Capitolo 3
Problematiche emerse nel corso dello sviluppo del prodotto
Alla fine di ogni fase dello sviluppo del prodotto è prevista una fase di revisione attraverso la Milestone Review sia per esigenze di organizzazione e pianificazione interna che per dare garanzie al cliente dello status di avanzamento.
Il cliente in questione non è un semplice “compratore” che richiede un prodotto a basso prezzo e con temi di sviluppo limitato.
Il cliente è un vero e proprio attore che partecipa attivamente alla fase di sviluppo, attraverso un rapporto ben sviluppato che porta sia allo scambio di esperienze e
know-how, sia all’evoluzione della progettazione dei propri prodotti in funzione degli accordi col
fornitore di componenti strategici.
Un iniettore è un componente fondamentale nello sviluppo di un nuovo motore; l’acquirente non può permettersi di delegare tutto lo sviluppo e si tende a creare un rapporto di partnership.
Ovviamente anche al fornitore (in questo caso la Siemens VDO Automotive) è richiesta un atteggiamento proattivo e una trasparenza totale delle difficoltà incontrate e delle misure adottate per risolvere e prevenire i problemi.
Una delle fasi fondamentali all’interno della definizione del progetto è il testing.
I test hanno lo scopo di valicare le soluzioni sviluppate, attraverso una serie di prove che servono a simulare il funzionamento del prodotto in condizioni reali e per tempi prolungati. Il presente lavoro di tesi si articola sulle difficoltà riscontrate nella terza e quarta fase (Verifica dei prototipi e validazione del design; Introduzione in produzione e validazione). Le revisioni di interesse sono la M3 e la M4.
La Milestone Review si articola su molteplici aspetti e richiede l’emissione di una serie di documenti.
Nella tabella 3.1 sono riportate le sezioni previste da ogni revisione in uscita dalle due fasi:
Fase 3 (M3) Fase 4 (M4)
Specifiche Emissione Revisione
Impegno del cliente Ordine acquisto campioni Approvazione PPAP (Production Part Approval
Procedure)
Pianificazioni Revisione Pianificazione di Progetto;
Pianificazione introduzione in Produzione
Revisione Pianificazione di Progetto;
Costi Revisione Revisione
Disegni e BOM (Bill of Material)
Emissione/rilascio Revisione
Campioni “B” samples “C” samples
Test di validazione Validazione del Design (DV) Validazione del Prodotto (PV) FMEA del Design Emissione/rilascio Revisione
Definizione del processo di produzione
Schedulazione completata; Capability Study preliminare; Emissione/rilascio di documentazione
Run at Rate; PPAP; Revisione Capability Study preliminare
FMEA di Processo Emissione/rilascio Revisione
Control Plan e istruzioni
Emissione Control Plan di pre-lancio e di produzione e rilascio istruzioni associate
Revisione Control Plan e istruzioni associate
Tab.3.1 Sezioni interessate alla review
Nella tabella sono stati evidenziati i principali ambiti di interesse su cui verte il presente lavoro.
3.1 Validazioni
Il PV (Product Validation) è l’attività di test condotta al fine di validare i requisiti di un prodotto. E’ il passo immediatamente successivo al DV (Design Validation) ed è una delle principali attività nello sviluppo del prodotto, verso il quale ha un significativo impatto in termini di tempi e costi.
A differenza del DV, i cui campioni sono assemblati in quantità ridotte in sala campioni da operatori specializzati, i campioni per il PV sono prodotti da una linea di montaggio che ha lo scopo di produrre in grandi quantità ed in tempi ridotti (caratteristiche di una produzione di serie).
I test che vengono effettuati nella fase di validazione hanno lo scopo di simulare le condizioni di funzionamento in cui il prodotto opererà nell’arco della sua vita operativa. Il documento che definisce le caratteristiche del prodotto è la specifica di progetto. In essa, infatti, sono definite le prestazioni del prodotto in esame: la durata di funzionamento, gli ambienti e/o le condizioni nelle quali il prodotto dovrà operare, i carichi sopportabili ecc.. La specifica è dunque il punto di partenza per la definizione del PV.
