Principi e Metodologie della Progettazione Meccanica · 5 Ergonomia x x x x 6 Estetica x x x x 7...

Principi e Metodologie della progettazione meccanica

Principi e Metodologie della Progettazione Meccanica

ing. F. Campanaa.a. 10-11

Corso del II anno della laurea magistrale in ingegneria meccanica

•Iter di progetto (secondo il modello di Pighini – Des ign for Quality)

•Lista dei requisiti (o capitolato di progetto)


Progettare un prodotto significa definire la struttura e la modalità di realizzazione di un sistema in modo tale che esso possa assolvere a delle specifiche richieste.

Questo avviene attraverso un iter che, nel caso più generale (ovvero definizione di prodotti innovativi), è composto dalle seguenti fasi:

1. Indagini di mercato per definire le specifiche del cliente e valutare la concorrenza2. Progettazione concettuale (avamprogetto e definizione dei concept)3. Progettazione di massima3. Progettazione esecutiva

EsigenzaEsigenza

Prodotto Prodotto finitofinito

Progetto di Progetto di massimamassima

Pianificazione del processo di Pianificazione del processo di produzioneproduzione

ProduzioneProduzione

Progetto esecutivoProgetto esecutivoProgetto Progetto concettualeconcettuale

Iter di progettazione

N.B. La necessità di modellare l’iter di progettazione (sorta nella seconda metà del ‘900) ha rappresentato un punto chiave per la messa a punto delle procedure informatiche di supportoallo sviluppo prodotto (PLM/PDM) e per la definizione di strategie industriali ottimizzate(progettazione per la qualità, total quality management).


1. La progettazione concettuale: in cui si definisce il principio di funzionamento ed un primo schema di massima (arrangiamento) del sistema

2. La progettazione di massima: in cui si procede al dimensionamento ed all’ottimizzazione dell’arrangiamento dei componenti

3. La progettazione esecutiva: in cui si indicano e risolvono tutte le problematiche di assemblabilità e funzionalità del sistema

4. La progettazione della fabbricazione del sistema: in cui si risolvono tutti i problemi legati a come produrre il sistema

Ogni singola fase presuppone specifici documenti che attestano il lavoro e lo stato del progetto, i disegni (o tavole) di progetto sono senza dubbio i documenti più importanti. In funzione della fase di progetto si distinguono:

•• disegni di disegni di avamprogettoavamprogetto (schizzi a mano, rappresentazioni concettuali)(schizzi a mano, rappresentazioni concettuali) (progetto di massima)(progetto di massima)

•• disegni costruttivi (tavole di complessivi, di sottogruppi, di cdisegni costruttivi (tavole di complessivi, di sottogruppi, di componenti)omponenti) (progetto esecutivo)(progetto esecutivo)

•• disegni di fabbricazione (indicazioni tolleranze, rugositdisegni di fabbricazione (indicazioni tolleranze, rugositàà, sovrametalli, , sovrametalli, ……)) (per chi deve produrre) (per chi deve produrre)

•• disegni disegni ““come costruitocome costruito”” (per l(per l’’archiviazione)archiviazione)

La progettazione concettuale ha il compito di definire i principi di funzionamento del sistema dando un prototipo di avamprogetto che successivamente verrà dimensionato ed ottimizzato nella fase di progettazione di massima e poi esecutiva. Il livello di dettaglio nella definizione delle singole parti cresce esponenzialmente man mano che si procede dalla fase concettuale a quella esecutiva. Il prodotto finale della fase esecutiva è il progetto della fabbricazione del sistema in cui, oltre alla sua forma e dimensione, si fissano i requisiti di fabbricazione, le tolleranze e le rugosità


Il capitolato o lista dei requisiti è il primo documento ufficiale di sviluppo prodotto e rappresenta il punto di partenza per l’impostazione del design for quality.

Metodi concorrenti sono il Quality Function Deployment (QFD) e l’Axiomatic Design (di cui si daranno cenni successivamente).

