Ingegneria meccanica

Ingegneria meccanica

È la branca dell'ingegneria che si occupa della progettazione, produzione, installazione e manutenzione dei motori, delle macchine, dei processi di produzione e dei sistemi meccanici in genere.

L'i. m. copre un campo molto vasto di quel complesso di attività umane indirizzate alla trasformazione e all'utilizzazione delle energie e dei materiali per ottenere risultati aventi interesse economico, ricorrendo all'applicazione delle leggi naturali e dei procedimenti logici più opportuni. In particolare si interessa della generazione, trasmissione e utilizzazione del calore e dell'energia meccanica; della costruzione delle macchine utensili e delle produzioni che con queste vengono realizzate. Contribuiscono al suo sviluppo le conoscenze e le applicazioni della matematica, del calcolo, della cinematica, della dinamica, della termodinamica, della meccanica dei fluidi, della resistenza dei materiali, della scienza dei materiali, dei controlli e della tribologia.

Nell'evoluzione storica dell'ingegneria le prime due branche che si sono strutturate sono state l'ingegneria militare e civile. La prima si occupa della costruzione delle fortificazioni e delle macchine da guerra, la seconda di ponti, porti, acquedotti e edifici. L'i. m. nasce terza a seguito della rivoluzione industriale e dell'esigenza di sviluppare la costruzione delle macchine di produzione, destinate alle industrie trasformatrici e manifatturiere, e dei motori necessari ad alimentarle. La prima società professionale britannica per gli ingegneri civili venne costituita nel 1818 mentre quella per gli ingegneri meccanici vide la luce nel 1847. All'inizio del 20° sec. le conoscenze rapidamente sviluppatesi nell'ambito dell'i. m. determinarono non solo la nascita dell'industria meccanica, ma contribuirono alla rapida evoluzione delle industrie tessile, dei trasporti e dell'energia, che ne utilizzano i prodotti e le macchine. L'i. m. fu, in quel periodo, alla base della nascita delle industrie automobilistica e aeronautica. Nel periodo tra le due guerre mondiali e negli anni Cinquanta e Sessanta del 20° sec. l'i. m. divenne il motore per l'industrializzazione dei principali Paesi occidentali. Negli anni Sessanta e Settanta l'ingegneria elettronica vide una rapidissima crescita con lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori e delle relative applicazioni industriali e per i beni di consumo; in alcuni casi i nuovi prodotti entrarono in concorrenza con i prodotti tradizionali frutto dell'industria meccanica. Esemplificazione di questo scontro sono le macchine per ufficio destinate al calcolo e alla scrittura. L'industria italiana Olivetti, che negli anni Cinquanta aveva acquisito la leadership nell'i. m. in relazione alla progettazione e produzione dei prodotti per ufficio (macchine per scrivere Lexikon 80 del 1948, Lettera 22 del 1950 e la calcolatrice Divisumma del 1948 e del 1956), fu infatti costretta a constatare che il sistema di calcolo meccanico, frutto di una sofisticata progettazione e di una produzione meccanica avanzata, non avrebbe potuto contrastare le prestazioni e i bassi costi degli emergenti sistemi elettronici. Risultava evidente, inoltre, che mentre i sistemi meccanici erano da considerare ormai al limite del possibile sviluppo ingegneristico, le calcolatrici elettroniche erano solo all'inizio e la possibilità di sviluppare nuovi prodotti con elevate prestazioni e bassi costi si presentavano potenzialmente infinite. In quegli anni la conversione industriale dell'Olivetti dalla meccanica all'elettronica, grazie anche agli investimenti nella ricerca, fu rapida e completa e divenne uno dei primi casi della crisi della meccanica tradizionale, ma anche l'inizio di una profonda innovazione dei contenuti e dei metodi dell'i. m., ancora in corso. Il processo di innovazione, iniziato negli anni Settanta e Ottanta, può essere esemplificato seguendo tre linee guida: l'integrazione tra la meccanica e l'elettronica; i materiali e le tecnologie; il computer.

