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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE

RELAZIONE PER IL CONSEGUIMENTO DELLA LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA MECCANICA

Studio e sviluppo del sistema Digital Manufacturing

RELATORI IL CANDIDATO Prof. Ing. Claudio Fantozzi Michele Rossi Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Prof. Ing. Massimo Granchi Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Ing. Stefano Puccinelli Costruzioni Novicrom srl

Anno Accademico 2011-2012

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ai miei genitori, che hanno avuto pazienza

Ringraziamenti

Desidero innanzitutto ringraziare il Prof. Claudio Fantozzi, che mi ha dato l'opportunità di

conoscere l'azienda con la cui collaborazione questa tesi è stata svolta e mi ha fornito la sua

disponibilità e i suoi consigli per questo lavoro durante i sei mesi di tirocinio. Intendo, inoltre,

ringraziare il Prof. Massimo Granchi, che, con pochi ma mirati consigli, mi ha fornito precise

indicazioni sul lavoro da svolgere e dissipato dubbi sulla metodologia da seguire. Intendo poi

ringraziare la Costruzioni Novicrom srl, sottolineando la particolare disponibilità del Dott. Ste-

fano Fusai e dell'Ing. Stefano Puccinelli, per avermi dedicato il loro tempo e la loro pazienza

ed avermi insegnato molto durante questi mesi. Un ringraziamento va anche al Dott. Luca

Bronzini e all'Ing. Massimo Marinari, che mi hanno fornito precise indicazioni e consigli utili.

Desidero inoltre ringraziare l'Ing. Franco Gentile e la sign. Iliana Parrini per avermi o�erto

questa splendida opportunità all'interno della loro azienda.

Un ringraziamento particolare va a Benedetta, che mi ha supportato e sopportato durante

questi sette lunghi anni insieme, ed è riuscita a non farmi mai demordere anche nei momenti più

neri della mia carriera universitaria e non. Un ringraziamento va anche a mio fratello Lorenzo,

perché, nelle poche volte che mi sono con�dato, ha sempre saputo darmi indicazioni chiare e

puntuali sulle cose da farsi.

Desidero ringraziare tutti i miei colleghi e amici con i quali ho condiviso questo viaggio, in

particolare Andrea Carmignani e Claudio Genovesi che condividono il traguardo della laurea

nel mio stesso giorno, e con i quali abbiamo creato un gruppo a�atato durante questi anni di

università. Una menzione va anche ad Alessandro Della Corte, che mi ha fatto conoscere un po

di movida durante questi anni e distrarre dai problemi universitari. Inoltre ringrazio Antonio

Rossi, Alessandro Musacchio, Alessandro Marazzato, Massimo Battaglia e tutti i miei colleghi

di corso per aver condiviso con me questi anni duri ma comunque piacevoli, anche grazie al loro

contributo.

Un ringraziamento va anche alla società Juve Pallacanestro Pontedera, in particolar modo

all'allenatore Gabriele Carlotti, che in questi mesi ha capito le mie di�coltà e mi è venuto

incontro permettendomi di portare a conclusione questo lavoro.

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Indice

1. Introduzione 6

1.1. Obiettivi dello studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2. Il ciclo di fabbricazione classico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3. CATIA® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Costruzioni Novicrom 11

3. Digital Manufacturing 13

3.1. Letteratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2. Digital Manufacturing Costruzioni Novicrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2.1. Ingegnerizzazione nel DMFG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2.2. Programmazione CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.3. Fase di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4. Ingegnerizzazione nel DMFG 28

4.1. Redazione del ciclo di lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2. Modellazione delle matematiche delle fasi intermedie . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.1. Metodo classico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.2. Costruzione delle matematiche intermedie con CATIA® . . . . . . . . . . 31

4.3. Redazione dei fogli operativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3.1. Caratteristiche dei fogli operativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3.2. Regole per redigere i fogli operativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.3.2.1. Metodo superato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.3.2.2. Metodo sviluppato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3.2.3. Fase di lavorazione per asportazione di truciolo . . . . . . . . . . 45

4.3.2.4. Fase di marcatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.3.2.5. Fase di verniciatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.3.2.6. Fase prova di durezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.3.2.7. Fase di montaggio normaleria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5. Controllo nel sistema Digital Manufacturing 61

