Riassunto analitico
Le automobili sono sistemi complessi caratterizzati da un’ampia eterogeneità di componenti che devono soddisfare requisiti funzionali, estetici, produttivi, economici, qualitativi. La specificazione geometrica di prodotto e il calcolo delle catene di tolleranze rappresentano strumenti fondamentali per ottemperare a tali requisiti. Attualmente la specificazione geometrica di prodotto è normata da due diversi standard: ISO-GPS e ASME GD&T. Tuttavia le metodologie e gli strumenti derivati, come le analisi Worst-Case e Root Sum Square, presentano lacune teoriche e applicative che ne impediscono l’ottimale impiego in ambito industriale. Dall’analisi dello stato dell’arte emerge come il più recente approccio numerico sembri particolarmente promettente. Il suo impiego ottimale, però, richiede lo sviluppo di metodologie progettuali integrate che permettano di sfruttarne efficacemente le potenzialità. Si tratta, in particolare, di formalizzare l’individuazione degli obiettivi funzionali, la specificazione degli elementi, la caratterizzazione di metodi di calcolo in grado di considerare diversi aspetti del processo di assemblaggio, l’impiego di tecniche di verifica e controllo, la condivisione dei dati di prodotto/processo. Ad oggi diverse di tali problematiche risultano investigate nella più recente letteratura scientifica ma la loro integrazione è spesso del tutto assente. In particolare non appaiono adeguatamente trattate l’influenza delle attrezzature e dei processi di assemblaggio all’interno degli ambienti di calcolo delle catene di tolleranze. L’obiettivo del dottorato è stato lo sviluppo di una metodologia di progettazione integrata che permetta di determinare e calcolare le catene di tolleranza in operazioni di assemblaggio auto attraverso l’implementazione di modelli predittivi. In particolare si considerano in modo sinergico i tre principali contributori del calcolo delle catene di tolleranza: parti, attrezzature di produzione, processi di assemblaggio. Le informazioni relative alle parti vengono integrate all’interno dei modelli 3D per un accesso diretto dalle piattaforme di progettazione, per contenere la dispersione dei dati e per diminuire i tempi di modifica. Le attrezzature di produzione vengono considerate sia nella loro disposizione che nella tipologia dei locatori. L’analisi delle configurazioni così ottenute si basa sull’integrazione di strumenti statistici e numerici. L’integrazione dei processi di assemblaggio avviene attraverso l’esecuzione di simulazioni numeriche. In particolare si implementa un metodo di simulazione della saldatura MIG, in quanto le conseguenti deformazioni sono difficilmente stimabili con altre tecniche. Le simulazioni sono state validate attraverso test sperimentali. La metodologia proposta è stata applicata a due casi di studio forniti dall’azienda Ferrari SpA. Nello specifico si è investigato il problema dell’assemblaggio di telai e di plance auto. Dal punto di vista scientifico la metodologia proposta ha consentito: un ampliamento della conoscenza relativa all’integrazione tra nozioni teoriche e modellazione delle catene di tolleranza; un approfondimento dell’influenza dei metodi di simulazione delle attrezzature di produzione sulla variabilità dei target di calcolo, l’estensione del problema al coinvolgimento degli effetti relativi ai processi tecnologici. Tale studio ha portato ad una serie di interessanti risultati applicativi tra i quali si segnalano: la possibilità di intervenire in modo semplice nel processo di allocazione/sintesi delle tolleranze, l’integrazione di un processo complesso come la saldatura MIG, l’integrabilità della metodologia nel processo aziendale.
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Abstract
The automobiles are systems characterized by a high complexity level and a wide heterogeneity of components. Moreover, many functional, esthetical, manufacturing, economic and qualitative requirements have to be fulfilled. Geometrical Product Specifications (GPS) and tolerance analysis are essential evaluation tool to comply with product and process requirements.
Currently, two different International Standard govern the geometrical product specification: ISO-GPS and ASME GD&T. However, both lack in theoretical and practical aspects, threatening the optimal use in industrial field. In particular, scientific and technical literature show several methods to implement the geometrical product specification in the tolerance chains. Worst Case and Root Sum Square are the main analysis methods employed in industry, but they are not able to perform a full description of real application. The most recent numerical approach seem to be promising, nevertheless it is required a new product/process integrated design methodology to exploit better the new capabilities. This methodology has to focus on: correct identification of functional targets, complete specification of components, methods to take into account all the manufacturing phases, state of the art control techniques, fast and efficient data sharing.
Nowadays, these topics are investigated deeply but without a formal link between them. The literature seems to lack in complete and integrated methodologies. In particular, the effects due to fixture systems and assembly processes are difficult to be correctly implemented within the tolerance analysis environments.
The goal of this Doctorate research aims to develop an integrated design methodology for the definition and the solution of tolerance chains in automotive manufacturing. The methodology must considered, not only the geometrical and dimensional variation of the parts, but also the effects of assembly operations, by means of numerical and statistical predictive models. This Thesis describes a methodology based on the synergy between the three main contributors of the tolerance analysis: parts, fixture systems, assembly processes. The information relating to the components are embedded inside 3D models, allowing: the direct access from the design platform, the reduction of dispersion data and decreasing the time to market of the product.
A novel method for the design and evaluation of fixture systems is proposed, that contemplate the disposition and the typology of locators. The method is based on the integration of statistical and numerical tools in order to compare different configurations. The assembly process is integrated inside the tolerance analysis through numerical solutions. In particular, a simulation method for continuous welding technologies is used in order to obtain deformation data, otherwise difficult to predict with other techniques. The numerical simulations are validated by means of experimental tests. The proposed methodology is applied to two different case studies of the company Ferrari SpA: the assembly of a chassis subgroup in aluminum and the assembly of dashboard esthetical components.
From a scientific point of view, the proposed methodology allowed a knowledge upgrade on the integration between theoretical concepts and modeling of tolerance chains, an in-depth analysis of the influence of fixture systems simulation methods on the targets variation, and an involvement of technological process effects in the tolerance stack topic. Finally, this research provided several technical results, such as: easy modification process of the tolerance allocation/synthesis phases, MIG welding integration by numerical simulation, integration of the methodology inside the Ferrari’s design process.
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