Progettazione di elementi strutturali per l'irrigidimento di scatolati in polistirolo

Capitolo 1
Introduzione
Il lavoro di tesi raccolto di seguito tratta la progettazione di cabinet, o pi u in gene-
rale di scatole in materiale innovativo, rispetto alle attuali realizzate in multistrato
di pioppo. Tale lavoro nasce dall’individuazione di problemi riscontrati nella produ-
zione di scatole ad uso militare e civile per il trasporto e la protezione di componenti
elettronici mobili. Si far a riferimento nello studio ad un caso specico, preso come
rappresentativo, di una azienda che produce 12000 unit a l’anno divise per diversi mo-
delli. Attualmente alcuni produttori di cabinet, utilizzano multistrato di pioppo per
le sue ottime caratteristiche meccaniche. L’elevata rigidezza, l’isolamento termico ed
acustico unitamente alle sua leggerezza, al basso costo ed alla facilit a di lavorazione
e modellazione, ne fanno a tutti gli eetti un materiale altamente competitivo e per-
formante in questo genere di applicazioni. I contenitori attuali prevedono quindi la
realizzazione e l’assemblaggio dei fogli di multistrato di pioppo, la loro verniciatura o
in ogni caso copertura con diverse tipologie di materiali a seconda delle applicazioni
speciche per riparare il prodotto dagli agenti esterni e l’assemblaggio di eventuali
componenti aggiuntivi che devono essere presenti internamente od esternamente al
cabinet. In sintesi, il multistrato conferisce al prodotto nale le dovute caratteristi-
che meccaniche di rigidezza e resistenza a rottura, la copertura ne perviene un aging
precoce e i componenti aggiuntivi consentono di utilizzare le casse nelle applicazio-
1
1.1. Specica tecnica 2
ni pi u disparate.
 E importante rendere il problema dissociato, ossia comprendere
ed individuare quali siano i compiti che ogni elemento svolge all’interno dell’intero
assieme. Questo modo di procedere consente, infatti, un’individuazione pi u imme-
diata delle varie problematiche che un prodotto industriale pu o presentare, inoltre
rende pi u agevole ricercare eventuali soluzioni che possano includere al loro interno
propriet a che precedentemente erano adate a distinti componenti sici. Quello che
si cercher a di portare a compimento in questo lavoro di tesi  e di riprogettare da zero
tali prodotti al ne di ottenerne uno nuovo, di qualit a meccaniche superiori ed ad un
costo inferiore. Gli step che si seguiranno sono quelli classici di una normale attivit a
di progettazione. Si partir a denendo la specica tecnica che rappresenter a, durante
la progettazione, la linea guida a cui fare riferimento. Si eettueranno indagini su
eventuali materiali innovativi, o comunque di uso comune ma non utilizzati in tale
ambito. Tale fase terminer a con una analisi economica che consentir a di scegliere
quale materiale eettivamente trattare per le successive fasi di progettazione. Di l  si proceder a reinventando il cabinet ed apportando soluzioni costruttive innovative,
sperimentazione e validazione dei modelli matematici utilizzati durante la proget-
tazione. Un dato che non dovr a mai essere perso di vista  e ovviamente il costo
dell’assemblaggio che non dovr a risultare superiore a quello attuale o quantomeno
il risultato di tutta l’attivit a di progettazione dovr a far s  che il bilancio dei costi,
comprendente di materie prime, assemblaggio ed altro ancora, risulter a inferiore a
quello attuale. Gli obiettivi di tale lavoro sono quindi molteplici, bisogner a valutare
ogni aspetto nella progettazione per far s  che il prodotto rispecchi quanto si andr a
a denire nella specica tecnica.
