Standardized model for process chain assessment of cost, time and environmental impact

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Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale

Sintesi Elaborato finale

Titolo dell’elaborato

Standardized model for process chain assessment of

cost, time and environmental impact

CANDIDATO

RELATORE

Erica Campolongo

Prof. Gino Dini

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Abstract – English and Italian version

This research presents the existing methods utilized for the description of process

chains, and point out their limit, that is the lack of standardization. The main problem

related to the absence of generic models is the time wasted in the creation of a tailored

process chain description for every new product introduced into the market. The aim

of the work is the introduction of a generic model that can be used for mapping any

manufacturing system. Another innovative element of this work is the importance given

to the assessment not only of cost and time, but also of energy consumption and

environmental impact related to the manufacturing activities. Those two aspects,

generally not included in the existing models, have been introduced into the chain

description because of the growing importance recently given to the reduction of the

environmental impact of production systems. The developed model enables the

evaluation of different solutions for the production of the same item, so as the user can

choose the best option, according to his priorities (minimize the energy consumption,

the machining time, the quality, etc.). The chain is described as a sum of modules,

which contain the description of a specific manufacturing process (milling, turning,

etc.).

Questa ricerca presenta i metodi esistenti per la descrizione di una catena di processi,

e sottolinea il loro limite principale, ovvero l’assenza di uno standard. Il problema legato

all’assenza di modelli generici è il tempo che viene sprecato nella creazione di modelli

ad hoc per ogni nuovo prodotto sviluppato e lanciato nel mercato. Lo scopo di questo

lavoro è l’introduzione di un metodo utilizzabile per mappare qualunque sistema

produttivo. Un elemento innovativo di tale modello è l’importanza data alla valutazione

del consumo energetico e dell’impatto ambientale dei processi, oltre al tempo e al

costo di produzione. I primi due aspetti, generalmente non inclusi nei modelli esistenti,

sono stati introdotti come risposta alla maggiore attenzione recentemente data

all’impatto ambientale dei sistemi produttivi. Il modello sviluppato durante il lavoro di

tesi permette la valutazione di diverse soluzioni produttive per la realizzazione di uno

stesso prodotto. In tal modo, l’utente può scegliere la catena di processi che meglio

soddisfa i suoi obiettivi (minimizzare il consumo energetico, il tempo di ciclo, la qualità,

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Abstract II

Standardized model for process chain assessment of cost, time and environmental impact 04/05/2018

e altro). La catena di processi è costituita da un insieme di moduli (modulo tornitura,

modulo fresatura, ecc), ogni modulo descrive un processo con un insieme di equazioni.

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1. Introduzione

La tesi cui il seguente riassunto fa riferimento è stata svolta presso l’Istituto di Ingegneria della Produzione e Macchine Utensili (IFW) dell’Università di Hannover (Germania). Il lavoro è stato eseguito durante sei mesi trascorsi all’estero, con la collaborazione del dott. Jacob Stefan e del professore Gino Dini.

Il principale obiettivo del lavoro è lo sviluppo di un modello per la rappresentazione di una catena di processi (o sistema produttivo), costituita da processi di tipo conventional e additive. Tale rappresentazione costituisce la base per la successiva valutazione del sistema produttivo. Il sistema viene valutato facendo riferimento a quattro indicatori di risultato, il tempo di ciclo, il costo di produzione del pezzo, il consumo energetico e l’impatto ambientale. Il risultato atteso è un modello che sia flessibile ed adattabile ad ogni tipo di prodotto e di catena di processi in modo rapido e semplice per l’utente. Il risultato di questo lavoro sarà la base per lo sviluppo di un software che permetterà di far capire all’utente quale è la configurazione più conveniente per la realizzazione di un dato prodotto. Non solo, il software potrà essere utilizzato anche per valutare come obiettivi economici e ambientali possano essere raggiunti andando a modificare non il sistema produttivo in sé, ma i suoi parametri, in particolare i parametri di processo che hanno una notevole influenza sulle performance dell’intero sistema. Lo sviluppo pratico di tale software non fa parte dello scopo della presente tesi, che punta soltanto alla creazione delle basi teoriche necessarie per il passo successivo.