Le due fasi dovrebbero essere successive ma in realtà c'è una sovrapposizione dettata dall'esigenza di ottimizzare i tempi adottando un principio di Concurrent Engineering.
Portare avanti i test in simultanea è dettato anche da principi di organizzazione delle attività di testing e dai tempi molto lunghi che a volte richiedono questi test.
I test per entrambe le validazioni sono comunque gli stessi e sono applicati secondo una sequenza concordata col cliente e ratificata sotto forma di procedura.
I test ai quali un prodotto dovrà essere sottoposto in fase di validazione, previsti dalla specifica, possono generalmente essere divisi nelle categorie elencate nella tabella 3.2
CATEGORIA TEST
TIPOLOGIA TEST
TEST TERMICI
Thermal shock
Stepped Temperature Hot Engine Off
COMPATIBILITA’ FLUIDI Compatibilità interne/esterne Power Wash SALT SPRAY STORAGE HUMIDITY Humidity stazionario TEST AMBIENTALI Humidity ciclico VIBRAZIONI Vibrazioni in temperatura
Vibrazioni a temperatura ambiente
SHOCK MECCANICO Shock Bump DURATA COMPONENTE Durata in temperatura TEST DI RESISTENZA
Durata a temperatura ambiente
PROVE DI CARICO STATICO
Trazione/compressione Flessione e taglio Torsione TEST MECCANICI Pressurizzazione TEST ELETTRICI
3.2 Panoramica sulle tipologie di test
3.2.1 Test ambientali
I test ambientali costituiscono quella categoria di test che ha lo scopo di riprodurre tutte le possibili condizioni di lavoro nelle quali il prodotto si troverà ad operare nell’arco della sua vita.
Appartengono a questa categoria sia i test che sottopongono i campioni a temperature estreme o rapidi sbalzi di temperatura, sia prove che verificano la compatibilità con sostanze o ambienti più o meno aggressivi.
In campo automotive, data la gran varietà di componenti presenti, si potranno avere test di tipo standard analoghi per tutti i componenti ma anche test ideati specificatamente per il singolo.
3.2.2 Test di resistenza
I test di resistenza sono quella famiglia di test atti a sollecitazioni ripetute nel tempo dei campioni in esame.
I test più comuni appartenenti a questa categoria sono quelli di durata in cui viene simulato il funzionamento del componente per la sua durata effettiva come definita nella specifica. Questi test devono riprodurre non solo il funzionamento del componente ma anche le condizioni ambientali più comuni in cui si troverà ad operare.
Oltre ai test di durata vi sono altri tipi di test appartenenti alla categoria: shock meccanico, vibrazioni e, in generale, tutti quei test che sottopongono il campione a sollecitazioni sovrastressanti per periodi di tempo più o meno limitati.
3.2.3 Test fisici e meccanici
Nella specifica sono definiti i carichi statici massimi sopportabili dal componente.
Lo scopo dei test fisici e meccanici è la verifica della resistenza del componente a suddette sollecitazioni e la risposta a fronte di eventi rari ma sostenibili.
Le prove possono essere di carico assiale in trazione o compressione, di torsione, di flessione e taglio ed eventuali prove di pressurizzazione per componenti che lavorano con fluidi in pressione.
3.2.4 Test elettrici
Per i componenti il cui funzionamento è comandato elettricamente saranno previsti anche dei test che ne verificano il corretto funzionamento dal punto di vista elettrico.
3.2.5 Test funzionali
Appartengono a questa categoria tutti i test che caratterizzano il comportamento funzionale del prodotto in questione, ovvero che ne descrivono la funzione per la quale è stato progettato, secondo quanto definito dalla specifica. Questi test sono soggettivi e quindi potranno differire molto a seconda del componente esaminato.
I test funzionali rispecchiano le richieste del cliente e la verifica rende la caratterizzazione del prodotto, monitorando la sua efficienza nel tempo.
