di progettazione, infatti, attraverso il co-design, è possibile concordare con il cliente riduzioni di peso, eliminazione di lavorazioni secondarie, ottimizzazioni dello stampo e una serie di altre azioni che si traducono direttamente in una notevole riduzione dei costi. Ottenere un disegno già ottimizzato per la mass production permette così al cliente di avere un prodotto finale in linea con le attese e con meno rischi e scarti. Come ulteriore garanzia di riduzione dei costi in fase di co-design è possibile fare analisi di valore VA/VE  ed ottimizzare il DFM. Le analisi di valore VA/VE sono un sistema di risoluzione dei problemi che permette di identificare efficacemente i costi superflui rendendone possibile una riduzione mentre il DEF, Design for Manufacturability, è uno studio di fattibilità in cui si valuta il design di un prodotto e in cui si propongono adattamenti, trattamenti particolari e modifiche strutturali che rendono possibile ottimizzarne la produzione.

Per una trattazione di più ampio respiro sul co-design si suggerisce di leggere l’articolo Design del prodotto per la pressofusione.

I metodi per realizzare riduzione dei costi nella pressofusione di zinco ed ottimizzare processi e prodotti non si esauriscono qui. Dalla lettura di questo articolo dovrebbero però essere emersi quelli che sono solo alcuni, ma evidenti, vantaggi.

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Con il termine automazione si definisce l’introduzione, in un’azienda manifatturiera, di strumenti e processi atti a ridurre e/o eliminare operazioni meccaniche svolte manualmente da operatori. Infatti, il principale beneficio che l’automazione apporta è la riduzione del carico di lavoro degli operatori, che di conseguenza genera ulteriori vantaggi quali lead time ridotto, abbattimento dei costi e raggiungimento degli standard qualitativi richiesti dai clienti. L’automazione può quindi contribuire al miglioramento del processo produttivo, ottimizzando accuratezza, precisione, produttività e uniformità degli output.

CASE STUDY

In Bruschi siamo sempre alla ricerca di soluzioni innovative da adottare per ottimizzare il processo produttivo. Allo scopo di raggiungere questo obiettivo, il reparto produzione ha sviluppato un progetto di riduzione del carico di lavoro dell’operatore attraverso l’introduzione dell’automazione. Questo progetto riguarda due particolari componenti prodotti per un cliente del settore dei piccoli elettrodomestici e ha ottenuto eccellenti risultati in termini di riduzione delle attività manuali e aumento della produttività.

Per definire i due prodotti da efficientare tra quelli disponibili, è stata effettuata un’analisi con il supporto del diagramma di Pareto. Dall’analisi sono emersi i seguenti risultati:

• Il 20% del volume prodotto è realizzato dal 0,05% degli articoli
• Il 60% del volume prodotto è realizzato dal 17% degli articoli
• Il 20% del volume prodotto è realizzato dall’82,95% degli articoli

I risultati evidenziano che lo 0,05% degli articoli genera il 20% del volume prodotto in Bruschi: questi componenti vengono perciò definiti prodotti runner. La presenza di un ridotto numero di articoli che realizza una percentuale così consistente del volume totale consente l’introduzione in produzione di un’automazione dedicata, senza che quest’ultima causi una riduzione della flessibilità produttiva.

Definizione delle fasi

Dopo aver selezionato i componenti è possibile definire le diverse fasi del progetto. La gestione del processo iterativo di miglioramento è infatti scomposta in quattro fasi, in riferimento al ciclo PDCA o ciclo Deming:

• Fase 1 – PLAN
Definizione del problema, individuazione delle cause ed ipotesi azioni correttive per
raggiungere gli obiettivi previsti.
• Fase 2 – DO
Implementazione azioni correttive previste al punto 1.
• Fase 3 – CHECK
Raccolta dati e controllo. Confronto tra risultati attesi e risultati riscontrati.
• Fase 4 – ACT
Implementazione delle azioni correttive emerse dall’analisi dati prevista al punto 3.

Le quattro fasi del ciclo PDCA sono state pianificate utilizzando il seguente diagramma di Gantt:

Fase 1 – PLAN

La prima fase ha inizio con la definizione del problema: una condizione di disallineamento tra capacità produttiva e richiesta del cliente, con ipotesi di stampaggio dei due componenti sulla stessa pressa, causato dallo stato di saturazione dell’impianto produttivo. Di conseguenza, il problema non può essere risolto stampando i due componenti su due differenti macchine per la pressofusione: risulta infatti necessario ottimizzare il processo di produzione dei componenti.
L’individuazione della causa radice passa attraverso lo studio e la definizione della durata media delle singole attività, manuali dell’operatore e meccaniche della pressa:

• Stampaggio – operazione automatica gestita dalla pressa
• Prelievo stampata e deposito su tavolo – operazione automatica gestita dal robot antropomorfo
• Separazione masse di scarico e rilavorazione – operazioni manuali gestite dall’operatore
• Attività ausiliarie – operazioni manuali gestite dall’operatore

Una volta calcolati i tempi medi di ogni singola attività, il miglioramento si focalizza su quelle che possono apportare maggiori benefici, ovvero quelle che impiegano l’operatore per un periodo di tempo maggiore. Le attività manuali selezionate sono rilavorazione, separazione grezzo-scarto, e alimentazione pressa: queste impegnano l’operatore per il 97% del suo tempo.