Integrazione tra la meccanica e l'elettronica

Gli ambiti applicativi nei quali si è sviluppata l'integrazione tra la meccanica e l'elettronica sono numerosi e tutti di rilevante importanza. Tra i più recenti e noti vi è il controllo elettronico del ciclo del funzionamento dei motori a combustione interna, con il quale è possibile non solo migliorare i rendimenti del motore ma anche definirne il comportamento controllando le modalità di erogazione della potenza e della coppia. In questo ambito una significativa innovazione, sia dei motori Diesel sia dei motori ad accensione per scintilla a iniezione diretta, si è avuta con lo sviluppo del common rail e degli elettroiniettori a controllo elettronico. Con il sistema common rail si sono realizzate pressioni elevate e costanti all'interno di un piccolo serbatoio di accumulo (rail) adibito all'alimentazione comune (common) degli elettroiniettori comandati dalla centralina elettronica di bordo. È stato così possibile gestire, in modo completamente indipendente dalla velocità di rotazione del motore, la pressione di iniezione, l'inizio della fase di iniezione, la quantità di combustibile iniettata e il numero di iniezioni per ciascun ciclo del motore. Il risultato è il contemporaneo miglioramento del rendimento, l'abbattimento del rumore di combustione e la minimizzazione delle emissioni gassose e di particolato. Infine si rende possibile modificare i parametri della centralina elettronica di controllo per adattare la risposta del motore allo stile di guida o alle specifiche richieste del guidatore. Questo esempio rende evidente come il primo e più importante aspetto dell'integrazione tra la meccanica e l'elettronica è il fatto che quest'ultima, rispetto ai sistemi completamente meccanici, consente di controllare con semplicità ed efficienza l'energia meccanica.

La principale evoluzione dell'i. m. dagli anni Settanta del 20° sec. è legata allo sviluppo di sistemi, metodi progettuali e tecnologie per sviluppare e utilizzare al meglio le possibilità fornite da questa integrazione. Uno degli ambiti che ha visto i risultati più vantaggiosi dell'integrazione è quello delle macchine utensili, per le quali si rende necessario, ai fini della lavorazione, non solo il controllo dell'energia meccanica ma anche il controllo dei moti relativi utensile-pezzo. Questi devono essere realizzati con grande velocità, precisione e ripetibilità per ottenere un'elevata produttività e qualità della produzione. L'introduzione dell'elettronica e dell'informatica nelle macchine utensili ha consentito di adattare le condizioni di lavoro della macchina alle specifiche caratteristiche del prodotto da realizzare, rendendo possibile un'elevata flessibilità produttiva. Quest'ultima era stata cercata dall'i. m. mediante la realizzazione di sistemi meccanici per il controllo del moto relativo pezzo-utensile. Tra questi i più utilizzati si basavano sull'azione di camme, ovvero di organi meccanici dotati di moto rotatorio continuo e muniti di un profilo coniugato a quello di un altro organo, per es. una leva di rinvio che determina l'avanzamento del porta utensile, al quale impartisce un moto vario. La definizione del profilo della camma determinava il moto dell'utensile e quindi le caratteristiche geometriche del pezzo lavorato. Per cambiare la produzione occorreva cambiare le camme di controllo. Questo sistema, per quanto semplice, comportava una complessità costruttiva nella definizione e realizzazione dei profili e inconvenienti dovuti all'usura degli organi a contatto in moto relativo, che determinavano errori nella geometria del componente da realizzare. Le camme, attualmente ancora adottate per la loro semplicità in alcune macchine, non consentivano negli anni Settanta di passare facilmente da una produzione rigida, caratterizzata da pochi lotti di produzione di numerosità elevata, a una produzione flessibile con numerosi lotti diversificati di bassa numerosità. In quegli anni alcuni mercati, come quello automobilistico, uscirono dalla fase di espansione ed ebbe inizio una condizione di prevalenza dell'offerta sulla domanda. Diventarono fattori determinati per la competizione sul mercato aspetti quali la qualità, la diversificazione del prodotto, la riduzione del tempo di immissione sul mercato e il tempo di vita del prodotto. Le industrie si orientarono verso macchine e sistemi di produzione flessibili che consentissero di adattare rapidamente la produzione alle modifiche del mercato. L'impiego dell'elettronica e dell'informatica ai problemi di controllo della meccanica subì una rapidissima evoluzione.