1.1 Specica tecnica
La stesura della specica tecnica, come si  e detto, consente di non perdere mai,
durante la progettazione da zero di un prodotto, gli obiettivi che si devono raggiun-
gere. In ogni caso si deve partire dai bisogni che si riscontrano in fase di colloquio con
1.1. Specica tecnica 3
un cliente o da una analisi di mercato precedentemente svolta, e trasformare queste
informazioni in informazioni ingegneristiche, ossia confrontabili con metodi e misure
scientiche. In realt a alcuni bisogni sono emersi durante le ricerche dei materiali ma
tendenzialmente per ragioni di costo. Questo  e stato il caso della modularit a. Come
si dir a successivamente, si  e ipotizzato che diversi modelli di cabinet, che variano
tra di loro solo per dimensioni, potessero essere composti da elementi standard e
successivamente assemblati tra di loro. Questa metodologia di progettazione  e mol-
to comune nei prodotti realizzati per stampaggio ad iniezione in quanto si cerca di
ammortizzare nel miglior modo possibile, quindi aumentando la produzione, il costo
degli stampi. Tale evenienza  e subentrata nel momento in cui sono stati proposti
materiali che necessitavano di stampi per la realizzazione del prodotto. Superata
questa fase, per diversi motivi, si  e proceduto come da specica.
La specica tecnica, estrapolata appunto da tale settore di nicchia, prevede la
realizzazione delle nuove casse in materiale diverso da quello impiegato attualmente
ma che contestualmente possegga simili caratteristiche meccaniche, o meglio, che il
prodotto nale abbia le medesime caratteristiche della cassa attuale. Tali propriet a
risultano essere:
 Rigidezza a essione
 Resistenza agli urti
 Resistenza meccanica a fattori climatici
 Protezione degli elementi interni
 Estetica
Ogni propriet a ha la sua valenza e l’ottenimento andr a ricercato con cura. Per
quanto riguarda la resistenza meccanica in generale,  e richiesto che la cassa possa
essere sottoposta a carichi di circa 1000 N, dovuti sia al peso proprio di eventua-
li altre casse disposte superiormente ad una sola cassa oppure alla seduta di un
1.1. Specica tecnica 4
individuo. In ogni caso la cassa deve poter resistere all’imposizione di tale carico
senza danneggiarsi o conservare deformazioni residue. Anche la resistenza agli urti
riguarda due aspetti distinti. Un primo aspetto di carattere estetico prevede che
vi sia una supercie esterna sucientemente rigida da non scalrsi o danneggiarsi
a seguito di piccoli urti accidentali contro oggetti. Alcune casse attuali in multi-
strato, infatti, vengono ricoperte per intero da un particolare tessuto detto feltro.
Data la sua buona aderenza al legno sottostante, a seguito di un urto che riesce
a deformare plasticamente una zona del pannello, tende a ridistendersi e quindi a
mascherare completamente gli eetti visivi dell’urto stesso. Altri carichi dinamici
sono da ricercarsi nell’eventualit a che in un trasporto la cassa possa cadere ad una
certa altezza dal suolo. A tal proposito vengono sovente eettuate delle prove di tipo
dinamico a seguito delle quali la cassa deve continuare a funzionare correttamente,
ossia l’involucro deve riuscire a proteggere se stesso (quindi garantire la sua integrit a
strutturale) ed i componenti elettronici disposti al suo interno. Questa prova prevede
la caduta libera della cassa ad una altezza di un metro dal suolo e successivamente
ne viene testata l’integrit a. Per quanto riguarda la resistenza a fattori ambientali
bisogna tener presente le applicazioni in cui tali prodotti vengono utilizzati. Devono
poter resistere ad acqua, umidit a, temperature elevate, superiore ai 50
 C, facilmen-
te raggiungibili all’interno di un container esposto al sole. Le propriet a meccaniche
del materiale quindi non devono deperirsi in tali range di temperatura ma rimanere
pressoch e costanti. Inne, come la maggioranza dei prodotti industriali, la nuova
cassa dovr a essere piacevole a vedersi, quindi, ogni elemento strutturale e non che
apparir a all’esterno di essa, dovr a soddisfare l’estetica complessiva del prodotto.
Ovviamente partendo l’innovazione dalla necessit a di abbattere alcune voci di
costo della produzione, si dovr a cercare di mantenere contenuti tutti i costi che
comporranno il prodotto nale ivi inclusa la fase di assemblaggio che non dovr a
complicarsi ulteriormente.