Il secondo step concerne la classificazione delle operazioni in funzione del valore aggiunto che apportano al cliente:

• VA = 0 % – Attività necessaria a valore aggiunto: riconosciuta, quindi pagata dal cliente
• NVA = 3 % – Attività non necessaria e non a valore aggiunto: non riconosciuta, quindi non pagata dal cliente
• NNVA = 97% – Attività necessaria e non a valore aggiunto: non riconosciuta, quindi non pagata dal cliente

Le prime attività da prendere in considerazione e da eliminare sono le attività NVA, poiché si tratta di attività che non apportano valore e il cliente non le conosce. In secondo luogo le attività da efficientare sono quelle NNVA, poiché le VA possono essere migliorate, ma solamente con un margine ridotto.

Fase 2 – DO

Una volta individuate le operazioni da efficientare è necessario effettuare un’analisi costi-benefici al fine di individuare la soluzione migliore tra esternalizzazione o efficientamento interno attraverso automazione. Entrambe le soluzioni sono state implementate:

• Esternalizzazione pari al 50% delle attività manuali
• Riduzione pari al 45% delle attività manuali, attraverso l’introduzione di automazione che effettua la separazione automatica dei pezzi dal canale di colata e la rifusione automatica del canale di colata

Fase 3 – CHECK

La terza fase del progetto ha riguardato raccolta e controllo dati, con confronto tra risultati attesi e risultati ottenuti. Il periodo di osservazione a seguito delle azioni correttive è stato di 240 ore lavorative. Per valutare l’efficacia dell’intervento sono stati presi in considerazione tre KPI (Key Performace Indicators) numerici:

1. OEE – Overall Equipment Effectiveness
2. Durata media attività manuali
3. Tonnellate di zama rifuse a bordo macchina

I dati emersi dal confronto degli indicatori prima e dopo l’intervento hanno riportato un +33% di OEE e un -95% delle attività svolte manualmente, con una completa rifusione del materiale di scarto.

Fase 4 – ACT

Durante la fase 4 non è stato effettuato alcun intervento poiché dall’analisi dei KPI non sono emerse anomalie.

BENEFICI CONSEGUITI

Il progetto ha apportato molteplici benefici, sia diretti che indiretti.

Benefici diretti:
• +33% OEE
• -95% attività manuali
• Completa rifusione scarto bordo macchina

Benefici indiretti:
• Aumento della soddisfazione del cliente. Lead time rispettati e ridotti grazie all’aumento di capacità produttiva, al miglioramento qualitativo superficiale del pezzo e alla stabilizzazione dei processi di separazione canale-pezzo e di rilavorazione
• Risparmio energetico associato alla fusione immediata della materia prima
• Riduzione degli sprechi di movimentazione associati all’annullamento di spostamento dello scarto

Da questo case study risulta evidente l’importanza dell’automazione in un sistema produttivo efficiente e avanzato: attraverso l’introduzione di sistemi automatici è stato infatti possibile soddisfare gli standard quantitativi e qualitativi richiesti dal cliente, rispettando al contempo le deadline stabilite.

Se desideri approfondire le tue conoscenze sui metodi di ottimizzazione del processo produttivo, ecco ulteriori post sull’argomento:
• Come migliorare il processo produttivo per l’industria della pressofusione
• Ottimizzazione del processo di pressofusione: sistema di alimentazione

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Come ottimizzare il processo produttivo

Il potenziamento del processo produttivo può essere sviluppato attraverso un piano d’azione ben definito, che tenga in considerazione la complessità di elementi che caratterizza il dipartimento di produzione. La produzione è infatti composta non solo da macchinari, ma anche da design di prodotto, tecnologie, operatori e attività di pianificazione, per citare alcuni dei componenti più importanti di questo articolato sistema. Per ottimizzare il processo produttivo risulta quindi necessario assumere una visione d’insieme di tutti questi elementi e delle loro variabili, allo scopo di implementare una strategia che sia funzionale su molteplici aspetti.