Il primo esempio di utilizzo dell'elettronica nelle macchine utensili è stato il controllo numerico (NC, Numeric Control), con il quale è stato possibile controllare, sulla base di un programma scritto in un opportuno linguaggio, il moto di taglio, di alimentazione e l'appo-stamento dell'utensile. Il programma rappresenta la traiettoria che dovrà compiere l'utensile per realizzare il profilo desiderato mediante un'equazione matematica. Il controllo numerico comanda sistemi elettromeccanici, denominati attuatori, che impongono il moto al-l'utensile; inoltre, durante la lavorazione, esso acquisisce, mediante trasduttori, la traiettoria reale dell'utensile che confronta con il percorso ideale memorizzato, realizzando così un controllo continuo della lavorazione. La possibilità di cambiare semplicemente l'equazione che rappresenta la traiettoria dell'utensile mediante la programmazione del controllo consente una flessibilità operativa mai raggiunta con sistemi meccanici. L'applicabilità e l'estensione del controllo numerico è stata per molti anni condizionata dalla disponibilità degli attuatori e dei trasduttori. Con i primi l'impulso elettrico proveniente dal controllo si trasforma in una movimentazione del pezzo da lavorare, nella movimentazione dell'utensile o in un comando al sistema di sostituzione dell'utensile. Con i secondi è possibile misurare la posizione dell'utensile, del pezzo o verificare che un cambio utensile sia stato realizzato e trasformare queste informazioni in altre gestite dal controllo numerico. Il cambio utensile automatico e il controllo delle lavorazioni hanno consentito la realizzazione dei centri di lavoro con i quali sono realizzabili più lavorazioni sullo stesso pezzo, raggiungendo condizioni di elevata flessibilità. Allo stato attuale, grazie alla riduzione di costi dell'elettronica, i controlli numerici sono realizzati impiegando la tecnologia dei computer, per cui il controllo viene denominato Computer numerical control (CNC). I sistemi CNC sono più flessibili dei controlli numerici tradizionali in quanto consentono un rapporto con l'operatore più semplice, tempi di programmazione ridotti, la conservazione e la gestione dei file.

L'i. m. contribuisce all'evoluzione delle macchine utensili descritta cercando, tra l'altro, soluzioni alle problematiche che nascono nel rapporto tra la meccanica e l'elettronica (trasduttori/attuatori), approfondendo gli studi sul comportamento dinamico delle macchine che condiziona il comportamento dei controlli elettronici e cercando soluzioni per ridurre i tempi di risposta degli organi meccanici, almeno di due ordini di grandezza superiori rispetto ai tempi di risposta dei controllori elettronici. L'i. m. acquisisce metodi progettuali, conoscenze, linguaggi nuovi. Negli anni Settanta i contenuti dei testi utilizzati in molti corsi di i. m. non si differenziarono dai contenuti dei testi degli anni Trenta o Quaranta. Negli anni Novanta vi è stata un'estesa e profonda rivoluzione dei contenuti. In alcuni settori, come quello della robotica, sono state ideate e realizzate macchine in cui l'integrazione tra la meccanica, l'elettronica e l'informatica, già in fase di progettazione, è completa; i robot a cinematica parallela ne sono un esempio. I robot paralleli (PKM, Parallel Kinematics Machines) sono costituiti da più catene cinematiche elementari che sostengono in parallelo uno stesso terminale attrezzato con un utensile o con un sistema di presa. Una semplice configurazione di macchina PKM è costituita da una piastra, il terminale, che è sostenuta da tre gambe estensibili mediante sistemi meccanici oppure pneumatici. La diversa estensione delle gambe, opportunamente controllata, consente la movimentazione della piastra e, quindi, il posizionamento dell'utensile. Rispetto ai robot seriali tradizionali le masse in movimento sono ridotte; infatti, in questi ultimi ogni attuatore deve movimentare le masse dei membri e degli attuatori interposti tra esso e il terminale. I vantaggi della configurazione PKM consistono nell'elevata rigidezza strutturale, in quanto ogni attuatore (ossia gamba estendibile) è posizionato sul telaio costituendo, in questo modo, un'architettura cinematica chiusa. L'elevata rigidezza strutturale si traduce in un'elevata accuratezza di posizionamento del terminale ma anche in eccellenti prestazioni dinamiche nonché in un alto valore del rapporto tra carico manipolabile e peso complessivo del robot. Il contributo dell'i. m. nella robotica e, in generale, nei sistemi per l'automazione, in termini di studio delle cinematiche, dei sistemi di attuazione, della matematica di controllo, delle tecnologie di produzione, dell'usura dei componenti è rilevante ed è alla base dello sviluppo di nuove ingegnerie quale l'ingegneria meccatronica.

I materiali e le tecnologie

L'evoluzione dell'i. m. è strettamente legata all'evoluzione dei materiali e delle tecnologie. Nonostante tra il 1891 e il 1896 fossero stati effettuati numerosi voli pilotati con alianti, l'adozione di un motore su un aereo fu possibile solo nel 1903, anno in cui fu realizzato il motore a combustione interna, sufficientemente potente e leggero, installato sul Flyer, l'aereo dei fratelli Wright. Le prestazioni del primo motore aeronautico furono rese possibili grazie al miglioramento della lega e della tecnologia di fusione, che consentiva di ridurre i difetti nel getto. Nell'ambito dello sviluppo dei motori, i possibili esempi della stretta relazione tra le prestazioni della macchina, i materiali e le tecnologie sono numerosi. Sarà sufficiente ricordarne due: la realizzazione dei motori in lega leggera è stata resa possibile grazie allo sviluppo delle tecnologie di pressofusione e alla disponibilità di leghe di alluminio ad alta resistenza; la futura disponibilità di motori in ceramica sarà resa possibile dagli sviluppi dei compositi ceramici e dalle relative tecnologie di produzione.