5.1. Piani di Controllo (Dimensional Inspection Plan) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.1.1. Controllo con disegni ballonati e fogli operativi ballonati . . . . . . . . . . 62

5.1.2. Procedura per la realizzazione dei Piani di controllo . . . . . . . . . . . . 64

5.1.2.1. Cartiglio di un Piano di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.1.2.2. Regole per redigere i Piani di Controllo . . . . . . . . . . . . . . 67

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Indice

5.2. Controllo o�-line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2.1. Metodo precedente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.2.2. Controllo o�-line con il programma Calypso® . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.3. Piani FAI (FAI Plan) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.3.1. FAI completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.3.1.1. Controllo caratteristiche �siche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.3.1.2. Controllo prove non distruttive, processi speciali e critici . . . . . 80

5.3.2. Delta FAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6. Rapporti di collaudo, non conformità e concession 82

6.1. Rapporti di Collaudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.2. Concession . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.3. Rapporti di collaudo sui pezzi DMFG studiati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7. Conclusioni 90

A. Fogli operativi 92

A.1. Fogli operativi fase di sgrossatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

A.2. Fogli operativi fase di �nitura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

A.3. Fogli operativi fase di verniciatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

A.4. Fogli operativi fase di marcatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

A.5. Fogli operativi montaggio normaleria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

B. Piano di Controllo 125

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1. Introduzione

1.1. Obiettivi dello studio

�Come è possibile ridurre l'uso della carta e nello stesso tempo diminuire il numero degli errori

di fabbricazione e degli scarti?� In questi ultimi anni la Costruzioni Novicrom si è posta questa

domanda, per riuscire ad essere competitiva su un mercato sempre più globalizzato. Per riuscire

in questo intento, l'azienda ha deciso di certi�carsi secondo la UNI EN 9100:2005, per riuscire ad

entrare nel mondo delle lavorazioni meccaniche in campo aeronautico, campo contraddistinto da

un elevato livello tecnologico, unito a numeri di produzione limitati. In questo settore, abbassare

il numero delle non conformità generate durante le fasi di lavorazione per asportazione di truciolo

e non diventa fondamentale per garantire la soddisfazione del cliente. Per questo motivo, sono

stati creati metodi quali il Digital Manufacturing ed i fogli operativi, per riuscire ad abbattere

le non conformità e la quantità di carta prodotta, che arriva a livelli non più sostenibili in un

mondo totalmente informatizzato.

Il lavoro è stato articolato nelle seguenti fasi:

1. Analisi del metodo Digital Manufacturing dal punto di vista dell'area della produzione:

durante questa prima fase, eseguita nell'U�cio Tecnico della Ditta durata tre mesi, è

stata acquisita dimestichezza con il sistema CAD CATIA®, il sistema gestionale e le

modalità di lavoro dell'azienda. In particolare è stato studiato il sistema CAD CATIA®,

la modellazione solida, le modalità di costruzione di disegni tecnici 2D con tale software

e le potenzialità del sistema CAD in generale. In seguito, è stato studiato il metodo in

uso per la costruzione delle matematiche e per la redazione dei fogli operativi. In questa

fase, sono stati sviluppati il nuovo metodo per la costruzione delle matematiche intermedie,

partendo - ove possibile - dal greggio di fusione e il nuovo metodo per la redazione dei fogli

operativi.

2. Analisi del metodo Digital Manufacturing dal punto di vista della fase di controllo: durante

questa seconda fase, eseguita in sala controllo e della durata di tre mesi, sono state studiate

le basi del controllo, cioè gli strumenti di controllo, le loro potenzialità, la de�nizione di

precisione e risoluzione di uno strumento di misura. In seguito è stato studiato il metodo

per la redazione dei piani di controllo, dei piani FAI, rapporti di collaudo, concession e

lo studio dei dati derivanti dai rapporti di collaudo, per lo studio delle non conformità

generate.