Di conseguenza, il primo step da compiere è la definizione degli strumenti e delle azioni di modifica che possono contribuire al miglioramento delle diverse fasi della produzione. In Bruschi il piano di potenziamento del processo produttivo è costituito da quattro elementi centrali:

• Automazione
• Simulazione
• Riduzione degli scarti
• Tempo ciclo

1. Automazione

L’introduzione in un sistema produttivo di macchine automatizzate dotate di tecnologie altamente innovative apporta rilevanti benefici in termini di lead time ridotto, abbattimento dei costi e conseguimento degli standard di qualità richiesti dai clienti. La sostituzione di lavorazioni manuali con sistemi automatizzati permette, infatti, di ottenere una maggiore velocità di processo, ottimizzando di conseguenza l’intero lead time. Inoltre, l’automazione comporta una probabilità di errore ridotta rispetto alla lavorazione di un pezzo da parte dell’operatore.

Questo si traduce in una significativa riduzione dei costi di produzione, che è ulteriormente incrementata grazie al risparmio di energia e materiali che l’automazione apporta. L’inserimento di macchine automatizzate nel dipartimento di produzione genera anche un ulteriore vantaggio, che permette di ottimizzare anche il controllo qualità. Infatti, gli operatori che precedentemente eseguivano operazioni manuali sul componente possono, grazie all’automazione, occuparsi di altre attività aventi un maggior valore aggiunto, come il controllo qualità.

Un progetto di ottimizzazione del processo produttivo di un particolare componente, prodotta per un cliente del settore dei piccoli elettrodomestici, ha ottenuto eccellenti risultati in termini di aumento della produttività e riduzione delle attività manuali svolte dagli operatori. Il progetto di ottimizzazione è stato sviluppato per risolvere una situazione di disallineamento di capacità produttiva e richieste del cliente. Attraverso l’introduzione di sistemi automatizzati è stato possibile ridurre questo gap, ottenendo un tempo ciclo ottimizzato. Queste modifiche al processo produttivo hanno apportato benefici significativi: l’aumento del 33% della capacità produttiva e la riduzione delle attività manuali svolte dagli operatori per una percentuale superiore al -95%.

2. Simulazione

La simulazione del processo di pressofusione rappresenta un altro elemento che può contribuire al raggiungimento di un processo produttivo più efficace: grazie infatti all’utilizzo di software di simulazione gli ingegneri possono prevedere le reazioni del materiale all’interno dello stampo. Questo processo è possibile grazie ad un’analisi termo-fluidodinamica dello stampo, nota come CFD simulation (Computational Fluid Dynamics), che permette di localizzare preventivamente potenziali difetti, come porosità, giunzioni fredde e presenza d’aria nel pressofuso.

La fase di simulazione si dimostra quindi particolarmente utile per ottenere una geometria dello stampo ottimizzata prima di iniziare con il processo di produzione. Durante questa fase è infatti possibile selezionare i migliori parametri da applicare per la forma dello stampo, in modo da evitare anticipatamente difetti sul pezzo e di conseguenza ridurre i costi di produzione e lavorazioni meccaniche aggiuntive.

Se desideri informazioni più dettagliate sulla simulazione, ecco altri post sull’argomento:

• I vantaggi della simulazione HPDC nella pressofusione
• Simulazione per pressofusione: qualità superficiale nel settore automobilistico
• Simulazione per pressofusione: conservazione dello stampo e ottimizzazione dei parametri
• Simulazione per pressofusione: studio della porosità da ritiro

3. Riduzione degli scarti

Una progressiva riduzione degli scarti di lavorazione può essere ottenuta attraverso un’accurata pianificazione dell’intero processo produttivo. Innanzitutto è necessaria un’analisi del prodotto e del processo che si concentri sulle cause dello scarto. Per identificare queste cause gli ingegneri devono servirsi di software di simulazione per prevedere tutte le fasi della produzione, dal design ai trattamenti di finitura. La simulazione si dimostra nuovamente uno strumento indispensabile per l’ottimizzazione dei processi produttivi di pressofusione di zinco, poiché permette di evitare difetti e di controllare proprietà tecniche prima di iniziare con la produzione del pezzo, generando così una consistente riduzione dei costi e del lead time. Una volta individuate le principali cause dello scarto si procede alla definizione delle possibili soluzioni da applicare, localizzando i passaggi di maggior rilevanza nel processo produttivo e monitorandoli costantemente.

