La scelta giusta
White Paper
ASSEMBLY TECHNOLOGY
EXPERT
La scelta giusta (scegliere l’el- emento di collegamento ido- neo in fase di progettazione)
di Francis Khoo Engineering Manager Bossard Asia Pacific www.bossard.com
Tutti i diritti riservati © 2020 Bossard
Le raccomandazioni e i consigli descritti devono essere adeguatamente verificati dal lettore nell'utilizzo pratico ed essere approvate come idonee alle proprie applicazioni.
Con riserva di modifiche.
LA SCELTA GIUSTA
Prefazione
Il seguente articolo “La scelta giusta", riguardante la selezione degli elementi di collegamento, è redatto fon- damentalmente per ingegneri progettisti che hanno es- perienza di ingegneria meccanica e che hanno potere decisionale sulla scelta dei componenti meccanici. L’au- tore spera che questo articolo possa essere utile sia ad ingegneri freschi di laurea sia a quelli che hanno già es- perienza nelle diverse industrie.
Va sottolineato innanzitutto che ogni argomento discusso, ogni requisito, ogni caratteristica dell’elemento di collegamento potrebbe costituire un capitolo a sé stante. Questo articolo vuol solo essere una breve panoramica a riguardo.
Gli ingegneri progettisti che si occupano della scelta degli elementi di collegamento e dei metodi di assemblaggio possono basare le pro- prie decisioni su progetti precedenti o su altri prodotti. Tuttavia, se il prodotto è stato soggetto a molte modifiche ed aggiornamenti, il metodo di assemblaggio scelto originariamente potrebbe non essere più appropriato. Sarebbe quindi opportuno effettuare una revisione dei requisiti del progetto.
Decisioni basate su altri prodotti simili, in un certo senso accomodanti, corrono il rischio di ‘perdere di vista’ quei fattori del progetto che possono non essere stati considerati a che, a volte, sono rilevanti.
La funzione primaria degli elementi di col- legamento, come ben sappiamo, è facilitare l’assemblaggio e la manutenzione. Altrimenti altre soluzioni, quali la rivettatura e la saldatura, solo per nominarne un paio, potrebbero rivelarsi sufficienti.
In questo articolo, l’autore proverà ad esaminare il tutto, cercando di trovare una strada che consolidi le pratiche di progettazione del prodotto con la selezione dell’elemento di collegamento attraverso tutti i vari processi, ai fini di migliorare la produttiv- ità e minimizzare i rischi.
Obiettivi
I prodotti utilizzati al giorno d’oggi variano da quelli di tipo “usa e getta” a quelli che richiedono una manutenzione giornaliera. Un giocattolo, per esempio, può essere usato e gettato senza alcun problema, se non di natura sentimentale.
Un aeroplano, utilizzato da migliaia di passeggeri, richiede sicuramente un attento controllo da parte dello staff di terra e del pilota prima di effettuare il decollo.
Spesso gli elementi di collegamento richiamano l’attenzione solo dopo aver deciso le funzionalità primarie del progetto. Questo comporta spesso uno spazio limitato, costringendo ad utilizzare un elemento di collegamento non realizzato secondo le norme, comunemente chiamato “speciale” nel settore industriale. Un ingegnere progettista deve assicurarsi che il prodotto sia in grado di soddisfare le funzioni primarie. Se l’assemblaggio deve essere realizzato con elementi di collegamento devono essere tenute in considerazione le caratteristiche base degli stessi e, di norma, le informazioni seguenti sono sicuramente una buona base di partenza:
• materiale
• dimensione
Durante la fase successiva, quando il prodotto pro- gettato è pronto per la produzione, le informazioni relative all’elemento di collegamento dovrebbero progredire in questa direzione.
Si raccomanda sempre di raccogliere informazioni sugli standard industriali. Le informazioni possono essere ottenute da varie fonti:
• tipologia dell’elemento di collegamento
• resistenza meccanica dell’elemento di colle- gamento
• gestione del materiale e della corrosione Di seguito è riportato l’esempio della descrizione di un elemento di collegamento sufficientemente det- tagliata, con la quale un fornitore dovrebbe essere in grado di capire la richiesta ed un acquisitore sarebbe in grado di approvvigionarsi. Il diagramma con le
“caratteristiche dell’elemento di collegamento”
fornisce la descrizione completa di una vite a testa esagonale. Uno dei malintesi più comuni quando si fa riferimento agli standard industriali, come la norma DIN 933, è quello di non descrivere comple- tamente i requisiti dell’elemento di collegamento. La DIN 933, per esempio, definisce dimensionalmente l’elemento di collegamento. La norma non definisce la classe di resistenza ed il rivestimento superficiale dell’articolo finito.