Il motivo che spinge alla ricerca di un metodo standard e flessibile è la velocità con cui i nuovi prodotti vengono lanciati sul mercato. Al termine della fase di progettazione, il cui output è un nuovo concept, inizia lo studio volto ad identificare quale è il modo migliore per la produzione dell’oggetto ideato, ovvero per passare dall’idea del prodotto all’oggetto fisico. Poiché il principale limite dei modelli esistenti in letteratura è la specificità, ovvero ognuno di essi è costruito per un dato prodotto ed è utilizzabile solo per esso, ogni volta che è necessaria una valutazione economico-energetica, bisogna partire dalla fase di mappatura del sistema produttivo. Sviluppare un modello standard e flessibile, permette si saltare questa fase e di passare immediatamente al processo di valutazione, accorciando i tempi di lancio del prodotto sul mercato.

Al fine di raggiungere l’obiettivo prefissato, ovvero la rappresentazione e la valutazione di una catena di processi, è stato eseguito un lungo lavoro di ricerca per comprendere lo stato dell’arte, sia relativamente alla rappresentazione dei sistemi di produzione e ai linguaggi utilizzati, sia relativamente alla valutazione del consumo energetico imputabile ad un sistema produttivo e ad i suoi singoli componenti. Più di 70 fonti sono state analizzate a tal scopo, circa 40 per la parte relativa alla rappresentazione e valutazione dei processi produttivi, e 30 relativamente allo studio sul consumo energetico. Il risultato di tale ricerca è riportato nel capitolo 2. Nel successivo capitolo, lo

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Standardized model for process chain assessment of cost, time and environmental impact 2

studio è orientato alla descrizione dettagliata dei processi di tornitura e di fresatura, per la parte relativa ai processi conventional, e al processo di power bed fusion, per la parte sull’additive

manufacturing. In particolare, sono stati studiati i vantaggi che la stampa del metallo ha apportato

all’industria manifatturiera, specie nel settore automotive e aerospaziale, e le caratteristiche tecniche di questo nuovo processo produttivo. Allo stesso modo, è stata condotta anche un’analisi sui processi convenzionali, volta all’identificazione di tutti i parametri necessari per la loro descrizione e valutazione sia economica che ambientale. Nel capitolo 4, viene introdotto il modello e ne viene spiegata la logica. Il capitolo 5 è dedicato alla valutazione del modello. Nello stesso capitolo, è eseguita un’analisi di sensitività, con l’obiettivo di capire quali parametri hanno una maggior influenza sulle prestazioni sia del singolo processo che dell’intero sistema. Quest’ultima considerazione è di notevole importanza, in quanto permette di capire su quali parametri di processo agire nel momento in cui si vogliono migliorare le prestazioni, al fine di raggiungere predeterminati obiettivi. Nel capitolo 6, viene eseguito un confronto tra due diverse catene per la produzione di uno stesso prodotto. Il capitolo finale, contiene una sintesi dei maggiori risultati e una loro interpretazione, insieme a spunti per lavori futuri, improntati verso il miglioramento e l’utilizzo pratico del modello.

2. Stato dell’arte

I sistemi produttivi oggetto dell’analisi sono del tipo job-shop, ovvero organizzati in una serie di stazioni disposte in linea dove l’output di un processo costituisce l’input per il processo successivo. In letteratura, esistono diverse tecniche di rappresentazione di catene di processi, come il metodo grafico, statistico e quello basato sull’utilizzo di simulazioni. I diversi metodi differiscono per livello di dettaglio, specificità rispetto al processo di riferimento, e facilità d’uso e di lettura. Tali metodi sono i analizzati e classificati, utilizzando circa 30 articoli scientifici sull’argomento, disponibili sul portale “science direct”.

Il modo più comune per rappresentare una catena di processi è attraverso l’utilizzo di una serie di blocchi, collegati da frecce (metodo grafico). Ogni blocco rappresenta un processo e le frecce rappresentano le interazioni tra i processi della catena. Nel momento in cui si rappresenta un sistema produttivo al fine di valutarne le performance, si è interessati non solo all’andamento dei singoli processi, ma anche all’andamento complessivo del sistema e alla comprensione di come ed in che misura i singoli processi hanno influenza sulle performance complessive. Per tale motivo, è interessante capire quali sono le interdipendenze tecnologiche tra i diversi processi, ovvero in che misura l’output di un processo influenza il successivo. Per capire queste relazioni si possono usare diversi metodi. E’ possibile utilizzare la statistica e costruire modelli regressivi basati su dati storici, oppure su simulazioni. Per relazioni non lineari, in letteratura vengono utilizzate le ANN (Artificial

Neural Network). Per motivi di complessità, spesso tali relazioni vengono mappate in modo

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se un parametro di processo influenza il successivo in modo significativo o meno e quale è la natura dell’influenza, positiva o negativa.