Esempi di prove funzionali possono essere la portata e la geometria dello spray di un iniettore, la portata di una pompa, la tenuta di una guarnizione ecc…
Più complesso il funzionamento del prodotto analizzato, maggiori e più varie saranno le prove funzionali che ne caratterizzano il comportamento.
I test funzionali sono svolti in forma parziale o completa dopo ogni test ambientale, di resistenza o di carico svolti nell’ambito dell’attività di Product Validation.
3.2.6 Pianificazione delle attività di validazione
La descrizione di tutti i test richiederebbe molto spazio ed esula dagli scopi di questo lavoro. Successivamente verranno descritti alcuni test di maggiore interesse per le attività svolte.
Nello schema in figura 3.1 è riportato un esempio di definizione di product validation in cui però non sono contemplate le tempistiche di svolgimento delle varie fasi di test.
In questo schema è prevista una sequenza di test che comprende una combinazione di test di resistenza e ambientali da eseguire su di una popolazione di cinquanta campioni, una seconda sequenza che prevede il ciclo di durata completo (che sarà a sua volta diviso in più fasi per effettuare delle verifiche intermedie) da eseguire su quaranta campioni ed un’ultima sequenza di sei campioni per il Salt Spray Test.
A completamento di questa pianificazione dovrebbe essere aggiunta una sequenza comprendente i vari test fisici e meccanici e un’altra per i rimanenti test ambientali.
Piezo Injector test sequence - Validation test sequence
Product Validation (PV) Plan
function test
stepped temperature test
shock test
bump test
hot enigne off temperature test
vibration loading with superimposed temperature
dust test
damp heat cyclic
power wash test
stepped temperature test
function test after lifetime/ environmental test
durability tests durability tests
50 X 40 X 6 X
Fig.3.1 Pianificazione tipo per la product validation
3.3 Risultati
Una parte dei test effettuati nella M3 per rilasciare la Design Validation non ha avuto buon esito. E'stata necessaria un'analisi e una pianificazione delle attività necessarie per superare il blocco.
Come previsto dalla procedura è intervenuto il management sia per quanto riguarda una parziale supervisione delle attività di pianificazione che per l’assegnazione delle risorse e dei tempi necessari a riportare la situazione in condizioni di normalità e di ripristino delle caratteristiche funzionali adeguate.
I test che non hanno avuto un responso positivo rispetto a quanto pianificato sono: • Vibration Test
• Durability • Thermal shock
• Hot Engine Off temperature • Power Wash Test
• Salt spray test
• Test relativi alla qualità dello spray
Ogni test non è riconducibile a un singolo problema in quanto le cause della variazione possono essere molteplici e collegate a molti aspetti.
In ogni caso è stato necessario predisporre un sistema strutturato per risolvere tutti problemi che sono correlati col mancato superamento dei test.
Dato che i test hanno evidenziato i sintomi dell’insorgere dei problemi che rappresentano il centro focale di questo lavoro, è parso necessario descrivere brevemente i principi su cui si basano.
3.3.1 Vibration test Test di vibrazioni
Durante il funzionamento del motore, i componenti sono soggetti a vibrazioni e il test ne simula l’esposizione.
Il componente viene montato per riprodurre le condizioni previste sul motore.
La modalità di oscillazione o profilo di vibrazione deve essere analoga a quelle che saranno le condizioni funzionali del componente assemblato: l’architettura del motore (numero di cilindri) è il fattore vincolante per la scelta del profilo di vibrazione.
L’esposizione a vibrazione ha una durata di 24 ore per ognuno dei tre assi. Test di vibrazioni in temperatura
Le modalità di svolgimento del test di vibrazioni in temperatura sono analoghe a quelle descritte precedentemente per il test a temperatura ambiente.
La differenza consiste nella camera di prova (camera climatica) e nella temperatura che segue l’andamento descritto in figura 3.2.
