Tecnologie di Produzione, Materiali e Controllo di Qualità

Produzioni per Processo e per Parti

Le produzioni industriali si distinguono in:

1. Produzioni per processo (non reversibili): carta, cemento, chimica; non è possibile ritornare ai componenti originari.

2. Produzioni per parti (reversibili): il prodotto finale è un insieme finito di componenti; si articolano in
   – fase di fabbricazione (trasformazioni delle singole parti)
   – fase di assemblaggio (giustapposizione delle parti: automotive, elettronica…).

Classificazione dei processi di fabbricazione

• Asportazione di materiale: massa finale < massa iniziale (tornitura, fresatura, segatura, ecc.)

• Massa costante: deformazione plastica senza variazione di massa (forgiatura, laminazione, fusione con successiva sbavatura…)

• Aggiunta di materiale: massa finale > iniziale (assemblaggio, saldatura, brasatura, additive manufacturing).

La sequenza delle lavorazioni (catena di processo) influisce su finitura superficiale e precisione; si parla di progettazione macro (ordine dei processi) e micro (dettaglio di ciascun processo).

Qualità e Controllo

La QUALITÀ è la misurazione di quanto realizzato rispetto alle specifiche. Due grandezze chiave:

• Tolleranza dimensionale (± su quota nominale)

• Tolleranza geometrica (forma, posizione, rugosità).
  Strumenti moderni: 3-D scanner, CMM, RX, tomografia, ultrasuoni.

Nel modello di trasformazione reale compaiono disturbi → variabilità dello stato iniziale e finale.
Un processo è:

• CAPACE se la variabilità rientra nei limiti di tolleranza.

• NON AMMISSIBILE se li oltrepassa → migliorie o cambio processo.

Ashby Chart rugosità-tolleranza

Processi grossolani (fusione) in alto a destra; processi di finitura (lappatura, rettifica) in basso a sinistra.
Costo e tempo crescono al diminuire di rugosità e tolleranza.

Materiali e loro proprietà

• Metalli e leghe: duttilità, conducibilità; struttura a reticolo cristallino con difetti puntuali, lineari e superficiali (grani).
• Polimeri: leggeri, resist. chimica, ma bassa resistenza meccanica e termica.
• Ceramici: alta durezza e resistenza termica, ma fragili.
• Compositi: combinano proprietà, costosi e difficili da riciclare.

Difetti reticolari: vacanze, atomi interstiziali, dislocazioni; bordi di grano determinano malleabilità.

Prove meccaniche statiche

– Trazione: curva $s–e$. Carico di snervamento $Y$, UTS, modulo di Young $E$, duttilità $e<em>f$, tenacità (area sotto la curva). – Compressione: imbarilimento per attrito. – Flessione: carico di rottura trasversale $R</em>f$; momento flettente $M=F\,L/4$.
– Durezza: Brinell, Vickers, Knoop, Rockwell.
– Fatica: curva $S–N$; limite di fatica per acciai; fattori tecnologici (rugosità, tensioni residue, corrosione).

Effetti di temperatura e velocità

A caldo: ↓Y, ↓E, ↑duttilità, incrudimento nullo (ricristallizzazione).
Sensibilità alla velocità di deformazione cresce con la temperatura.

Deformazione plastica massiva

Metodo del concio di trave (fucinatura)

Ipotesi: materiale perfetto plastico, stato di deformazione piana, coefficiente d’attrito costante.
Pressione media:
$P<em>{av}=\frac{2}{\sqrt3}\,Y\,\left(1+\frac{2\mu a}{h}\right)$ Forza: $F=P</em>{av}\,2aw$.

Laminazione

Spessore iniziale $h<em>0$, finale $h</em>f$, riduzione $\Delta h$.
Arco di contatto $L=\sqrt{R\,\Delta h}$.
Condizione d’imbocco: \mu>\tan\alpha_0\approx\sqrt{\frac{\Delta h}{R}}.
Potenza: $P=2\,F\,\pi R n$.
Difetti: flessione rulli, surriscaldamenti, apertura.

Tipi di laminatoio: duo, trio, quarto, Sendzimir; treni in serie.