Nell'ambito dei processi di produzione esiste una stretta relazione tra le prestazioni del processo e le macchine che lo attuano. L'evoluzione di queste ultime è influenzata dall'impiego di nuovi materiali, oltre che dai miglioramenti dei processi che le producono. Un esempio è lo sviluppo nel tempo di nuovi materiali per utensili in grado di lavorare a temperature sempre più elevate; condizione questa che ha consentito l'incremento continuo delle velocità di taglio nelle lavorazioni per asportazione di truciolo. Al fine di utilizzare al meglio i nuovi utensili è stato necessario migliorare continuamente le strutture delle macchine utensili, aumentandone, tra l'altro, la rigidezza. L'incremento della velocità di taglio comporta l'aumento della forza scambiata tra utensile e pezzo in lavorazione; se la struttura della macchina utensile cede elasticamente in modo eccessivo, l'allontanamento che ne consegue tra l'utensile e il pezzo modifica le condizioni di asportazione del truciolo. Questa situazione è in effetti resa ancora più complessa dal comportamento dinamico della struttura della macchina che, per rispondere all'incremento delle velocità di taglio, deve lavorare lontano dalla frequenza propria di risonanza e deve presentare caratteristiche smorzanti utilizzando basamenti in ghisa o, più recentemente, in cemento polimerico. Per avere un'idea della significatività dell'aumento della velocità di taglio si può considerare che nel 1870 un utensile in acciaio al carbonio era in grado di lavorare a una velocità di taglio di 10 m/min; nel 1930 la velocità di taglio aveva raggiunto i 100 m/min grazie agli utensili sinterizzati al carburo, mentre le attuali velocità di taglio superano i 1000 m/min con gli utensili ceramici. Il miglioramento delle macchine ha richiesto un notevole sviluppo di conoscenze nella progettazione statica e dinamica delle strutture.

Il computer

L'i. m. ha subito una profonda trasformazione grazie allo sviluppo dei calcolatori elettronici. Molte delle attività che fino agli anni Settanta vedevano l'ingegnere meccanico operare manualmente sono state rese automatiche grazie all'impiego di hardware potenti e di software specializzati. Come si è detto, negli anni Settanta i principali mercati che erano stati alla base dell'espansione industriale dei decenni precedenti andarono verso la saturazione, in quanto l'offerta di beni prevalse sulla domanda. Sono, di conseguenza, diventati dei fattori determinanti per la competizione sul mercato aspetti quali la qualità, la diversificazione del prodotto, la riduzione del tempo di immissione sul mercato e il tempo di vita del prodotto. In particolare, si è rivelato principale fattore strategico per competere la flessibilità sia dei mezzi di fabbricazione sia delle tecniche organizzative e gestionali, ovvero la capacità di adattarsi rapidamente ed efficacemente a repentine variazioni della domanda e delle caratteristiche del prodotto. Gli strumenti per realizzare la flessibilità vengono forniti dall'elettronica e dall'informatica. I computer hanno consentito di riuscire a integrare virtualmente le fasi delle operazioni della produzione, che impiegano tecnologie anche molto diversificate, e tutte le attività gestionali. Sono stati due gli aspetti principali di questa innovazione: la drastica riduzione dei tempi e dei costi di calcolo e la possibilità di rendere virtuali, prima che reali, i prodotti, i processi nonché le varie attività di gestione da sviluppare, consentendo di ricercare le soluzioni più adatte senza i costi e i tempi di realizzazione dei sistemi fisici. In questo modo, pure in presenza di mercati che si presentano fortemente variabili, le aziende possono competere riducendo i costi di produzione e migliorando la qualità. L'i. m. ha modificato profondamente, tra l'altro, le metodiche per il disegno, la progettazione, la pianificazione dei processi, la misura e il controllo, la gestione, la simulazione fisica, l'analisi cinematica e dinamica e la manutenzione. L'intera articolazione delle conoscenze dell'i. m. risulta profondamente influenzata dalla disponibilità del computer in quanto sono stati sviluppati nuovi metodi matematici, adatti alle logiche di funzionamento dell'elaboratore, per realizzare modelli fisici, matematici o logici che rispondano alle richieste del-l'industria. È nato un insieme di metodi quali, per fare alcuni esempi, CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing), CAPP (Computer Aided Process Planning), CNC (Computer Numerical Controlled), infine CIM (Computer Integrated Manufacturing) per la progettazione e la simulazione implementati in software, i quali hanno determinato nell'ingegneria meccanica una profonda rivoluzione nelle modalità di lavoro . I principi base del CAD sono iniziati con lo sviluppo della grafica computerizzata interattiva; i primi sistemi CAD erano semplici editori grafici con una geometria limitata a linee e archi di cerchio. Lo sviluppo di soluzioni matematiche per geometrie complesse ha consentito di utilizzare tali sistemi per disegnare curve e superfici. La realizzazione di CAD tridimensionali ha permesso la prima con-nessione tra il CAD e il controllo numerico per il controllo della macchina utensile. La connessione CAD/NC è avvenuta nel corso degli anni Settanta e Ottanta: sono nati così i primi sistemi CAD-CAM. In quegli stessi anni sono stati realizzati i modellatori solidi tridimensionali, che hanno consentito di definire informazioni vo-lumetriche dal modello matematico. I modellatori solidi hanno permesso di effettuare analisi ingegneristiche sullo stesso modello realizzato per disegnare l'oggetto. Per aiutare l'analisi sono stati sviluppati software per la simulazione cinematica e la modellazione agli elementi finiti (FEM, Finite Element Modelling), per il calcolo strutturale. I tempi di sviluppo di un prodotto, dall'ideazione alla realizzazione del prototipo reale, che si tratti di una sedia oppure di un componente di motore, con l'uso di questi strumenti sono stati drasticamente ridotti. I bassi costi di simulazione hanno consentito di sviluppare e valutare più soluzioni, e si sono create le condizioni per impiegare al meglio le proprietà dei materiali al fine di realizzare strutture più leggere e resistenti.