Per ulteriori informazioni sulla riduzione degli scarti clicca sul post qui sotto:

• Simulazione per pressofusione: studio per la riduzione degli scarti

4. Tempo ciclo

L’espressione tempo ciclo definisce il periodo di tempo richiesto per sviluppare la produzione di un componente. Il tempo ciclo rappresenta una variabile centrale nella produzione di un componente perché un tempo ciclo ridotto si traduce in un ridotto lead time, cioè il periodo di tempo necessario per soddisfare la richiesta di un cliente in termini di offerta. Un lead time ottimizzato genera incremento nella soddisfazione del cliente, poiché permette al fornitore di rispettare le deadline e gli standard ricercati dal cliente. Di conseguenza, per garantire un servizio rapido ed efficiente tempo ciclo e lead time devono essere ottimizzati il più possibile. Il tempo ciclo può essere ridotto prestando attenzione a diversi aspetti del processo produttivo, in particolare alla fase di simulazione e ai sistemi tecnologici del dipartimento di produzione. Innanzitutto, come precedentemente illustrato, è importante simulare le fasi di produzione e definire i parametri più adeguati da applicare per il processo di produzione. In questo modo possibili difetti sul pressofuso possono essere evitati sin dall’inizio e, di conseguenza, sarà possibile eliminare ulteriori operazioni meccaniche. Un altro elemento centrale per la riduzione del tempo ciclo è il sistema tecnologico della fonderia, il cui livello di innovazione tecnologica può apportare notevoli riduzioni nei tempi di produzione. Infatti, macchinari automatizzati permettono di ottenere tempi ciclo più rapidi e operazioni più accurate, variabili che risultano discriminanti nel raggiungimento delle performance ricercate dai clienti. Inoltre, controlli periodici dei macchinari aiutano a comprendere come il tempo ciclo può essere ulteriormente migliorato.

Per informazioni dettagliate sul tempo ciclo clicca sul post qui sotto:

• Riduzione dei costi tramite l’ottimizzazione del tempo ciclo

Perché ottimizzare il processo produttivo è fondamentale per un business

L’ottimizzazione del processo produttivo è un elemento decisivo nella gestione di un business perché consente di ridurre i costi di produzione e di ottenere un processo produttivo più rapido. Al fine di conseguire questi benefici è quindi necessario introdurre nel proprio sistema di produzione tecnologie automatizzate e software di simulazione, e ottimizzare la riduzione degli scarti e il tempo ciclo. Con la definizione di un preciso piano di ottimizzazione il lead time potrà essere ridotto e di conseguenza si potrà assistere a un incremento della soddisfazione del cliente.
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Il peso delle componenti gioca un ruolo importante nella produzione di qualunque prodotto – basti pensare al risparmio in termini di costi di spedizione –  ma è nel settore automobilistico che si rivela determinante. Il peso delle automobili cala di anno in anno, nonostante l’aumento dei comfort a bordo: il peso medio di una berlina al giorno d’oggi è circa 1300 chilogrammi, contro gli oltre 2000 chili dei modelli di 30 anni fa. L’utilizzo di componenti più leggere permette infatti forti riduzioni del peso e quindi del consumo, oltre ad avere ripercussioni sul funzionamento di determinate parti, come ad esempio le portiere o i tettucci apribili.

Per questo è sempre più importante riuscire a progettare delle componenti che siano sì più leggere, ma comunque funzionali. In quest’ambito la collaborazione tra fornitore e produttore è fondamentale: questo processo collaborativo già nella fase di progettazione viene detto co-design. Il co-design permette di applicare le conoscenze tecniche del fornitore già in fase di progettazione, tramite studi preliminari e l’applicazione di tecniche consolidate per il miglioramento strutturale.

Vantaggi dell’alleggerimento mirato

Durante la fase di progettazione è spesso possibile individuare dei punti in cui lo spessore elevato causerebbe un inutile aumento del costo di produzione del pezzo: per questo è necessario procedere ad un’ottimizzazione delle forme attraverso l’uso di software di simulazione, che permette in alcuni casi una riduzione della massa fino al 30-40%.

Il metodo più efficace ed utilizzato per l’alleggerimento mirato è uno studio del prodotto e l’applicazione di nervature strategiche di rinforzo. Queste nervature dovranno essere progettate mantenendo le giuste proporzioni per evitare di sovraccaricare i punti di giunzione, in modo da resistere a sollecitazioni elevate e, attraverso l’uso di angoli arrotondati, assecondare le posizioni delle linee di sformatura permettendo così di creare pareti più sottili.