La letteratura è stata analizzata anche per capire come attualmente viene valutato il consumo energetico delle macchine. La volontà di inserire nella valutazione un indicatore energetico è la risposta alla consapevolezza dell’enorme impatto che i sistemi produttivi hanno sull’ambiente (1/3 delle emissioni e del consumo energetico globale sono imputabili all’industria manifatturiera). L’efficienza energetica è un obiettivo perseguito da tutte le aziende e rappresenta una risposta a regolamentazioni internazionali quali l’European 2020 Strategy Targets. Ciò che le aziende manifatturiere hanno in comune è la mancanza di consapevolezza sull’energia consumata nei singoli processi. Spesso le aziende non hanno indicatori atti al monitoraggio del consumo di energia delle macchine che operano sulla linea, ma conoscono soltanto i consumi energetici annui relativi all’intero impianto. Per passare dall’attuale condizione ad una situazione di maggiore consapevolezza sui consumi energetici, è necessaria la definizione e il monitoraggio di Energy KPI. Tali indicatori permettono di conoscere il consumo delle macchine nei singoli stadi in cui esse si trovano (cutting

stage o idle stage), di definire obiettivi di miglioramento e strategie, e di misurare i risultati raggiunti.

3. Processi conventional e processi additive

I processi conventional permettono di ottenere la geometria finale del pezzo asportando del materiale a partire da un pezzo iniziale. Il materiale viene rimosso con l’utilizzo di un utensile da taglio. I processi conventional sono numerosi, tuttavia questo studio si occupa soltanto dei processi di tornitura e di fresatura. Per questi due processi sono stati identificati tutti i parametri necessari per il calcolo del costo, del tempo ciclo, del consumo energetico della macchina e dell’impatto ambientale.

I processi additive hanno un approccio opposto. La materia non viene asportata, ma viene aggiunta strato dopo strato, fino ad ottenere la geometria desiderata. Questa tecnologia veniva inizialmente impiegata solo nel campo della prototipazione (Rapid Prototyping), ma successivamente è stata utilizzata per la creazione di utensili e stampi, fino ad arrivare ad uno stadio per cui è possibile ottenere direttamente il prodotto finito. La rivoluzione apportata dalla stampa 3D sta nella possibilità di condensare una catena di processi in una sola macchina, che permette il passaggio diretto da materia prima a prodotto finito. Oggetto di interesse della ricerca sono stati i processi di tipo powder

bed fusion, in cui la materia prima è una polvere polimerica o metallica. Tale polvere viene disposta

in uno strato di spessore uniforme su una piattaforma mobile. Uno volta che lo strato è stato depositato, un laser scansiona una parte della polvere sulla piattaforma, in modo coerente alla sezione del prodotto finale (informazione contenuta in un file CAD). Nel caso di polvere metallica, questa fonde grazie all’energia trasferita dal laser, e successivamente si raffredda e solidifica, formando così il primo layer. Il processo viene ripetuto strato dopo strato fino ad ottenere il prodotto

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finito. Ad ogni iterazione, la piattaforma viene abbassata di una quantità pari allo spessore dello strato che si vuole realizzare. Uno dei punti di debolezza dell’additive manufacturing è la scarsa qualità delle superfici ottenute. Questa è una criticità specie in campo automotive e aerospaziale, settori che puntano molto su questa tecnologia per velocizzare il processo produttivo e ridurre sprechi di materiale e di energia. Infatti, in questi settori, i prodotti finali, come le turbine aeree sono caratterizzati da un basso valore di buy-to-fly-ratio (rapporto tra il peso finale del componente e il peso della materia prima). Tuttavia, in questi settori la necessità di rispettare strette tolleranze è cruciale. La soluzione a questo problema si è trovata affiancando al processo di stampa, uno o più processi di asportazione di materiale, che permettono di raggiungere le specifiche di precisione indicate nel disegno del pezzo. Questo è il principale motivo per cui uno dei vincoli del modello sviluppato è che il primo processo della catena sia un processo di stampa 3D, mentre i successivi processi sono di tipo conventional.