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1. Introduzione

1.2. Il ciclo di fabbricazione classico

Il ciclo di lavorazione è la successione preordinata, cronologica e razionale di tutte le operazioni

necessarie per la trasformazione di un grezzo in prodotto �nito. Il ciclo è composto da fasi, che si

de�niscono come la sequenza ordinata, coerente e razionale delle operazioni eseguite sul medesimo

posto di lavoro. A sua volta queste si suddividono in sotto-fasi, che sono invece la sequenza

delle operazioni eseguite sul medesimo posto di lavoro e con un medesimo posizionamento del

pezzo, senza cambiare il bloccaggio dello stesso. Infatti cambiando il bloccaggio si darebbe luogo

ad una deformazione dimensionale di�erente rispetto a quella esercitata nel precedente tipo di

bloccaggio, cosa che potrebbe pregiudicare la precisione della lavorazione. Un esempio di questo

è la realizzazione di una testa di un motore monoblocco: nella fase di spianatura della parte

superiore del monoblocco, su cui poi viene alloggiata la testata, la fresa che esegue la lavorazione

ha perso per un momento la presa del piano, per poi rientrare subito in contatto con il pezzo.

Al controllo eseguito successivamente alla macchina di misura, è risultato che tra i due passaggi

c'era una di�erenza di altezza del piano pari a 2/100 di mm. Quella che può sembrare un'inezia

può portare a malfunzionamenti e danni al motore: è successo che a causa di questa di�erenza

la benzina che veniva immessa ad altissima pressione nella camera di scoppio riuscisse a sfuggire

attraverso la scanalatura dando luogo a �ammate nel momento che entrava in contatto con una

parte calda del motore; questo, pur mantenendo lo stesso bloccaggio.

La sotto-fase si suddivide a sua volta in operazioni elementari, che si de�niscono come la

lavorazione di una super�cie elementare realizzata con un unico utensile. Esempi sono: tornitura

cilindrica, tornitura conica, attestatura, scanalatura.

Il ciclo è composto di due tipologie di foglio: il foglio di fase e il foglio di ciclo. Il foglio di fase

contiene le informazioni relative ai parametri di lavorazione delle varie operazioni: profondità

di passata p, avanzamento a, numero di giri del mandrino n, velocità di taglio dell'utensile v,

numero di passate, potenza assorbita dalla lavorazione e dalla macchina, codice dell'utensile e

dell'inserto e attrezzature utilizzate nell'operazione indicata. In questo foglio sono indicati tutti

i parametri tecnologici necessari alla macchina per eseguire l'operazione. Un esempio di foglio di

fase è indicato in �gura 1.1.

Nel foglio di ciclo sono invece indicate le macchine utensile alla quale la fase è riferita, le

super�ci di riferimento usate per riferire il pezzo alla macchina e quelle di bloccaggio, uno schizzo

della lavorazione da eseguire, le attrezzature da utilizzare ed eventuali note. Un esempio di foglio

di ciclo è indicato in �gura 1.2. Oltre ai due fogli di ciclo e di fase, il ciclo è solitamente corredato

da un foglio con il disegno del pezzo, senza indicazioni delle quote su cui sono indicate le super�ci

di riferimento numerate. Questo foglio serve solamente per l'identi�cazione di tutte le super�ci,

sia che siano di riferimento, di partenza o di lavorazione, per dare una de�nizione univoca di

queste senza possibilità di errore. Un esempio di tale foglio è mostrato in �gura 1.3.Il tutto è

accompagnato dal disegno 2D che serve e per controllo e nel caso ci siano dubbi sulla lettura del

ciclo.

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1. Introduzione

Figura 1.1.: Esempio di foglio di fase

1.3. CATIA®

CATIA® (acronimo di Computer Aided Three dimensional Interactive Application) è una piat-

taforma commerciale di tipo CAD/CAE/CAM. Il software è sviluppato dalla azienda francese

Dassault Systèmes e venduto tramite l'IBM. Il programma, scritto nel linguaggio C++, è la

pietra miliare della suite di Dassault Systèmes per la gestione del ciclo di vita del prodotto. Il

software, creato tra la �ne degli anni settanta e i primi anni ottanta per sviluppare il Mira-

ge, l'aereo da combattimento della Dassault, fu in seguito adottato nelle industrie aerospaziali,

automobilistiche, navali e in molte altre.