Le informazioni ed i disegni dei prodotti sono disponibili nei cataloghi standard. Per esempio, il catalogo Bossard fornisce informazioni tecniche dettagliate. Gli elementi di collegamento sono correttamente codificati con informazioni tecniche dettagliate. Inoltre, nella Parte Tecnica del catalogo vengono evidenziate le informazioni relative agli standard industriali, ai requisiti ed alle applicazioni.
Punti chiave
• conosciuto come “La bibbia degli elementi di collegamento”
• contiene oltre 50.000 prodotti
• peso ~ 2 kg
• più di 1.120 pagine
• suddiviso in 15 sezioni
La tecnologia ha permesso di semplificare la progettazione rendendo possibile l’inserimento del disegno dell’elemento di collegamento, se disponi- bile, direttamente nel progetto dell’assemblaggio, indipendentemente dalla piattaforma.
Fig. 1: Vite a testa esagonale M10 x 50mm DIN 933 classe di resistenza 8.8 zincata passivata bianca
Fig. 2: Catalogo Bossard
Esempi di possibili anteprime della Libreria CAD Bossard:
Fig. 3: L’anteprima può essere ingrandita, ruotata...
Fig. 5: Anteprima in rotazione
Fig.4: Disegno 2D
Fig. 6: File PDF con vista 3D
Sono appropriate o necessarie le seguenti considerazioni
Requisiti ambientali quali lo smaltimento dei rifuti, RAEE; restrizione all’uso di sostanze pericolose, RoHS, e simili
• attrezzature per la produzione di serie
• facilità di manutenzione
• sicurezza e rischi
• disserraggio del collegamento
Il processo di selezione degli elementi di collegamento sarà spesso un processo decisionale in divenire.
Cosa più importante, le decisioni su come realizzare l’assemblaggio devono essere prese in fase di pro- gettazione e non devono essere rinviate alla fine, quando diventerà problematico definire i punti di collega- mento.
La conoscenza dell’ambiente di montaggio previsto sarà di aiuto durante la fase decisionale. Per esempio,
le attrezzature e le macchine utilizzate, i limiti di capacità, i metodi di taratura.
Un ingegnere progettista mi ha raccontato che una volta dovette riprogettare l’assemblaggio del prodotto perché il personale in produzione era esclu- sivamente femminile. Il progetto originale richiedeva troppa forza fisica durante l’assemblaggio.
Alcuni elementi di collegamento sono progettati in modo tale da soddisfare sia le esigenze della produzione di serie che la manutenzione. Nella foto sotto è mostrato un elemento di collegamento comunemente utilizzato nelle apparecchiature elettriche. Si può notare come l’impronta di manovra sia realizzata in modo tale da soddisfare sia le esigenze della produzione di serie sia quelle della manutenzione o dell’assistenza dove non siano facilmente disponibili attrezzature adatte. In questo caso è sufficiente una monetina.
Gli elementi di collegamento sono progettati per assemblare due particolari e per consentire la manutenzione dei prodotti che ne abbiano necessità. Questi semplici e banali elementi di collegamento non dovrebbero, possibilmente, essere investiti di “maggiori responsabilità”. Per esempio, sollecitazioni di taglio elevate, riferimento di posizione, orifizio per liquidi e simili. Esistono diverse soluzioni progettate per questo e dovreb- bero essere utilizzate come entità separate.
Regole fondamentali
• gli elementi di collegamento devono essere di qualità pari, se non superiore, di quella dei particolari assemblati
• i collegamenti filettati non dovrebbero mai diventare punti deboli
• gli elementi di collegamento assemblati devo- no sempre essere ispezionabili e, all’occorren- za, sostituiti
Soprattutto nel caso di assemblaggi critici, va ricordato che i “gli elementi di collegamento devono essere di qualità pari, se non superiore, di quella dei particolari assemblati; i collegamenti filettati non dovrebbero mai diventare punti deboli”. Esat- tamente lo stesso principio che regola le saldature.