Al termine dell’analisi delle caratteristiche dei processi, sono state estrapolate dalla letteratura esistente tutte le equazioni necessarie per il calcolo dei 4 indicatori di processo utilizzati nel modello. I principali elementi innovativi introdotti per il calcolo delle prestazioni dei processi sono il concetto di Lean Energy Indicator (LEI), per la stima del consumo energetico della macchina, e il concetto di

Pollution Damage Cost, espresso in euro, per la stima dell’impatto ambientale. Il LEI è il rapporto tra

l’energia consumata per la produzione di un prodotto e il totale consumo energetico della macchina

𝐿𝐸𝐼 = Valuable Energy Consuption Overall Energy Consumption=

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦𝑐𝑢𝑡

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦𝑡𝑜𝑡

L’introduzione di questa quantità permette di tenere in considerazione il fatto che la macchina non consuma energia solo in fase di taglio, ma anche nelle altre fasi, come quelle di starving, riposizionamento pezzo, cambio utensile, carico/scarico. Per gli obiettivi di questo lavoro, la stima della quota parte di energia consumata nei singoli stadi non è rilevante. Quello che è di interesse è la stima del consumo totale. Per le diverse macchine, è possibile ricavare un valore del LEI attraverso l’utilizzo di dati storici. Tale valore verrà utilizzato per le stime prospettiche, ottenendo un valore molto vicino al reale.

L’indicatore relativo all’impatto ambientale è stato definito come segue:

𝑃𝑜𝑙𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛𝐷𝑎𝑚𝑎𝑔𝑒𝐶𝑜𝑠𝑡 = 𝑘𝑔 𝑜𝑓 𝐶𝑂2

1𝑘𝑊ℎ 𝑜𝑓 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦× 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦𝑡𝑜𝑡,𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠 ×

𝐹𝑒𝑒 𝑘𝑔 𝑜𝑓 𝐶𝑂2

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Tale valore dipende dall’energia consumata nel processo e da alcune costanti, come le tasse pagate per ogni kg di emissione ed il valore delle emissioni per kWh di energia prodotta.

4. Introduzione al modello sviluppato

Il modello è composto da 4 elementi (vedi figura 2a):

 La catena di processi: è la sequenza di moduli (o processi) che l’utente seleziona attraverso l’interfaccia (vedi figura 2b);

 Il brain: è il calcolatore del modello. Infatti, esso legge le equazioni contenute in ogni modulo (o processo) della catena, combina i dati provenienti dall’utente e ed i dati conservati nel database, e calcola il tempo, costo, consumo energetico ed impatto ambientale dei singoli moduli o processi. I risultati parziali vengono sommati per ottenere la valutazione complessiva sull’intero sistema.

 Il database (DB): contiene tutti i dati necessari per eseguire la valutazione della catena di processi. I dati sono suddivisi in dati relativi al materiale, all’utensile da taglio, alla tipologia di macchina selezionata, all’impianto, e al fluido da taglio. Inoltre, il DB viene anche utilizzato per memorizzare i risultati delle stime eseguite utilizzando il software, per eventuali analisi statistiche;

 Interfaccia utente: è un’interfaccia grafica mediante il quale l’utente può trascinare i blocchi (moduli), costruendo così la catena; selezionare il materiale del prodotto, le macchine, gli utensili e il fluido usate in ognuno dei processi. Attraverso l’interfaccia vengono anche mostrati i risultati al termine della valutazione.