3.3.2 Durability test
Le prove di durata sono tra i test cruciali per il buon esito delle validazioni.
Scopo del test è la simulazione del funzionamento del componente per la durata operativa totale stabilita dalla specifica di progetto.
Le prove di durata avvengono a temperatura ambiente e a una maggiore (superimposed
temperature). La prova a temperatura più elevata è più significativa perché le condizioni
sono più critiche.
Le prove di durata sono caratterizzate da una lunga esposizione a cicli di carico e funzionamento. Il numero dei cicli è variabile a seconda delle condizioni impostate. L’ordine di grandezza è di 400 milioni di cicli.
3.3.3 Thermal shock
Il Thermal Shock test simula rapidi aumenti di temperatura dei componenti del motore partendo da temperature molto basse.
In figura 3.3 è riportato, in funzione del tempo, l’andamento della temperatura durante il test.
I valori estremi di temperatura che si hanno durante il test sono i valori massimi e minimi in cui, come definito dalla specifica, si richiede il funzionamento (ad esempio tra -32°C e +140°C). Queste temperature sono rappresentative delle condizioni più estreme che il componente potrà incontrare durante la sua vita operativa. Il tempo (t3) necessario a portare il componente testato da una temperatura all’altra deve essere inferiore ai 30 secondi mentre i tempi (t1 e t2) di permanenza alle temperature estreme devono essere tali da garantire il completo raggiungimento della relativa temperatura in ogni parte del componente. I tempi t1 e t2 sono funzione del rapporto tra il volume e la superficie esterna del componente.
La prova è ripetuta per 100 cicli. 3.3.4 Hot Engine Off
L’hot engine off è un test rappresentativo dell’arresto del motore a pieno regime termico. Come lo stepped temperature, anche l’hot engine off è un test specialistico per componenti che lavorano con liquidi in pressione.
La figura 3.4 rappresenta l’andamento della temperatura di un ciclo di funzionamento. I cicli di funzionamento sono 35 in totale.
L’incremento di temperatura da 140 °C a 150 °C è caratteristico dell’arresto del motore in pieno regime termico e rappresenta dal punto di vista termico la condizione più gravosa. La temperatura indicata in figura è la temperatura dell’ambiente in cui il componente si trova dove i valori massimi e minimi sono quelli indicati da specifica.
Il test può essere ulteriormente specializzato prevedendo varie pressurazioni e attivazioni del componente durante la prova.
Fig.3.4 Andamento della temperatura nel hot engine off test
3.3.5 Power Wash Test
Il power wash test simula la procedura di pulizia del motore.
Durante il test ogni apertura funzionale del componente deve essere chiusa. Il test prevede di colpire il componente da testare con un getto multiplo di acqua che copre un arco di 35 gradi con un margine di ±5 gradi, da una distanza di 90 ± 10 mm.
Il getto d’acqua ha una pressione di 100±3 bar e una temperatura di 80°C.
Un ciclo di funzionamento prevede il movimento del getto lungo tutta la lunghezza del campione in andata e ritorno.
3.3.6 Salt Spray Test
Il salt spray test prevede l’esposizione del campione da testare in un ambiente ad umidità controllata con una forte concentrazione salina.
La durata del test è di 400 ore con la possibilità di effettuare controlli intermedi. Tutte le aperture funzionali devono essere chiuse durante il test.
Il controllo alla fine del test è di tipo visivo: non sono ammesse ossidazioni.
E' da segnalare come i tempi per far rientrare le deviazioni emerse siano molto stretti e legati da esigenze contrattuali del cliente.
Ogni test ha una documentazione apposita collegata nella quale sono esplicitati tutti i risultati quantitativi del campione testato.
In seguito al controllo interno i pezzi vengono inviati al cliente che a sua volta sottopone il campione a test analoghi; in caso di risultati diversi da quelli ottenuti in Siemens, il cliente spedisce indietro i cosiddetti "ritorni" per un'analisi da parte dei team dedicati.