La soddisfazione del cliente si traduce in requisiti di qualità (o proprietà) da formalizzare in opportuni elenchi in grado di qualificare e quantificare la richiesta.

Poiché il progetto oltre ai requisiti di qualità dovrà avere dei requisiti tecnici di funzionalità e performance distinguiamo due classi di proprietà: le proprietà interne e le proprietàesterne.

La lista dei requisiti

Le p. interne sono tutte le prerogative fisiche del sistema, ovvero tutti gli aspetti di pertinenza specifica dell’ingegnere:

resistenza (statica, a fatica, a frattura, …), rigidezza, rivestimento, resistenza alla corrosione, durezza,formabilità, resilienza, … (comportamento dei materiali)

controllo delle traiettorie, comportamento dinamico, rapporti di trasmissione, scelta degli elementi e degli organi funzionali, … (meccanica e dinamica delle strutture, costruzione di macchine, turbomacchine, elettrotecnica, oleodinamica, … )

tolleranze di forma e costruttive, modalità di fabbricazione ed assemblaggio (tecnologia)

Le p. esterne sono gli aspetti del sistema percepiti dal cliente o da operatori diversi dal progettista che vengono a contatto con il sistema durante il suo ciclo di vita. La qualità è quindi la realizzazione come da specifica delle proprietà esterne interessanti per il cliente.


Le proprietà esterne

• Le modalità di realizzazione di queste proprietà e quindi il loro grado di eccellenza sono funzione delle proprietà interne del sistema

• le tecniche di progettazione orientata(#) sono finalizzate ad ottimizzare proprietàspecifiche

(#) progettazione orientata o design for X

Proprietà esterna Scopo della progettazione orientata cliente azienda ambiente

Proprietà funzionaliN.B. Realizzare le funzioni richieste è l'obiettivo minimo della progettazione!

Prestazioni del S.M.Ottimizzare i valori di targa del sistema garantendone la robustezza (Robust Design) x

AffidabiltàDefinire e garantire la probabilità che il sistema compia la sua missione con successo per la durata di tempo prestabilita

x

SicurezzaRidurre/eliminare il rischio di danno per l'operatore e/o l'ambiente circostante x

ErgonomiaOttimizzare l'interfaccia uomo-macchina nel rispetto della fisiologia umana x

Estetica Ottimizzare l'aspetto e la percezione del sistema x

Rispetto degli standard/norme Applicare quanto previsto dalle norme legislative/tecniche x x

Attitudine alla manutenzione Semplificare/ridurre le operazioni di manutenzione x

Attitudine al trasporto Semplificare le operazioni di trasporto del sistema x

Attitudine all'assemblaggioOttimizzare le procedure di assemblaggio in produzione e/o esercizio x

Attitudine alla fabbricabilitàOttimizzare la scelta del processo produttivo e la sua sequenza x

RiciclabilitàRendere possibile in maniera agevole la riciclabilità del sistema x

Sostenibilità ambientaleEliminare/minimizzare le consegue dannose per l'ambiente (uomo, natura, società) a seguito della realizzazione, dell'uso e dello smaltimento del sistema

x

CostoMinimizzazione dei costi del sistema (costi di sviluppo, produzione, gestione) x

direttamente percepita da

fabbricazione


Le proprietà esterne

Pro

p. F

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S.M

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Proprietà esterna 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 141 Proprietà funzionali x x x x x2 Prestazioni del S.M. x x x x x x3 Affidabiltà x x x x x x4 Sicurezza x x x x x x5 Ergonomia x x x x6 Estetica x x x x7 Rispetto degli standard x x x x x x8 Attitudine alla manutenzione x x x x x9 Attitudine al trasporto x x x x10 Attitudine all'assemblaggio x x x x11 Attitudine alla fabbricazione x x x12 Riciclabilità x x x x13 Sostenibilità ambientale x x x x14 Costo x

•Alcune proprietà sono tra loro interconnesse. Ad es. la fabbricazione e l’assemblaggio influenzano fortemente il costo del sistema. La sicurezza implica affidabilità ma non il viceversa. Le prestazioni risentono dell’affidabilità e del rispetto degli standard.