La presenza del DB permette una notevole ed indispensabile semplificazione del modello. Infatti, i parametri necessari per la valutazione sono centinaia nel caso di sistemi con più di tre processi. Non può essere richiesto all’utente di inserire i valori di tutti i parametri ogni volta che deve essere fatta una valutazione. In primo luogo non è possibile farlo perché troppo tempo sarebbe sprecato nell’operazione di settaggio. In secondo luogo perché l’utente non deve essere necessariamente un esperto dei processi. Per tali ragioni, sono stati identificati tutti e soli quei parametri che sono specifici per un prodotto e che quindi non possono essere standardizzati ed inclusi nel modello, come velocità di taglio e di avanzamento, materiale del pezzo, utensile scelto per il taglio ed altri. Tutti i parametri che sono invece indipendenti dal prodotto da realizzare, come quelli caratteristici di un dato materiale e di una macchina, oppure parametri di impianto, che possono essere settati in fase iniziale e che restano validi anche nel futuro, vengono settati e memorizzati nel DB. Questa classificazione ha permesso di ridurre di un sesto il numero di valori settati dall’utente. Ad esempio, l’utente seleziona il materiale del pezzo, ma i valori di resistenza, calore specifico, costo al kg, ecc.

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Il processo di settaggio avviene secondo una struttura ad albero. Ogni scelta dell’utente influenza la successiva. La prima scelta che l’utente effettua è relativa ai processi. Se viene selezionato un processo di additive, il passo successivo sarà quello di selezionare il tipo di polvere e di stampante utilizzate. Quindi, attraverso l’interfaccia, verrà mostrata all’utente la lista di tutti i materiali e poi di tutte le macchine registrate nel DB. La scelta del materiale influenza la scelta successiva, ovvero quella della macchina. Se è stata selezionata una polvere polimerica si utilizzeranno determinate macchine, diverse da quelle necessarie per stampare pezzi in metallo. Quindi, la lista delle macchine tra cui scegliere non conterrà quelle adatte per la stampa dei metalli, ma solo quelle per materiali plastici.

Quando sono stati inizializzati tutti i parametri si passa dal modello generico ad un’istanza del modello, valida per uno specifico prodotto. A questo punto può essere effettuata la valutazione. Prendendo ad esempio una catena di processi costituita da un primo processo di additive e da un secondo processo di fresatura, il calcolo dell’energia consumata nell’intero processo di produzione avverrà nel seguente modo:

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦_{𝑐ℎ𝑎𝑖𝑛} = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦_𝐴𝑀+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦_{𝑟𝑎𝑤−𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙}+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦_{𝑀𝑖𝑙𝑙𝑖𝑛𝑔}+ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦_{𝑡𝑜𝑜𝑙} 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦_{𝑐ℎ𝑎𝑖𝑛} = [ 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 𝑉𝑠𝑐𝑎𝑛× 3600 × 𝑆𝑃 × 𝑆 × 𝑁_{𝑙𝑎𝑦𝑒𝑟}× 𝑁_𝑝] × [ 1 𝐿𝐸𝐼+ 𝑆𝐸𝐶𝑡𝑜𝑡× 1,2 × 𝜌 × 𝑁𝑝× 𝑉] +

+ [

𝐹𝑐×𝑉𝑐 𝜇×𝐿𝐸𝐼

× 𝑇

𝑚

] + [∑

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦𝑡𝑜𝑜𝑙 𝑁𝑝,𝑡𝑜𝑜𝑙 𝑁𝑡𝑜𝑜𝑙 𝑖=1

]

Dove Plaser è la potenza della sorgente laser; Vscan è la velocità di scansione del laser; SP è lo spazio

tra una linea di scansione e la successiva; S è l’area del layer scansionato; Nlayer è il numero di layer

in cui è stato scomposto l’oggetto; Np è il numero di oggetti stampati contemporaneamente sulla

stessa piattaforma; SECtot è l’energia consumata per ottenere la polvere (energia di atomizzazione);

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1,2 è un fattore che permette di includere anche la materia non inglobata nel pezzo ma che viene sprecata per la costruzione di supporti; 𝜌 è la densità del materiale; V è il volume dell’oggetto stampato; Fc e Vc sono la forza e la velocità di taglio relativi al processo di fresatura; Tm è il tempo

totale per eseguire l’operazione; Energytool è l’energia consumata nella produzione del tool; e Np,tool

è il numero di oggetti lavorati con lo stesso utensile/inserto.