3.3.7 Test relativi alla qualità dello spray
Per garantire una combustione stabile è necessario avere una certa geometria del gruppo valvola. Le dimensioni richieste (denominate step e gap) sono elencate nel contratto d’acquisto.
In figura 3.5 è visualizzato il cono generato dallo spray (spray cone angle) e le dimensioni caratteristiche definite nella specifica.
La figura 3.6 mostra uno schema della visuale dal basso dello spray con l’indicazione della sezione di riferimento per il rilievo del gap.
Fig.3.5 Cono dello spray
3.3.7.a Angolo del cono P (test sul 100% degli iniettori a fine linea) Parametri del test:
• Impostazioni generali (durata, frequenza, energia di attivazione nominale come definiti da specifica)
• Fluido Exxsol
• Temperatura del fuido di riferimento (20°C±1°C) • Pressione dell’ambiente circostante = 1atm • Pressione del fluido: 3MPa, 10 MPa
• Riferimento a distanza dall’ugello (needle) pari a 10 mm (B-B’) • Ritardo: 0,4 ms
• L’orientamento dell’iniettore durante l’acquisizione delle immagini dello spray deve essere in linea con la posizione della candela
Procedura:
• Acquisizione di 20 immagini sequenziali in ombra: le immagini devono essere riprese da una fotocamera CCD posizionata di fronte allo spray. (Fig. 3.5) L’illuminazione è resa con una luce stroboscopia.
• Rielaborazione delle 20 immagini usando la scala di grigi
• Calcolo dell’angolo del cono P delle singole immagini acquisite e calcolo della media degli angoli misurati
• L’angolo del cono di riferimento per ogni iniettore è dato dal valore medio Requisiti:
• Fluido a 10 MPa Î P=86°±7° per ogni singola immagine • Fluido a 3 MPa Î P=83°+10°-5° per ogni singola immagine
3.3.7.b Integrità del cono (test sul 100% degli iniettori a fine linea) Parametri del test:
• Impostazioni generali (durata, frequenza, energia di attivazione nominale come definiti da specifica)
• Fluido Exxsol
• Temperatura del fuido di riferimento (20°C±1°C) • Pressione del fluido di riferimento (200 bar±1%)
• Temperatura dell’ambiente circostante = Temperatura del fluido di riferimento • Pressione dell’ambiente circostante = 1atm
• Tempo di acquisizione = 0,4 ms
• Area di riferimento per l’analisi: corona circolare dell’area dello spray di raggio interno pari 8mm e raggio esterno pari a 12 mm. Il settore fa riferimento a una vista dal basso secondo la direzione assiale dell’iniettore.
Procedura:
• Acquisizione di 20 immagini sequenziali in ombra: le immagini devono essere riprese da una fotocamera CCD posizionata di fronte allo spray. L’illuminazione è resa con una luce stroboscopia.
• Rielaborazione delle 20 immagini usando la scala di grigi
• Creazione di un’immagine data dalla media dei valori rilevati nelle 20 immagini e verifica dell’omogeneità del settore (Spray Sector Gap) (Fig. 3.6)
3.3.7.c Angolo del semicono H (test sul 100% degli iniettori a fine linea) Parametri del test:
• Impostazioni generali (durata, frequenza, energia di attivazione nominale come definiti da specifica)
• Fluido Exxsol
• Temperatura del fuido di riferimento (20°C±1°C) • Pressione del fluido di riferimento (200 bar±1%) • Pressione dell’ambiente circostante = 1atm
• L’angolo H è definito come l’angolo tra l’asse dell’iniettore e il cono spray orientato secondo la linea di posizionamento della candela
• Riferimento a distanza dall’ugello (needle) pari a 10 mm (B-B’) • Ritardo: 0,4 ms
• L’orientamento dell’iniettore durante l’acquisizione delle immagini dello spray deve essere in linea con la posizione della candela
Procedura:
• Acquisizione di 20 immagini sequenziali in ombra: le immagini devono essere riprese da una fotocamera CCD posizionata di fronte allo spray. L’illuminazione è resa con una luce stroboscopia.