Denominato comunemente come software tridimensionale per la gestione del ciclo di vita di

un prodotto, CATIA® è in grado di supportare numerosi stadi della vita del prodotto, dalla

creazione, al design (CAD), alla produzione (CAM), all'analisi (CAE). CATIA® può essere

personalizzato tramite delle API. CATIA® V4 può essere personalizzato tramite i linguaggi

Fortran e C, utilizzando una API denominata CAA. CATIA® V5 può essere personalizzato

tramite i linguaggi Visual Basic e C++, utilizzando una API denominata CAA2 o CAA V5,

un'interfaccia tipo COM. CATIA® V4 utilizza principalmente super�ci polinominali, con un

motore "non-manifold solid". Le versioni successive invece implementano NURBS. CATIA®

V5 si appoggia a un kernel geometrico comprendente un modellatore parametrico di super�ci

e di solidi (parametric feature based modeler). Questo utilizza curve NURBS come principale

rappresentazione interna delle super�ci. CATIA® V5 è un sistema altamente scalabile pertanto

può essere corredato di altre applicazioni o moduli comprendenti tutti gli strumenti normalmente

disponibili per questa fascia di sistemi PLM come, ad esempio, piattaforme PDM (tra le quali si

ricordano Enovia e Smarteam), ambienti CAE per l'analisi agli elementi �niti, routine CAM per

la de�nizione e il calcolo dei percorsi utensile, ecc.

CATIA® fu sviluppato inizialmente nel 1977 per uso interno dal produttore di aerei francese

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1. Introduzione

Figura 1.2.: Esempio di foglio di ciclo

Dassault Aviatico, a quel tempo utilizzatore del software CADAM. Inizialmente chiamato CATI

(Conception Assistée Tridimensionnelle Interactive, in italiano Progettazione Assistita Tridimen-

sionale Interattiva) fu rinominato CATIA® nel 1981 quando Dassault creò una sussidiaria per

sviluppare e vendere il software e �rmò un accordo non esclusivo di distribuzione con IBM. Nel

1984, la Boeing scelse CATIA® come suo principale software CAD 3D divenendone il più grande

acquirente. Nel 1988, CATIA® 3 fu trasferito dai mainframe alla piattaforma UNIX. Nel 1990,

la General Dynamics Electric Boat scelse CATIA® come software per progettare i sottomarini

di classe Virginia. Nel 1992, CADAM fu acquistato da IBM e l'anno successivo fu rilasciato CA-

TIA® CADAM v4. Nel 1996 divennero quattro i sistemi operativi che lo supportavano: IBM

AIX, Silicon Graphics IRIX, Sun Microsystems SunOS e Hewlett-Packard HP-UX. Nel 1998 fu

rilasciata CATIA® V5, una versione completamente riscritta e supportata da UNIX, Windows

NT e dal 2001 Windows XP. Nel 2008, Dassault ha annunciato CATIA® V6 supportato uni-

camente da Windows, mentre le altre versioni saranno mantenute dai vari partner commerciali,

tanto che si parla con insistenza di un futuro porting su Linux e BSD. Boeing ha usato CATIA®

V3 per sviluppare il suo velivolo di linea 777, e sta attualmente utilizzando CATIA® V5 per la

sua serie di velivoli 787. Inoltre hanno utilizzato l'intera serie di prodotti 3D PLM della Dassault

Systèmes, comprendenti CATIA®, DELMIA, e ENOVIA LCA, in aggiunta ad applicazioni svi-

luppate internamente da Boeing. Il gigante aerospaziale europeo Airbus ha utilizzato CATIA®

già dal 2001. Bombardier Aerospace, produttore canadese di velivoli, ha sviluppato tutta la sua

tecnologia su CATIA®. Le compagnie automobilistiche, che usano CATIA® a vari livelli, sono

BMW, Porsche, Daimler Chrysler, Audi, Volkswagen, Volvo, Fiat, Iveco, Gestamp Automocion,

Benteler AG, PSA Peugeot Citroën, Renault, Toyota, Honda, Ford, Scania, Hyundai, �koda

Auto, Proton, Tata Motors e Mahindra. Goodyear utilizza CATIA® per progettare pneumati-

ci per i settori automobilistici ed aerospaziali, ed inoltre sfrutta una versione personalizzata di

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1. Introduzione

1

232

24

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2018

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7 116

2119

16

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25

X X'

24'6'

3

10'

10

27

54

1

26

Modifiche Data

Scala 1: 2 A4

Figura 1.3.: Esempio di �glio di designazione super�ci

CATIA® per le fasi di sviluppo e progettazione. Tutte le compagnie automobilistiche usano