Forgiatura e stampaggio

Progettazione stampo: piano di bava, sovrametalli, angoli di sformo, raggi.
Materozze e sistema di alimentazione (metodo di Caine):
$\frac{V<em>m}{V</em>g}=A \left[ b+c\left(\frac{M<em>m}{M</em>g}-1\right) \right]$
con $M=\frac{V}{A}$ modulo termico.

Estrusione

– Diretta / inversa.
Forza: picco di snervamento, poi decrescita per attrito; $R=\frac{A<em>0}{A</em>f}$ rapporto di estrusione fino a 400.
Angolo ottimo di matrice dal minimo del lavoro totale.
Processi a caldo (magnesio, acciaio) vs a freddo (alluminio, ottone).

Trafilatura

Forza ideale: $F=K\,A<em>0\left[1-\left(\frac{d</em>f}{d_0}\right)^{2+n}\right]$.
Riduzioni elevate con treni di filiere; limitata da snervamento del filo.

Fusione

Legge di Chvorinov:
$T<em>{ts}=C</em>m\left(\frac{V}{A}\right)^n!,$ $n\approx2$.
Modulo termico $M=\frac{V}{A}$.
Solidificazione direzionale + materozze (Caine).
Processi: sabbia, guscio, microfusione cera persa, conchiglia, pressofusione (camera calda/fredda).
Difetti: cavità di ritiro, soffiature, cricche, inclusioni, bave.

Asportazione di materiale

Taglio ortogonale (Merchant)

Cerchio di Merchant: sforzi $F<em>c, F</em>d$, piano di scorrimento $\phi$.
$\tan\phi=\frac{1-\mu\tan\gamma<em>0}{\mu+\tan\gamma</em>0}$ (Ernst–Merchant).
Forza di taglio:
$F<em>c=K</em>s h_D^{1-x}b^{x}$
(Diagramma di Kronenberg).

Tornitura

Parametri: velocità di taglio $V<em>c$, avanzamento $f$, profondità passata $a</em>p=(D<em>0-D</em>f)/2$.
Rugosità teorica con raggio di punta nullo:
$R<em>t=\frac{f}{\tan k</em>r}+\frac{f}{\tan k<em>r'}$ con raggio $r\neq0$: $R</em>t=\frac{f^2}{8r}$.

Usura: crater wear $K<em>T$, flank wear $V</em>B$.
Legge di Taylor: $V<em>c T^n=C$. Ottimizzazione (tempo, costo, profitto) – velocità ottima $V</em>{opt}=\left(\frac{nC}{\varphi T_m}\right)^{1/(n+1)}$.

Altre lavorazioni: fresatura (utensile pluritagliente rotante), foratura e operazioni derivate (lamatura, maschiatura, alesatura, svasatura, centratura), rettifica di precisione.

Usura utensili e vita

Fenomeni: deformazione plastica, scheggiatura, usura graduale (cratere, fianco), tagliente di riporto.
Vita utile definita da limite $V<em>B^{lim}$ o $K</em>T^{lim}$.

Controllo statistico di processo (SPC)

Variabilità intrinseca: $\sigma$, media $\mu$.
Carte di Shewhart:

– X-bar: $UCL=\bar{\bar X}+Z<em>{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n},\ LCL=\bar{\bar X}-Z</em>{\alpha/2}\frac{\sigma}{\sqrt n}$.

– R: $UCL=D<em>4\,\bar R,\ LCL=\max{0, D</em>3\,\bar R}$.

– I–MR per n=1 (moving range).
Errori: primo tipo $\alpha$ (falso allarme), secondo tipo $\beta$ (mancato allarme).
Average Run Length $ARL=1/\alpha$ in controllo, $ARL=1/(1-\beta)$ fuori controllo.

Curve OC: probabilità di non rilevare uno scostamento $\Delta\mu$ o $\lambda=\sigma<em>1/\sigma</em>0$.

Capacità di processo

Con limiti di specifica $LSI, LSS$:
Cp=\frac{LSS-LSI}{6\sigma},\ C{pk}=\min\left{\frac{LSS-\mu}{3\sigma},\frac{\mu-LSI}{3\sigma}\right}.

Processo adeguato se $C_{pk}\ge1.33$ (prassi).
Capacità reale vs potenziale, processo centrato/non centrato.

Strumenti ausiliari SPC

Istogrammi, fogli di controllo, diagrammi di Pareto, cause-effetto (Ishikawa), mappe concentrazione difetti, diagrammi di dispersione.