•Alcuni legami sono più o meno forti a seconda del Sistema da progettare. Il progettista è libero di scegliere le priorità sulla base delle considerazioni fatte nella fase di chiarimento del compito.


Il processo di progettazione

• Lo scopo della progettazione è quello di definire come realizzare un sistema in grado di compiere le operazioni richieste secondo quanto indicato dal committente (= cliente)

• La progettazione è un processo di concretizzazione che porta dall’idea di partenza (=l’esigenza di compiere un dato processo in un dato modo) alla stesura del disegno esecutivo (= formalizzazione del sistema per rendere possibile la sua produzione).

• Questo processo può essere distinto in due fasi:– la progettazione concettuale o funzionale– la progettazione esecutiva

• Ciascuna di questi fasi è a sua volta un insieme di fasi e loop di verifica e correzione.

• A monte c’è la fase di chiarimento del compito che impone:– la definizione e la quantificazione dei requisiti di progetto (sia interni che esterni,

sia attesi che inattesi dal cliente);– la valutazione dello stato dell’arte e delle problematiche funzionali legate alla

scelta dei diversi principi fisici (detti anche principi tecnologici) con cui può operare il sistema in via di progettazione.


Chiarimento del compito

Studio della funzione

Scelta del principio tecnologico*

Analisi degli attuatori

Schemi concettuali e scelta dello schema ottimale

Progetto di massima (o preliminare)

richieste del cliente, vincoli aziendali

lista dei requisiti

tabella morfologica

disegni di massima

Concept D

esign

* N.B. in alcuni casi lo stato dell’arte ed i vincoli aziendali fanno anticipare la scelta del principio tecnologico alla fase di chiarimento del compito.


• Il primo passo necessario alla corretta impostazione del progetto consiste nel chiarimento del compito ovvero nella collezione ed organizzazione dei requisiti del sistema.

• In questa fase occorre focalizzare:– cosa deve realizzare il sistema e come deve farlo– che tipo di operando (= input primario) deve trasformare– In quale ambiente e circostanze

Il processo di progettazione: il chiarimento del compito

processoInput primari

Output primari

Output secondariInput secondari

Sistema daprogettare operatore


• L’analisi del processo che dovrà compiere il sistema serve a mettere in luce:– su quale principio fisico si baserà il sistema– un insieme di requisiti interni su cui basare la fattibilità tecnologica del

sistema stando allo stato dell’arte attuale.

• Il documento che formalizza questa fase è la lista dei requisiti (o capitolato/specifica di progetto). Il suo scopo consiste nel riepilogare le proprietà (= i requisiti) che dovrà avere il sistema. Può essere realizzata come una tabella suddivisa per proprietà. Le proprietàdevono essere:– dettagliate nelle eventuali proprietà interne che le realizzano,– quantificate dove possibile con valori di targa od intervalli plausibili, – ordinate in base a priorità messe in luce proprio dal chiarimento del

compito.



max 30°

Sviluppare il progetto (funzionale ed esecutivo) di un tavolino ribaltabile per sedili di treno.

Si consideri un ingombro massimo di 400 x 350 mm ed un’altezza da terra di circa 800 mm.

Il sistema deve essere ergonomico, di facile assemblaggio e fabbricazione, non deve prevedere manutenzione ed il suo utilizzo deve essere sicuro.


A titolo di esempio si illustrano due casi studio. Il primo riguarda il progetto di un tavolino ribaltabile per sedili di treno, il secondo una cioccolatiera. Si noti come l’assegnazione iniziale sia più scarna rispetto all’elenco della lista dei requisiti.