Oltre alla riduzione di peso, i vantaggi insiti nell’uso di pareti più sottili sono molteplici:

• Riduzione di porosità e depressioni:
  Nei pressofusi le pareti spesse tendono ad esser soggette ad una maggiore porosità, a causa della riduzione di volume data dal raffreddamento del materiale, che genera tensioni molecolari durante la fase di trasformazione conducendo il fluido verso la parte già solidificata, causando porosità interne caratteristiche per la loro forma irregolare e frastagliata;
• Scambio termico migliorato:
  Una maggiore area superficiale permette di ottenere raffreddamenti più rapidi e uno scambio termico più efficiente;
• Aumento della resistenza:
  In alcuni casi un cambio strutturale finalizzato ad un alleggerimento può anche portare ad un aumento della resistenza, grazie ad una più equa distribuzione delle forze;
• Riduzione dei costi di produzione;

Studio dell’alleggerimento tramite co-design: l’analisi FEM

Strumento fondamentale nella progettazione degli alleggerimenti strutturali è un software di analisi FEM (Finite Element Method), che permette di calcolare il comportamento strutturale di un sistema. In particolare, questo tipo di analisi viene utilizzata per simulare la resistenza di un oggetto posto sotto sforzo da un determinato carico in un determinato punto. Come per altre simulazioni, sarà necessario formare una mesh che identificherà i nodi, ovvero i punti di connessione, e gli elementi di carico  e fissaggio.

Nel posizionare i nodi sulla struttura bisogna assicurarsi che il loro numero sia sufficiente a descrivere la geometria del pezzo e che siano posti in corrispondenza di punti in cui sono applicati carichi concentrati o masse nodali. Inoltre è possibile collocare dei nodi in punti di cui si vogliono conoscere gli spostamenti e le sollecitazioni interne. Infine, è bene accertarsi che la mesh sia sufficientemente fitta per cogliere le variazioni di sforzo o di spostamento nelle regioni importanti ai fini dell’analisi.

Sarà quindi possibile simulare diversi tipi di forze:

• Forza rotante
• Forza di pressione
• Forza di carico
• Forza di trazione

In una situazione di co-design è quindi fondamentale che il cliente fornisca tutti i dettagli riguardanti l’uso del componente richiesto, soprattutto in termini di sforzi a cui esso viene sottoposto, temperature estreme o altre condizioni eccezionali di cui tenere conto. Attraverso questo procedimento si otterrà una mappatura delle zone sotto sforzo per ogni punto, permettendo quindi di identificare le aree di criticità, siano esse eccessivamente spesse o, al contrario, a rischio rottura.

Tecniche per la riduzione del peso

A seguito dell’identificazione delle zone problematiche, il designer può procedere attraverso la simulazione alla modifica della struttura. Per ovviare alla perdita di resistenza causata dall’assottigliamento delle pareti, saranno necessari altri interventi di rinforzo strutturale: è possibile ad esempio modificare i raccordi attraverso un ispessimento mirato degli angoli soggetti a fragilità, modificare l’inclinazione delle pareti per ottimizzare la distribuzione delle forze, applicare una croce di rinforzo oppure una nervatura a T. Altre volte è la riduzione di peso stessa a contribuire all’incremento della robustezza del pezzo, poiché le concavità prodotte possono generare una migliore distribuzione delle forze.

L’alleggerimento passa anche attraverso la scelta del materiale, più specificamente della lega che si decide di utilizzare. Solitamente si prediligono composti con una bassa densità, come la ZAMA 8, che contiene l’8,4% di alluminio risultando quindi più leggera, più resistente ed elastica rispetto alla ZAMA 5 che rimane tuttavia la più utilizzata, grazie anche alla sua elevata tolleranza delle precisioni e flessibilità nel processo produttivo.

In conclusione, l’alleggerimento mirato studiato tramite un’attività di co-design può portare diversi vantaggi sia di tipo economico che funzionale ai produttori, vantaggi di cui beneficiano anche gli utenti finali, migliorando l’esperienza d’uso e riducendo talvolta i costi di spedizione o – nel caso delle automobili – di mantenimento.

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Il sistema di collegamento tra pistone e attacco di colata si compone di due elementi principali: il diffusore ed il canale di colata. La loro struttura e dimensione ha un impatto fondamentale sulla modalità di riempimento, poiché forme diverse possono garantire risultati differenti oltre a permettere di ridurre il rischio di difettosità nel pressofuso.

Posizione dei canali di colata

Per definire la posizione ideale dell’attacco di colata è necessario tenere conto del fatto che il metallo liquido deve percorrere una distanza il più breve possibile in modo da ridurre il rischio di raffreddamento precoce. Per questo motivo solitamente si cerca di dirigere il flusso seguendo la direzione del lato minore della cavità o di sfruttare la presenza di nervature e aperture per facilitare il riempimento dello stampo. In caso di molteplici attacchi di colata, è importante che la direzione dei flussi non sia convergente, poiché in quel caso si avrebbe una perdita di energia e la formazione di turbolenze e bolle d’aria: è quindi buona norma posizionare i canali di colata in modo da ottenere flussi paralleli o divergenti.

La posizione dei canali di colata è inoltre fondamentale per controllare la distribuzione della porosità da ritiro: per ottenere una porosità dispersa e omogenea l’attacco dovrà essere posizionato in corrispondenza delle parti più fini del getto, mentre per ottenere una riduzione della porosità in una zona massiva, l’attacco dovrà essere posizionato in prossimità dello spessore più elevato del pressofuso.