E che gli elementi di collegamento assemblati devono sempre essere ispezionabili e, all’occor- renza, sostituiti. Nei principi di progettazione e per motivi di sicurezza è imperativo che i collegamenti critici siano accessibili per la manutenzione senza
processi supplementari o con processi minimi. Il sottoscritto ha effettuato un’ispezione a collega- menti critici che richiedevano 25 ore uomo per la rimozione degli accessori che rendevano accessibili i collegamenti per svolgere la manutenzione. Tutti noi sappiamo che questo può sicuramente essere progettato meglio.
I requisiti di assemblaggio per gli elementi di collegamento, spesso dimenticati, o l’insufficiente attenzione nei loro confronti durante la fase di pro- gettazione potrebbero portare a pochi benefici con elevati costi di sostituzione una volta che il nuovo prodotto venga messo in produzione di serie.
Ciò viene elaborato nel diagramma costi e benefici.
L’attenzione fin dall’inizio ai requisiti generali di progettazione, soluzioni di collegamento comprese, previene modifiche inutili e costi a lungo termine
LA SCELTA GIUSTA
Disponibilità
L’impiego degli elementi di collegamento quale soluzione ingegneristica si applica ormai da decenni nell’industria.
I processi produttivi sono stati ottimizzati e continueran- no ad esserlo per fornire la soluzione ingegneristica più economica.
In pratica, quando possibile, dovrebbero essere scelti elementi di collegamento standardizzati. I vantaggi offerti sono numerosi. Le caratteristiche conosciute, la disponibilità, i fornitori disponibili, i buoni tempi di consegna, l’interscambiabilità, solo per nominarne alcuni. La pratica e l’esperienza hanno dimostrato che fino al 70% degli sprechi possono essere evitati utilizzando particolari standardizzati rispetto agli articoli speciali. E ciò non comprende i costi per l’ambiente.
Un’altra buona ragione per utilizzare elementi di collegamento standardizzati, spesso trascurata o dimenticata, è l’Avviso di Modifica Tecnica (ECN).
Non è raro che gli ingegneri minimizzino la neces- sità di un Avviso di Modifica Tecnica riguardante gli elementi di collegamento – questi articoli hanno un valore talmente basso per investire in un processo complicato e costoso come l’Avviso di Modifica Tecnica. Di sicuro, il processo ed il costo di un Avviso di Modifica Tecnica non dipendono dal costo del prodotto, e qui sta il problema.
L’acquisto di elementi di collegamento da una fonte affidabile è una sfida da non sottovalutare.
L’approccio semplice e “pratico” di utilizzare il costo quale parametro di valutazione non può essere l’unica soluzione. Se l’acquisto degli elementi di collegamento avviene una sola volta possiamo anche accettarlo, ma non appena si ha la necessità di consegne periodiche, la fonte di approvvigiona- mento deve essere affidabile.
Gli ingegneri progettisti, che sono responsabili dell’acquisto dei prodotti, devono essere cons- apevoli del fatto che i prototipi possono differire dagli articoli prodotti in serie. Le tempistiche per l’approvvigionamento dei prodotti ed il costo delle
attrezzature possono rappresentare un fattore cruciale.
La responsabilità principale degli ingegneri progettisti consiste nella progettazione di un prodotto funzionale, di buona qualità e che soddisfi i requisiti del mercato. È necessario distinguere fra buon progetto, prodotto finale e buona componen- tistica. Se la qualità della componentistica è buona, ma il prodotto finale non soddisfa pienamente le aspettative, c’è ancora una certa probabilità di successo. Tuttavia, se il prodotto finale è buono ma i componenti sono di bassa qualità, le possibilità di successo si riducono in maniera esponenziale.
Non compromettete mai un buon prodotto utiliz- zando componentistica di qualità scadente. Questo vale soprattutto per gli articoli C, il cui prezzo di acquisto è relativamente basso e non supera il 5% del costo totale del prodotto. Non vale la pena sprecare il tempo prezioso di un ingegnere.
Un altro importante fattore che gli ingegneri progettisti devono tenere in considerazione è che il prodotto o la soluzione disponibile sul luogo della progettazione non necessariamente sarà anche disponibile per la produzione di serie al sito produttivo. Occorre considerare i costi per l’appro- vvigionamento.
