Riassunto analitico
Il distretto automotive rappresenta, per il territorio modenese, un’eccellenza riconosciuta a livello internazionale, grazie alla presenza di imprese di fama mondiale e ad un indotto particolarmente ricco di competenze. Negli ultimi decenni tale settore ha subito forti cambiamenti dovuti all’introduzione di normative più restrittive riguardanti l’inquinamento, che hanno provocato un inevitabile sviluppo sia dal punto di vista progettuale che produttivo.
In merito, tra le più recenti tendenze nell’ambito della ricerca applicata per l’automotive, sono da evidenziare linee di processo robotizzate finalizzate all’aumento delle prestazioni del telaio attraverso l’ottimizzazione del rapporto rigidezza/peso e attraverso l’impiego di materiali ad alte prestazioni, al miglioramento della qualità finale dell’assemblaggio telaio/carrozzeria nonché alla diminuzione dei costi totali di produzione dati dalla riduzione degli scarti. Questo prevede l’utilizzo di nuove metodologie progettuali integrate e di valutazione predittiva, che tengano in considerazione sia gli aspetti legati alla progettazione che gli aspetti legati al processo produttivo, anche robotizzato.
Le automobili sono sistemi complessi caratterizzati da un’ampia eterogeneità di componenti che devono soddisfare requisiti funzionali, estetici, produttivi, economici, qualitativi. Pertanto, la metodologia progettuale punta a valutare sistematicamente: gli obiettivi funzionali, gli elementi del sistema a cui applicare le specifiche, i metodi di calcolo in grado di considerare diversi aspetti del processo di assemblaggio e l’impiego di tecniche di verifica e controllo, nonché la condivisione dei dati di prodotto/processo.
Ad oggi esistono metodi per la risoluzione dei singoli requisiti, ma la loro integrazione è spesso del tutto assente. In particolare, si evidenzia l’assenza di approcci progettuali in grado di valutare come l’interazione fra i requisiti di processo e di progetto, influenzino: il calcolo della catena di tolleranze, le deformazioni provocate dal processo di saldatura e l’assemblaggio robotizzato.
Nel presente elaborato viene proposta e sviluppata una metodologia di progettazione integrata che attraverso l’impiego di strumenti cad-based determini:
• il calcolo delle catene di tolleranze in operazioni di assemblaggio auto attraverso l’implementazione di modelli predittivi nelle prime fasi della progettazione; in tale fase sono utilizzati strumenti per la valutazione di tolleranze assistita al calcolatore Computer Aided Tolerancing (CAT).
• la qualità finale del prodotto in termini di deformazione totale, verificando che i requisiti funzionali siano soddisfatti, prima che questo sia fisicamente prodotto, attraverso l’utilizzo di software Computer Aided Engineering (CAE).
• come i disturbi che agiscono durante il processo di saldatura robotizzata, influenzino la qualità finale del prodotto, in termini di tolleranza sulla deformazione totale.
La metodologia proposta è applicata ad un caso industriale fornito da un importante realtà automotive presente sul territorio modenese e validata attraverso risultati sperimentali.
Nello specifico si tratta di un sottotelaio motore formato da 4 componenti in alluminio, uniti tramite saldatura robotizzata. Su tale caso di studio viene applicata la metodologia cad-based proposta. I risultati mostrano come a fronte di un incremento del tempo di progettazione si abbia una diminuzione dei tempi di collaudo e costi di processo. Questo perché le operazioni che prima venivano fatte tramite approccio trial an error vengono eliminate a fronte di una simulazione dell’intero processo produttivo. Inoltre, tale metodologia permette un risparmio economico in quanto le operazioni di rilavorazione dei pezzi finiti e gli scarti sono ridotti al minimo.
|
Abstract
The automotive field is a point of excellence for Modena and its territory, as proved by world renown of some companies and brands grown hereabout, such as Ferrari, Maserati and Pagani, just to name a few. Nowadays, the work of these companies is focused on improvement of the design of automotive structures and the assembly process.
Automotive industries exploit robotic lines in order to enhancing chassis performance through the optimization of rigidity/weight ratio and through the use of high performance materials, aimed at improving the final quality of whole chassis and reducing total production costs by reducing waste. This involves the use of new integrated design methodologies based on the use of numerical methods, which take into account both aspects related to product/process design and robotic assembly.
Cars are systems characterized by high complexity level and wide variety of components. Moreover, many functional, esthetical, manufacturing, economic and qualitative requirements have to be fulfilled. In particular, this methodology is focused to identify what are: the functional targets, and the functional elements of the system in order to apply the product/process specification, the calculation methods able to consider different aspects of the assembly process, the verification and control techniques, as well as sharing product / process data.
In view of the current state of the art, these topics are widely investigated but without link each other. However, the literature seems to present lacks in complete and integrated methodologies. In particular, has not been investigated how the relation between process design and part/assembly design influence: the tolerance chain, the deformation deriving from the robotic welding process and the robotic assembly.
Hence, this paper proposes an integrated design method, which is developed by using cad-based tools in order to:
• evaluate the assembly operations before the detail design of the chassis and the concept design of the fixture system, and calculate tolerance stake up in automotive assembly through the implementation of predictive models using Computer Aided Tolerance (CAT) software.
• predict welding distortions and verifying if the functional requirements are fulfilled, before the production phase, using Computer Aided Engineering (CAE) software.
• evaluate the welding distortion tolerance due to a modification of the robotic input parameters.
The proposed methodology is applied on an industrial case provided by an important automotive brand and validated through experimental results. In particular, the case study is a sub-assembly of a top class car chassis, composed by four aluminum parts and manufactured by robotic welding.
The results show: on one hand an increase of product/process design time due to the simulation of the entire production phases. On other hand a significant decrease of: test phase time and cost is achieved. In particular, the trial and error phase and the reworking phase has been minimized.
|