Inoltre, il flusso deve essere diretto verso quelle zone che hanno i maggiori requisiti dal punto di vista qualitativo: in particolare, per ottenere una buona qualità superficiale il flusso deve essere il più diretto possibile. Questi accorgimenti portano ad un maggiore controllo di fenomeni come la porosità da ritiro, permettendo l’ottimizzazione del processo di pressofusione.

Disegno e dimensione dei canali di colata

Un altro elemento importante da considerare per l’ottimizzazione del processo di pressofusione è la forma dei canali di colata. Solitamente la forma più utilizzata è quella trapezoidale, ma per alcune leghe con alta tolleranza, come ad esempio la Zama, si possono utilizzare anche canali a sezione circolare: questa forma permette una minore dissipazione energetica del flusso, mantenendone quindi anche il calore.

Tra i punti di criticità nella progettazione dei canali di canali di colata ci sono la presenza di spigoli vivi e discontinuità nelle deviazioni di flusso, che andrebbero evitati per impedire la formazione di turbolenze. Se si lavora con matrici composte è importante anche prestare attenzione ad errori di costruzione e montaggio, poiché si rischia di creare strozzamenti e scalini che comprometterebbero il passaggio del flusso. Questo tipo di errore può essere risolto in attrezzeria, permettendo un ripristino della funzionalità originale dello stampo.

Durante la progettazione bisogna tenere a mente il rapporto tra la sezione del canale e l’attacco di colata, ma non esiste una regola universale: la scelta dipende dal risultato che si vuole ottenere. Canali più piccoli permettono un risparmio energetico e di materiale, ma richiedono una maggiore potenza del sistema di iniezione e sono maggiormente soggetti a solidificazione precoce. I canali più grandi invece richiedono più materiale ed energia, ma hanno una maggiore efficienza idraulica e portano un maggior apporto termico allo stampo. Di conseguenza, richiedono un tempo di solidificazione maggiore che potrebbe impattare negativamente sui tempi ciclo. La scelta della dimensione dei canali avrà quindi un grande impatto sulla produzione, ed è un passo importante nell’ottimizzazione del processo di pressofusione.

Le sezioni dei canali dovranno inoltre essere decrescenti attraverso tutta la loro lunghezza, e questo vale anche in caso di biforcazioni: la sezione in entrata deve essere uguale o maggiore a quella in uscita. In caso di biforcazioni che portino il metallo a due attacchi di colata uguali tra loro in sezione, anche i rami uscenti dovranno essere uguali tra loro, con una somma minore o uguale al ramo di entrata.

Inoltre, è importante che il volume dei canali permetta che il materiale arrivi contemporaneamente a tutti gli attacchi di colata, ed è per questo che anche la loro lunghezza deve essere costante.

Per permettere al flusso di essere distribuito equamente in tutte le cavità, è necessario collegare il canale di colata all’attacco tramite l’uso di un diffusore.

Il diffusore

Il diffusore è quel raccordo necessario per passare dalla sezione quadra del canale di colata a quella sottile dell’attacco di colata. Esistono diversi tipi di diffusore ed ognuno ha vantaggi diversi, ma le funzioni principali rimangono due: rendere il passaggio tra canale e attacco più graduale, in modo da contrastare la tendenza del metallo a staccarsi dalle pareti, e indirizzare il flusso del metallo. Entrambe le funzioni sono fondamentali per l’ottimizzazione del processo di pressofusione, poiché, a seconda del modello di diffusore scelto, i risultati ottenuti possono essere molto differenti.

I modelli di diffusori più utilizzati sono quello a ventaglio e quello tangenziale:

• Il diffusore a ventaglio produce un flusso stretto con velocità maggiore al centro. Per questo motivo si adatta meglio ad attacchi corti e spessi, è ideale per angoli di apertura ridotti;
• Il diffusore tangenziale produce un flusso più allargato, con velocità maggiore agli estremi. Per questo è più adatto ad attacchi lunghi e sottili e permette di ottenere angoli di apertura elevati;

Indipendentemente dal modello di diffusore scelto, l’andamento della sezione deve decrescere linearmente dal canale verso l’attacco. Questo significa che non basta utilizzare un diffusore trapezoidale, ma sarà necessaria una curvatura della superficie della base o, in alternativa, dei fianchi.

Vantaggi e svantaggi del diffusore diritto

Con diffusore diritto si intende un diffusore con base trapezoidale diritta e fianchi curvi. Il principale vantaggio di questo tipo di diffusore è che l’angolo di apertura è pari alla semi apertura del diffusore, rendendo facile la smaterozzatura, mentre il principale svantaggio è la tendenza a far lavorare l’attacco a freddo. Inoltre nel riempimento effettuato utilizzando questo tipo di diffusore il fronte di avanzamento è più stretto e il metallo tende a staccarsi dalle pareti.