Il seguente grafico “Produzione per asportazione di truciolo o per stampaggio a freddo” mette a confronto i costi di un elemento di collegamento stampato a freddo con quelli di un elemento di col- legamento tornito. Ciò che sembra ovvio potrebbe non esserlo quando non vi si pone la debita attenzi- one. È sicuramente un buon investimento il tempo necessario agli ingegneri progettisti per valutare se utilizzare particolari stampati a freddo rispetto a particolari torniti.
Particolari realizzati per asportazione di truciolo Particolari stampati a freddo
Piccoli lotti produttivi Lotti minimi da 100.000 a 300.000 pezzi
Spigoli vivi Alto tasso di produzione
Forme complesse Sfrido quasi nullo
Impronta a croce non possibile Nessuno spigolo vivo
Sfrido 20-70% Forme meno complesse
La rappresentazione grafica del “costo reale in sito” fornisce spesso il costo reale di un prodotto.
Molto spesso il costo degli elementi di collegamento (articoli C) corrisponde a circa il 5% del costo totale del prodotto. Tuttavia, i costi di acquisizione possono rappresentare fino al 50% del totale.
L’ingegnere progettista può considerare la questione dei costi al di fuori delle sue responsabilità. Tuttavia, sarebbe di grande aiuto se le descrizioni degli elementi di collegamento fossero chiare e la selezione fosse basata sugli standard industriali. Un aspetto non direttamente legato alla questione dei costi è la miglior reperibilità dei particolari. Queste tipologie di elementi di collegamento creeranno minor dipen- denza per la realizzazione dei prototipi.
Fig. 7: Articoli A: valore unitario elevato, quantità ridotte, bassi costi di gestione; Articoli C: basso valore unitario, quantità elevate, alti costi di gestione
LA SCELTA GIUSTA
Decisione
La maggior parte dei prodotti viene sottoposta, durante la fase di sviluppo, ad una serie completa di test approfonditi prima dell’immissione sul mercato.
Grazie al progresso dei software e all’aumento della capacità di calcolo le procedure di collaudo attual- mente possono essere ridotte al minimo.
A volte la pressione per immettere i prodotti sul mercato compromette le procedure di collaudo. Per supportare l’integrità dell’assemblaggio del prodotto sono disponibili diversi equipaggiamenti per i collaudi.
Sul nostro sito www.bossard.com e nell’ITunes Store sono disponibili alcuni software come il calcolatore di coppia e precarico
Fig. 8: Banco per prove di montaggio
Un’altra simulazione a scopo di test durante la produzione del prodotto può essere svolta utilizzando la macchina di prova Junker. Questo test di simulazi- one serve per determinare se e quali componenti subiscano un allentamento e come sia possibile ridurre o eliminare questo fenomeno.
I test di assemblaggio di cui sopra possono essere svolti prima di quelli di affidabilità e funzionalità del prodotto. L’esecuzione dei test in fase di assemblaggio precedentemente a quelli del pro- dotto aumenterà l’affidabilità dei prodotti e ridurrà il rischio di danni.
Per chi scrive il compito attualmente più impegna- tivo per un progettista è quello di determinare la durata di un prodotto in termini di gestione della corrosione. In altre parole, quanto tempo potrà funzionare il prodotto assemblato prima che la corrosione provochi un malfunzionamento. Spesso una soluzione semplice ed immediata è rappre- sentata dall’acciaio inossidabile. Nell'attuale contesto economico l’impiego dell’INOX è spesso messo in discussione a causa dei costi. La ricerca di componenti in acciaio al carbonio, dotati di una soluzione ottimale per la gestione della corrosi- one, a volte rappresenta una vera e propria sfida.
Il rischio di infragilimento da idrogeno, che può verificarsi in caso di acciaio al carbonio ad elevata resistenza meccanica con alcune tipologie di trat- tamenti anticorrosione, deve essere attentamente monitorato e gestito.
Un’altra problematica correlata è la necessità di realizzare una filettatura minorata per le viti o maggiorata per i dadi in modo che possa essere applicato lo spessore ottimale del rivestimento anticorrosione. Ciò può compromettere la resis- tenza originale degli elementi di collegamento. Va notato che non devono essere utilizzati entrambi insieme.
Il feedback dei clienti è una fonte d’informazioni importante per identificare ed implementare i miglioramenti dei prodotti.