Esempio 1:


xPossibilità di regolare la posizione(leggio)

x5 mmFreccia massima

x200 NCarico massimo di progetto

x100 NCarico massimo di esercizio (in condizioni di massimo sbalzo)

xIngombro minimo se inutilizzato

800 mmAltezza da terra

350 mmProfondità x

400 mmLarghezzaIngombri del SM

x700 mmDistanza da terra dei braccioli

x

Descrizione dell’ancoraggio: il SM si ancora al sedile anteriore. L’inclinazione dello schienale (max 30°) può essere regolata mediante scorrimento in avanti della seduta; un guscio solidale a terra, cui sono fissati i braccioli, contiene il sedile fino a 1100 mm di altezza.

xSM ribaltabile per il sostegno di oggetti utili durante un viaggio in treno (libri, bicchieri, PC…).

Requisiti funzionali/Prestazioni del sistema

1

*D/A*RDETTAGLIPROPRIETA’

ESTERNE

List

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*D/A*RDETTAGLIPROPRIETA’

ESTERNE

xEvitare che gli oggetti scivolino

xAssenza di parti meccaniche scoperte

xAssenza spigoli vivi

xEvitare usi impropri del sistema

xEvitare aperture inatteseSicurezza3

xSistema in grado di garantire una corretta postura

xSistema di facile pulizia

xPresenza vano portaoggetti e portabibite

xSemplicità di azionamento

xModalità di utilizzo intuitiva e senza sforzi

Ergonomia2

List

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x

40 €Costo di fabbricazione massimoCosto7

x

Impiego di materiali e finiture appropriatiEstetica6

xAssenteManutenzione dei meccanismi

x

IllimitataDurata prevista Affidabilità e manutenibilità5

x

Facilità di assemblaggio in fase di montaggio

x

Impiego di componenti standard

x

Impiego del minor numero di componentiFabbricabilità e assemblabilità

4

*D/A*RDETTAGLIPROPRIETA’ ESTERNE

List

a es

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S i rea lizz i il p ro g etto d i u n a c io cco la tie ra ch e con sen ta d i p rep a ra re (a p a r t ir e d a p o lv ere eliq u id o ) la b ev an d a , m an ten er la ca ld a e m escer la .

S i ren d a p o ssib ile la p rod u z ion e d i a lm en o 5 l itr i d i b ev an d a , la tem p era tu ra d i p rep a ra z io n e s iaa l m ass im o 7 0 °C , m en tre q u ella d i reg im e sia in c lusa tra 40 ° C ed i 50 °C .T em p o d i p rep a ra z io n e d e l co m p osto : c ir ca 30 m in u ti.

L a m a cch in a d ev e essere in g rad o d i:- in d ica re la q u an tità d i liq u id o in ser ita /la q u an tit à d i c iocco la to restan te- p re im p o sta re la d u ra ta d i p rep a ra z io n e- reg o la re au to m atica m en te la tem p era tu ra u n a vo lta fissa to i l v a lo re (n o n s i r ich ied e u n a

a ccu ra tezza estrem a )- m isce la re co n con tin u ità il com p osto u n a vo lta p ro nto ev itan d o g ru m i- con sen tire la m esc ita

In go m b r i d i m a ss im a : 2 5 0 x 3 0 0 x 5 00 m m . P eso d i m ass im a ≤≤≤≤ 1 0 k gP o ten za m a x r ich iesta : 1 K W , a lim en taz ion e d o m estica .

S i cu r i l ’e rgo n o m ia d e ll ’az ion a m en to /u t il izzo e d e ll ’even tu a le tra sp o r to (sa ltu a r io )C ara tter is tich e d i m a n u ten z io n e : fa c ile p u liz ia d e lle p a r t i a co n ta tto con i l c iocco la toC ara tter is tich e d i s icu rezza : secon d o g li s tan d a rd o vv ero cer tif icaz ion e C E

I l p rezzo d i fa b b r ica z ion e s ia in fer io re a i 3 00 eu ro

Esempio 2

Specifica del cliente


Lista dei requisiti

�

Coincide con requisiti di Sicurezza

Entro la soglia di ?

R=richiesto

D=desiderato

O=omesso

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