Vantaggi e svantaggi del diffusore curvo

Il diffusore curvo è un diffusore con fianchi diritti e base curva. È ideale in quei casi in cui è necessario alimentare maggiormente i lati, ma l’angolo di apertura è difficile da calcolare. Inoltre porta alla formazione di piccole parti che richiedono un intervento di smaterozzatura.  Il flusso generato da questo tipo di diffusore ha una velocità maggiore nel centro dell’attacco ed il metallo tende ad aderire alle pareti.

Anche in questo caso il tipo di diffusore scelto dipende dal risultato che si desidera ottenere, dalla potenza dei macchinari di iniezione e da altre condizioni di contorno. Permettendo un migliore controllo del flusso del metallo e riducendo il rischio di formazione di intrappolamenti di aria, il diffusore è uno strumento fondamentale per l’ottimizzazione del processo di pressofusione.

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In questo post parleremo della struttura del tempo ciclo e di come la sua ottimizzazione possa portare numerosi vantaggi per l’azienda.

I cicli standard

Nella pressofusione si parla di tempo ciclo per indicare l’intervallo di tempo che intercorre tra l’inizio di un ciclo di iniezione e il successivo.  Esso viene calcolato attraverso una sommatoria dei tempi parziali del processo di pressofusione. Un ciclo standard è composto infatti da diverse fasi:

• Tempi di iniezione:
  Il pistone percorre un percorso ad una velocità di 1° fase, in cui il materiale viene portato fino all’ugello; viene successivamente accelerato dall’espansione dell’azoto nell’accumulatore per raggiungere la velocità di 2° fase, in cui la cavità viene riempita.
• Tempi tecnici di stampaggio:
  Comprendono le fasi di compattamento e raffreddamento materiale, coprendo quindi il passaggio del metallo dallo stato liquido a quello solido. Il compattamento avviene per compensare il ritiro volumetrico che viene generato dalla transizione di fase.
• Tempi movimento stampo/lubrificazione:
  Includono apertura e chiusura dello stampo, il movimento degli estrattori in avanzamento e ritorno e la lubrificazione dello stampo che può essere manuale, tramite cartesiano o ugelli fissi.
• Tempi di controllo-opzionali:
  Sono variabili in funzione del sistema di svincolamento pezzo utilizzato. In caso di prelievo da parte di un robot sarà infatti consigliabile un controllo della stampata tramite fotocellula, mentre in un sistema a caduta su bilancia sarà necessario tarare lo strumento con il peso previsto in modo da rilevare la presenza di pezzi nello stampo.

A valle del ciclo di stampaggio, sono necessarie operazioni di smaterozzatura e, per prodotti critici, di rifinitura. Alcune di queste operazioni possono essere eseguite manualmente da un operatore sulla postazione, mentre altre, come ad esempio la filettatura, richiedono l’invio del grezzo ad aziende esterne.

Alternativamente è possibile integrare la produzione con un sistema di automazione a bordo macchina. Tramite macchinari automatizzati che si occupano di rimuovere la materozza è possibile effettuare saving sulle ore uomo, che potranno essere spese per esempio in attività Kaizen.

Un ulteriore efficientamento è possibile tramite l’automatizzazione e l’integrazione a bordo pressa di lavorazioni di precisione come la filettatura, che riducono i tempi di transito del WIP all’interno dello stabilimento. Grazie all’impiego di macchinari integrati allo stampaggio in grado di svolgere lavorazioni complesse è possibile ridurre i lead time ed andare incontro alle esigenze del cliente in modo più agile.

Il tempo necessario a svolgere l’intero ciclo dell’automazione va quindi ad unirsi o sovrapporsi al tempo ciclo di stampaggio, componendo il tempo ciclo standard del codice prodotto.

Misurare le performance aziendali

Per quantificare il rendimento di un’industria, è possibile fare riferimento a 2 indici:

– il primo è l’OEE (Overall Equipment Effectiveness), un indice percentuale ricavato dal prodotto di disponibilità, efficienza e qualità. L’indice fa riferimento al rendimento produttivo dello stabilimento;

– il secondo è l’OTIF (On time in full) che quantifica in punti percentuali le capacità logistiche dell’azienda di inviare la quantità richiesta di prodotti entro i tempi accordati.

L’ottimizzazione dei tempi di ciclo incrementa l’indice OEE aumentando l’indice di efficienza. Inoltre, grazie alla riduzione dei tempi produttivi, aumentano le ore macchina libere, consentendo all’azienda di evadere un maggior numero di ordini senza variare le ore di apertura impianto.