CATIA® per la progettazione delle varie strutture di cui si compone l'automobile, ad esempio

le porte (cerniere, cinematica dell'apertura), supporti, paraurti, lunotti posteriore e anteriore e

tetto, �ancate e strutture portanti, in quanto questo software è molto valido per la creazione

estetica e visuale delle super�ci e la conseguente rappresentazione numerica sul computer. La

Dassault Systèmes ha iniziato a fornire il suo software ai costruttori navali con CATIA® V5

release 8, che include alcune speciali caratteristiche adatte alla costruzione di navi. GD Electric

Boat ha usato CATIA® per progettare la sua ultima classe di sottomarini per attacco rapido,

denominati Virginia e forniti alla Marina Militare degli USA. Northrop Grumman Newport News

ha inoltre usato CATIA® per progettare le portaerei di classe Gerald R. Ford, sempre per la

Marina Militare degli USA.

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2. Costruzioni Novicrom

La Costruzioni Novicrom è una ditta fondata nel 1947 , quando iniziò l'attività con impianti

manuali di cromatura protettiva. Ben presto l'azienda, che ha sede a Pontedera, vicino a Pisa,

intraprese l'esperienza delle lavorazioni meccaniche; già negli anni `60 annoverava tra i propri

committenti molte primarie aziende italiane, dall'Alfa Romeo all'Aeritalia. A partire dal 1956,

si espande nel campo delle lavorazioni meccaniche che ben presto divengono l'attività preponde-

rante. Oggi si occupa di produzione prototipica o di piccola serie per conto terzi, soprattutto per

il settore automobilistico ed aerospaziale, in virtù di rapporti di lavoro quali�canti intrapresi nel

corso degli anni con alcune tra le maggiori aziende italiane. La Costruzioni Novicrom assicura

ai clienti prodotti di altissima qualità grazie all'uso di macchine operatrici all'avanguardia, di

strumenti di controllo tecnologicamente avanzati, nonché di una forza lavoro altamente specializ-

zata, applicando puntigliosamente le norme di procedura previste ed investendo continuamente

in tecnologia e ricerca. Lo stabilimento è situato nella zona industriale della Bianca, su un'area dì

circa 15000 mq e con una super�cie coperta di 8000 mq; nell'azienda lavorano circa ottantacinque

dipendenti così ripartiti:

� 55 operatori di macchina

� 20 impiegati presso l'u�cio tecnico

� 10 impiegati presso gli u�ci amministrativi

II parco macchine è distribuito in due grandi reparti (reparto macchine tradizionali e reparto

centri di lavoro) e si compone di 130 elementi così suddivisi:

� 14 torni, di cui 7 tradizionali e 7 a controllo numerico,

� 14 fresatrici, in parte tradizionali ed in parte a controllo numerico

� 4 alesatrici tradizionali

� 9 retti�catrici, 8 manuali e 1 a controllo numerico

� 15 centri di lavoro a controllo numerico a quattro o a cinque assi controllati, sia a mandrino

orizzontale che verticale e con giostra cambio pallet,

Inoltre all'interno della "Costruzioni Novicrom" sono presenti i seguenti reparti:

� reparto a�latura, nel quale si ripristinano gli utensili usurati e se ne creano di nuovi per

soddisfare speci�che esigenze all'interno dell'azienda;

� reparto equipaggiato con macchine di misura a controllo numerico;

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2. Costruzioni Novicrom

� reparto saldatura;

� impianti per trattamenti termici e chimici dei pezzi.

Un'ampia varietà di componenti meccanici viene oggi lavorata per una vasta gamma di lavora-

zioni: costruzione di particolari di piccola e media serie per motori automobilistici, motociclistici,

marini e aeronautici; gruppi per apparecchiature militari quali lanciatori di missili, cassette di

caricamento, scatole, carter e semicarter, consolle e armadi di comando. E ancora, costruzione

di prototipi, attrezzature, montaggi. Il nocciolo centrale dell'attività di Novicrom, la sua forte

specializzazione, sono le lavorazioni meccaniche su componenti in fusione. Negli ultimi anni, ac-

canto ai prototipi e alle piccole serie dei motori per auto e moto da gara, sempre più importanza

va assumendo per l'azienda toscana il settore aeronautico.

La costruzioni Novicrom è in possesso della certi�cazione ISO 9001:2008 e della certi�cazione

UNI EN 9100:2005 da luglio 2010.

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