5. Validazione e analisi di sensitività

A seguito della costruzione del modello, è stato selezionato un oggetto dalla geometria semplice per la validazione (vedi figura 3), al fine di semplificare la fase di calcolo e di raccolta dati. Il materiale selezionato è una lega di titanio (Ti6Al4V), caratterizzato da un’ottima resistenza, anche ad elevatissime temperature, e basso volume specifico. Ad esempio, un albero motore in lega di titanio pesa la metà del suo equivalente in acciaio legato. Tuttavia, il punto di forza di questo materiale ne rappresenta anche il suo punto di debolezza. Infatti, l’elevata resistenza delle leghe di titanio fa sì che queste siano difficilmente lavorabili con l’utilizzo delle macchine utensili. Inoltre, la bassa conduttività fa sì che il calore rimanga concentrato nella zona di taglio, causando deformazioni o rotture del pezzo in lavorazione nonché usura e frattura degli utensili. Per questo motivo è anche necessario un massiccio utilizzo di fluidi refrigeranti durante la lavorazione. Per evitare le problematiche sopracitate, è possibile ottenere pezzi in lega di titanio attraverso processi additive. Gli obiettivi della validazione sono due: verificare che le stime di costi e tempi di produzione siano coerenti con i dati reperiti in letteratura, e capire quale è l’influenza dei singoli parametri di processo sulle performance complessive. Per raggiungere il secondo obiettivo, il sistema produttivo (o catena di processi) è stato valutato più di una volta, cambiando i valori dei parametri di processo e analizzando l’impatto di tali variazioni sulle performance sia del singolo processo che dell’intera catena. Infatti, capire quali sono i parametri che maggiormente hanno influenza sulle prestazioni è di fondamentale importanza nel momento in cui si vogliono migliorare le performance di un sistema esistente. E’ importante agire sui parametri che hanno un’influenza maggiore. La catena di processi utilizzata per la validazione del modello è costituita da 3 moduli (o processi): un processo di stampa usando una macchina a fascio di elettroni, un processo di tornitura interna e uno di tornitura esterna. Le due operazioni di asportazione di materiale sono necessari a raggiungere la tolleranza dimensionale desiderate.

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Nei processi di tornitura viene asportato 1mm di sovrametallo sia internamente che esternamente. I dati necessari per la validazione sono stati forniti in parte dall’IFW per quanto riguarda i parametri relativi alla polvere di titanio e alla macchina utilizzata per la stampa. I dati relativi agli utensili e ai parametri di taglio sono stato forniti dall’azienda KENNAMETAL. I dati relativi all’embedded energy della polvere e degli utensili sono stati reperiti in letteratura. Per entrambe le lavorazioni sono stati utilizzati utensili in acciaio super rapido con inserti in carburo.

Sulla stessa piattaforma, vengono stampati otto oggetti. Infatti, è prassi comune stampare il maggior numero possibile di oggetti per ridurre i costi unitari. I grafici sottostanti sintetizzano i risultati ottenuti relativamente al costo e al tempo e all’energia di produzione

unitari (figura 4 e 5).

Figura 4:Tempi e costi di produzione unitari

Figura 4: oggetto selezionato per la validazione del modello

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Il 92% del tempo totale è impiegato nel processo di stampa. Infatti, per stampare l’oggetto è necessaria quasi un’ora, mentre per le operazioni di tornitura sono richiesti solo pochi minuti. Questo ha impatto sul costo di prodotto. Componenti del costo quali costo dell’utilizzo della macchina e manodopera e costo dell’energia dipendono fortemente dal tempo di produzione. Il processo di additive è responsabile della maggior parte dell’energia consumata, a causa dell’elevata potenza del laser (3,25kW), necessaria per fondere i grani di metallo, e della considerevole durata del processo.

La validazione effettuata è profondamente influenzata dalle scelte dei valori di parametri quali velocità di taglio e di avanzamento, spessore del layer, velocità di scansione e superficie da scansionare. Tutti questi parametri sono inseriti dall’utente e possono essere modificati con l’obiettivo di migliorare le prestazioni del sistema. E’ stata eseguita un’analisi di sensitività sui parametri sopracitati, ovvero è stato modificato un parametro alla volta e sono state analizzate le variazioni sulle prestazioni. Le principali osservazioni da riportare sono:

 all’aumentare della velocità di taglio (m/min) e della velocità di avanzamento (mm/giro) diminuiscono il tempo e il costo di produzione (vedi figura 6), così come il consumo specifico di energia (energia consumata per unità di materiale asportato). Tuttavia bisogna considerare che se si forza troppo su questo parametro, l’utensile si danneggerà molto più velocemente e, quindi, sarà necessario sostituirlo più volte. Questo comporta un aumento dei costi e dei tempi di produzione.