• Rielaborazione delle 20 immagini usando la scala di grigi
• Calcolo dell’angolo del semicono H delle singole immagini acquisite e calcolo della media degli angoli misurati
• L’angolo del cono di riferimento per ogni iniettore è dato dal valore medio Requisiti: H=45°±2° per ogni singola immagine
3.3.7.d Angolo del cono (senza requisiti statistici ma senza tolleranze) Parametri del test:
• Impostazioni generali (durata, frequenza, energia di attivazione nominale come definiti da specifica)
• Fluido Exxsol
• Temperatura del fuido di riferimento (20°C±1°C) • Pressione del fluido=0,5 MPa
• Pressione dell’ambiente circostante = 1atm
• Riferimento a distanza dall’ugello (needle) pari a 5 mm (B-B’) • Ritardo: 1,2 ms
Procedura:
• Acquisizione di 20 immagini sequenziali in ombra: le immagini devono essere riprese da una fotocamera CCD posizionata di fronte allo spray. L’illuminazione è resa con una luce stroboscopia.
• Rielaborazione delle 20 immagini usando la scala di grigi
• Calcolo dell’angolo del cono P delle singole immagini acquisite e calcolo della media degli angoli misurati
• L’angolo del cono di riferimento per ogni iniettore è dato dal valore medio Requisiti: angolo del cono ≥73°
3.3.7.e Angolo frontale G (test sul 100% degli iniettori a fine linea) Parametri del test:
• Impostazioni generali (durata, frequenza, energia di attivazione nominale come definiti da specifica)
• Fluido Exxsol
• Temperatura del fuido di riferimento (20°C±1°C) • Pressione del fluido di riferimento (200 bar±1%) • Pressione dell’ambiente circostante = 1atm • Ritardo: 0,2 ms
Procedura:
• Acquisizione di 20 immagini sequenziali in ombra: le immagini devono essere riprese da una fotocamera CCD posizionata di fronte allo spray. L’illuminazione è resa con una luce stroboscopia.
• Rielaborazione delle 20 immagini usando la scala di grigi
• Calcolo dell’angolo frontale G delle singole immagini acquisite e calcolo della media degli angoli misurati
• L’angolo frontale G di riferimento per ogni iniettore è dato dal valore medio degli angoli misurati
3.4 Situazione dopo la validazione
Il fallimento di una fase di validazione porta con sé notevoli conseguenze.
Il management deve decidere come intervenire per minimizzare i tempi e le risorse necessarie per risolvere la particolare situazione.
La figura 3.7 evidenzia l’impatto delle deviazioni e modifiche rispetto a quanto pianificato per tre fasi dello sviluppo:
• Sviluppo del prodotto (inteso come progettazione) • Sviluppo del processo
• Produzione
In blu è riportata la normale distribuzione delle risorse attribuite nel tempo per prodotti di questo tipo. La parte in rosso indica le risorse da aggiungere per far sì che siano recuperate le deviazioni incorse in tempo utile.
In ogni caso c’è un gran dispendio di risorse, specialmente per quanto riguarda la progettazione. E’ noto che le modifiche di progettazione hanno un costo che cresce esponenzialmente con l’avanzamento dello sviluppo e del tempo.
Per minimizzare le risorse e risolvere i problemi emersi è necessario un grosso sforzo da parte di tutto il personale: tecnici, progettisti, manager ecc…
In questa situazione è necessario avere un sistema di gestione delle modifiche adatto ad affrontare in tempi brevi i problemi e che sappia far fronte alle emergenze in modo strutturato e coordinato.
E’ impensabile lasciare alla buona volontà di ognuno l’analisi dei problemi e la ricerca di soluzioni.
I metodi di problem solving vengono incontro a queste esigenze e costituiscono l’argomento dei successivi capitoli.
Fig.3.7 Andamento qualitativo delle risorse distribuite durante le principali fasi dello sviluppo e impatto delle relative deviazioni.