Fig. 9: Macchina di prova Junker
Fig. 11: Esempio di marcatura per dadi zincati a caldo con filettatura maggiorata tolleranza 6AZ dopo la zincatura a caldo
Fig. 10: Esempio di marcatura per viti zincate a caldo con filettatura minorata tolleranza 6az prima della zincatura a caldo
1) marchio di identificazione del fabbricante 2) classe di resistenza e sigla supplementare
LA SCELTA GIUSTA
Riassunto
Per essere certi di poter utilizzare articoli standardizzati, la definizione e la selezione degli elementi di collegamento non dovrebbero essere prese in considerazione solamente al termine della fase di progettazione. Occorre prestare la dovuta attenzione al processo di assemblaggio per mas- simizzare i benefici prima di completare la progettazione ed avviare la produzione di serie.
Conclusioni
La scelta di un elemento di collegamento per un’applicazione concreta potrebbe non essere così semplice come si potrebbe pensare inizialmente e, col tempo, potrebbe rivelarsi un’impresa spiace- vole. Delle buone basi di conoscenza nel settore degli elementi di collegamento e della gestione della corrosione possono essere utili. La selezione della corretta soluzione è un processo ripetitivo.
Per essere certi di aver fatto la scelta giusta, occorre effettuare dei test, il che richiede atten- zione e tempo. È necessario prestare attenzione ai feedback provenienti dall’industria per quanto riguarda la progettazione. Essere flessibili nel rispondere alle richieste del mercato. Non basare mai la propria scelta relativa a elementi e soluzioni di collegamento sul prezzo del singolo elemento ma considerare sempre tutti gli aspetti economici dovuti alla progettazione e alla realizzazione del prodotto. La qualità iniziale di un prodotto non potrà mai essere l’aspettativa di una qualità continuativa. Rivolgetevi ad un distributore o ad un produttore che abbiano una buona reputazione per garantire una qualità costante nel tempo.
Non disattendete le aspettative dei vostri clienti, i prodotti che sviluppate meritano soluzioni di collegamento affidabili.
Contattate gli esperti del reparto Engineering Bossard. I nostri ingegneri sono in grado di assis- tervi nell’ottimizzazione del progetto per migliorare l’assemblaggio del prodotto. Questo vi consentirà una soluzione economica, una riduzione dei rischi ed una maggior probabilità di immettere il prodotto sul mercato nei tempi previsti.
Gli ingegneri Bossard sono specialisti accuratamente formati, in grado in ogni momento di sviluppare per voi soluzioni globali nel settore della tecnica di collegamento. Contattate i nostri esperti per maggiori informazioni sui servizi e sulle soluzioni disponibili e per sperimentare in prima persona che la tecnica del collegamento è davvero la nostra passione.
LA SCELTA GIUSTA
Conoscenza della tecnica dei collegamenti filettati
A proposito dei servizi di engineering bossard
Bossard offre supporto e numerosi servizi di Engineering per i progettisti. Organizziamo inoltre seminari presso la vostra sede su soluzioni e tecniche di collegamento. Il nostro catalogo on-line e le informazioni tecniche in esso contenute vi aiuteranno a trovare gli elementi di collegamento adatti.
I servizi di engineering attualmente disponibili online sono:
• Calcolatore di coppia e precarico: per un calcolo preliminare della coppia di serraggio e del corrispon- dente precarico, necessario durante il montaggio.
• Lunghezza di avvitamento: nel caso dei fori ciechi filettati è spesso necessario che la filettatura sia sufficientemente lunga per evitare il serraggio eccessivo della vite e la conseguente perdita di precari- co, in moda da realizzare un progetto più economico.
• Calcolatore del risparmio sui costi: una panoramica del potenziale risparmio dei costi diretti con una moltitudine di soluzioni di collegamento.
• Convertitore di unità di misura: un utile strumento per convertire i risultati dei vostri calcoli in diverse unità di misura. Uno strumento indispensabile per tutti gli ingegneri in questo nuovo ambiente globale Tutti questi strumenti d’ingegneria sono disponibili come app da scaricare e installare su uno smartphone compatibile
1. Non esistono elementi di collegamento o trattamenti superficiali economici o costosi
2. Esistono solo progetti, soluzioni e metodi efficaci sotto il profilo dei costi
3. L’elemento di collegamento più economico può rivelarsi quello più costoso!