I vantaggi dovuti all'utilizzo del computer sono significativi anche nella fase che è propriamente di pianificazione della produzione. Il progetto di un componente meccanico è documentato con un disegno o con un file CAD nel quale si specificano gli aspetti geometrici principali, oltre che le tolleranze e le prescrizioni richieste in merito alla rugosità superficiale o alla presenza di trattamenti superficiali specifici. Per produrre il componente sono necessarie un insieme di istruzioni che riguardano il processo, le macchine e le risorse umane. Queste informazioni vengono documentate in un piano di produzione nel quale sono elencati i materiali, la sequenza delle operazioni, le macchine, le caratteristiche degli operatori, le metodiche di avvio della produzione e i parametri di processo che occorre controllare. La pianificazione del processo è quindi una funzione che definisce la sequenza dei processi di produzione che devono essere utilizzati al fine di trasformare la forma e/o le caratteristiche funzionali del pezzo in lavorazione per realizzare le specifiche di progetto. La sequenza dei processi incorpora la descrizione del singolo processo, i relativi parametri di controllo e le possibili scelte delle attrezzature e delle macchine utensili necessarie. La pianificazione del processo produttivo tiene in considerazione un elevato numero di fattori che influenzano la scelta tra processi differenti e la definizione dei parametri operativi. Questi fattori includono, tra l'altro, la dimensione del pezzo, le tolleranze richieste, la qualità superficiale e il materiale.

La pianificazione del processo produttivo richiede un'elevata abilità ed esperienza nell'interpretare il progetto e nel conoscere i processi di produzione. Il CAPP permette lo sviluppo della pianificazione del processo consentendo una visione complessiva delle operazioni da effettuare come un unico sistema integrato, così che ogni singola operazione sia coordinata con le altre e venga ottimizzata in modo efficiente e affidabile. Il CAPP rappresenta il collegamento tra il progetto e la produzione. I vantaggi realizzabili con l'impiego del CAPP riguardano l'incremento della produttività grazie a una maggiore efficienza delle macchine, degli utensili, dei materiali e del lavoro; la riduzione del costo di produzione grazie all'aumento della produttività; la riduzione degli errori di pianificazione; la riduzione del tempo di sviluppo del processo; l'incremento della flessibilità.

Il CIM consiste in una serie di attività e di operazioni interconnesse le quali coinvolgono la progettazione, la selezione dei materiali, la pianificazione, la produzione, la garanzia della qualità, la gestione e la commercializzazione di prodotti di consumo. IL CIM è particolarmente efficace nel rispondere alle modifiche del mercato dei prodotti con ciclo di vita breve o caratterizzati da alta qualità e bassi costi.

bibliografia

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S. Kalpakjian, Manufacturing engineering and technology, Reading (MA) 1989, Upper Saddle River (NJ) 2004⁴. Mechanical engineer's handbook, ed. D.B. Marghitu, San Diego 2001.