 all’aumentare dello spessore del layer il tempo, il costo e l’energia necessaria per il processo

additive sono inferiori (vedi figura 7). Infatti, aumentare lo spessore, significa realizzare meno

strati. Tuttavia, questo parametro influenza molto sia la qualità superficiale del pezzo che la microstruttura. Se lo spessore aumenta, l’effetto scalino tipico del processo additive è molto più accentuato. Inoltre, c’è il rischio di mancata fusione e unione tra uno strato e il sottostante, perché il calore non penetra abbastanza in profondità, con il rischio di avere componenti poco densi. Questo è un risultato non accettabile nel caso di prodotti destinati all’industria aerospaziale.

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Figura 6: Andamento dei costi al variare di velocità di taglio e di avanzamento

 all’aumentare della velocità di scansione, si riducono il tempo di stampa, i costi e il consumo di energia. Tuttavia, se si forza troppo su questo parametro, si rischia di avere un bagno di fusione troppo piccolo ed una mancanza di continuità tra le tracce scansionate. Se si vuole aumentare la velocità di scansione, non rinunciando ad ottenere pezzi con una buona microstruttura, è necessario aumentare la potenza del laser.

 all’aumentare dell’area del pezzo e, quindi, del suo volume, aumentano il costo, il tempo e l’energia necessaria. Tuttavia, questo parametro è meno importante in quanto spesso la forma del pezzo è un vincolo su cui non possono essere apportati cambiamenti.

In conclusione, quando si vogliono migliorare le prestazioni del sistema, è opportuno intervenire prima sul processo additive, in quanto ad esso è attribuibile la quota maggiore di costo, tempo e energia consumati. Per farlo è conveniente agire sulla velocità di scansione, che causa minori impatti sulla qualità del prodotto finale rispetto allo spessore del layer.

6. Confronto tra due catene di processi

Un’alternativa alla catena di processi proposta nel capitolo 5 è quella di utilizzare solo processi

conventional. Ipotizzando di partire da un cilindro pre-forato, con più passate di sgrossatura si riesce

ad ottenere un pezzo delle stesse dimensioni di quello in uscita dal processo additive. Il confronto è

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eseguito più di una volta andando a parametrizzare le dimensioni del volume finale dell’oggetto. Infatti, maggiori sono le dimensioni dell’oggetto e maggiore è il costo del processo additive (è necessaria più materia prima e più tempo per la stampa). L’obiettivo di questo confronto è capire se esiste un punto di breakeven, ovvero un punto prima del quale il volume dell’oggetto è ridotto ed è, dunque più conveniente il sistema con il processo additive, e dopo il quale è più conveniente l’uso di soli processi convenzionali. Il risultato del confronto è che per l’oggetto in analisi non esiste nessun punto di breakeven. La catena che contiene solo processi di tornitura è sempre più conveniente, perché la geometria dell’oggetto è estremamente semplice e le operazioni di asportazioni di materiale sono eseguite in modo veloce e senza necessità di frequenti riposizionamenti del pezzo e di cambi utensile.

Analizzando risultati di chi ha condotto confronti tra sistemi conventional e sistemi ibridi, è evidente che il punto di breakeven esiste solo quando il pezzo ha dimensioni ridotte ed è caratterizzato da una geometria complessa, come quella delle turbine. Ad esempio, uno studio condotto presso l’Université Grenoble Alpes, in Francia, ha dimostrato che utilizzare l’additive manufacturing permette considerevoli risparmi in termini non solo di tempo e di energia, ma anche di materiale, nel caso di produzione di turbine in leghe ti titanio. Infatti, se il prodotto si ottiene partendo da una forma piena e asportando il materiale con una fresatrice, la riduzione del volume è superiore all’85%. Per eseguire questa operazione sono necessarie più di due ore e una notevole quantità di fluido refrigerante. Da questo studio si evince come un modello per la valutazione di sistemi produttivi che includono processi additive sia indispensabile per il settore aerospaziale, che vede nel processo di stampa 3D un’opportunità di sviluppo più rapido dei prodotti e di risparmio notevole di energia e materie prime.