Come visto precedentemente, l’indice OEE si compone di 3 fattori:

• La disponibilità, ovvero il rapporto tra ore macchina lavorate e ore macchina disponibili;
• L’efficienza, ovvero il rapporto tra pezzi prodotti e pezzi producibili;
• La qualità, ovvero il rapporto tra pezzi conformi e pezzi prodotti.

Spesso il miglioramento dei tempi di ciclo nella pressofusione ha un impatto anche sulla qualità dei getti. Una riduzione dei tempi comporta un maggior numero di iniezioni/ora, incrementando la potenza termica che il materiale fuso apporta allo stampo. In questo modo incrementa a sua volta la qualità superficiale del getto, poiché diminuisce il numero di fronti freddi che generano frastagliature sulla superficie.

I vantaggi offerti da azione di ottimizzazione sono quindi molteplici e in grado di migliorare l’intera produzione. Vediamo ora più nel dettaglio alcune strategie per il miglioramento del ciclo produttivo.

Come effettuare un’ottimizzazione del tempo ciclo su stampi con automazione

Il primo passo è definire se intervenire sui tempi di stampaggio o sui tempi di automazione. In un ciclo produttivo ideale i due tempi coincidono, cioè i processi sono parallelizzati e non vi sono colli di bottiglia.

Per definire la priorità di intervento si può utilizzare il cosiddetto diagramma di Pareto dei tempi parziali: il diagramma di Pareto è composto da un istogramma della distribuzione percentuale di un fenomeno, ordinato in senso decrescente e permette di identificare visivamente i fattori principali. Dopo lo studio del grafico sarà possibile individuare i punti da ottimizzare: prediligeremo infatti i fattori ad impatto maggiore.

Una volta redatto il grafico, si effettua una separazione tra tempi indipendenti e tempi mascherati.

Con tempi indipendenti si indicano azioni concatenate, che avvengono in sequenza l’una con l’altra. La riduzione di un tempo indipendente comporta ad una riduzione immediata del tempo ciclo.

I tempi mascherati invece definiscono azioni che avvengono in parallelo ad altre azioni; la riduzione di un tempo mascherato senza la riduzione del suo parallelo non porta a variazioni sul tempo ciclo.

Intervenire sui tempi indipendenti: esempio automazione con prelievo tramite robot

Una volta definito di ridurre i tempi dell’automazione, si procede filmando l’intero ciclo del robot, cioè dal prelievo in macchina al deposito. Grazie a queste riprese, sarà possibile stilare un elenco accurato dei movimenti e delle operazioni effettuate con la loro durata. Partendo da questi dati si potrà decidere se intervenire ottimizzando la velocità dei movimenti o modificandone la traiettoria.

I movimenti che un robot di prelievo stampata effettua in un ciclo di lavoro sono: allineamento alle colonne, entrata nell’ingombro pressa, prelievo della stampata, uscita da ingombro pressa, passaggio al punto di controllo e deposito.
Prima di procedere all’ottimizzazione effettiva, vengono effettuate simulazioni che permettono di formulare delle ipotesi di tempo ciclo, per poi decidere come intervenire: talvolta è sufficiente modificare la velocità di movimento, altre volte sarà invece necessario eliminare movimenti superflui.

Intervenire sullo stampaggio 

Lavorare all’ottimizzazione dei sistemi di stampaggio presenta sfide maggiori, poiché la maggior parte delle operazioni prevede tempi pressoché fissi, come la compressione del pistone ed il raffreddamento del getto. Alcune possibili migliorie sono:

• Il tempo di raffreddamento può essere ridotto modificando la termoregolazione dello stampo tramite l’ausilio di centraline ad olio/acqua; la riduzione di tempo di permanenza del getto nello stampo può quindi essere compensato da una riduzione di T° del fluido termoregolatore.

• La durata dello stampaggio. La funzione di prefilling fornisce un utile supporto in questo senso, in quanto il saving sul ciclo è assimilabile alla durata della 1° fase del pistone di iniezione. Lo spostamento del pistone in 1° fase viene commutato da tempo indipendente a tempo mascherato alla chiusura stampo.

È invece possibile intervenire in modo più sensibile sui tempi di estrazione (ritardo partenza, velocità avanzamento, velocità ritorno, ritardo ritorno, numero corse), apertura/chiusura stampo (velocità apertura/chiusura, corsa apertura) ed intervento lubrificazione (ritardo partenza, durata lubrificazione).
Se si lavora con un sistema automatizzato bisogna tenere conto della necessità di sincronizzare i movimenti del robot con le nuove tempistiche. L’ottimizzazione dei tempi ciclo può essere molto variabile e portare a riduzioni superiori al 20-30%, consentendo quindi un buon risparmio in termini economici per l’azienda.

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