Per quanto riguarda la scelta o la tendenza alla scelta da cui si partir a per il
1.2. Prima scomposizione dei costi 5
materiale costituente le casse si  e iniziato cercando eventuali altri produttori ed
investigando tra i materiali gi a impiegati. Il risultato di tale ricerca ha portato
alla verica che i legnami come multistrato di pioppo e di betulla sono quelli mag-
giormente impiegati in ambito navale mentre vengono utilizzati in altri ambiti sia
alluminio che alcune schiume strutturali.
1.2 Prima scomposizione dei costi
Per avere un punto saldo da cui partire e per poi fare valutazioni e confronti eco-
nomici si  e richiesto ad una azienda operante nel settore di fornire alcuni preventivi e
pi u precisamente i costi che compongono i cabinet di loro produzione. Nella tabella
1.1 vengono riportati i costi di tutti quei componenti che arrivano in azienda pronti
per essere assemblati, sono quindi costi certi che l’azienda sostiene periodicamente.
Costo (e) Componente
65,00 Box
138,92 Accessori
1,67 Servizi.
Tabella 1.1: Voci di costo del cabinet
Sotto la voce accessori sono stati inclusi tutti quegli elementi che potessero sve-
lare l’origine ed il settore operante dell’azienda. La voce ‘Box’, invece, comprende al
suo interno altre sottovoci, alcune delle quali sono state l’oggetto di questo lavoro di
tesi. Eccezion fatta per quest’ultima, le rimanenti voci della tabella 1.1 riguardano
elementi pressoch e standard che l’azienda acquista dai propri fornitori e che negli
anni  e riuscita a far s  che i loro costi diminuissero. La voce ‘Box’ invece, riguarda
essenzialmente la struttura esterna della cassa a cui vengono tolti tutti i componenti
accessori. Pi u in dettaglio, nella tabella 1.2 viene scomposta la voce ‘Box’ nelle varie
1.2. Prima scomposizione dei costi 6
sottovoci di costo. Alcuni di questi costi non sono certi in quanto non sono stati
svelati dall’azienda manifatturiera fornitrice, sono stati per o valutati approssimati-
vamente come si dir a successivamente mediante preventivi richiesti ad altre aziende
operanti nel medesimo settore, al ne di poter comprendere su quale voce di costo
andare ad operare per ottenere una diminuzione del costo del prodotto. In partico-
lare  e stato necessario scomporre la prima voce di costo comprendente tre elementi
molto signicativi nell’ottica dell’innovazione sul materiale mirata all’abbattimento
del costo di produzione.
Costo (e) Componente
25,00 Multistrato di pioppo, assemblag-
gio, lavorazioni a pantografo ed alle
macchine utensili
25,00 Impiallacciatura
5,00 Maniglie
10,00 Angolari
Tabella 1.2: Scomposizione in sottovoci di costo del Box
Capitolo 2
Panoramica dei materiali
In questo capitolo viene fatta una panoramica dei materiali presi in considerazio-
ne che potessero essere sostitutivi dell’attuale multistrato di pioppo utilizzato per la
produzione di cabinet. Sono state fatte ricerche anche sul materiale gi a in uso per
poter comprendere a fondo quali fossero le caratteristiche che il nuovo materiale do-
vesse possedere. Un ulteriore vincolo di progettazione  e stato fornito da una azienda
che ha consigliato, nell’eventuale scelta di altri legnami, il rispetto della normativa
ATCM (Airborne Toxic Control Measure) per il commercio di manufatti in legno
nel mercato statunitense, ed in particolare in quello californiano. Questa normativa,
emanata dal CARB (California Air Resources Board) ed entrata in vigore nel 1 gen-
naio 2009, prevede la progressiva diminuzione di formaldeide presente nelle resine
fenoliche che vengono usate come collanti in diversi tipi di legni truciolari. In ogni
caso la certicazione deve provenire dal fornitore della materia prima.
Dalla scelta del materiale non sono state escluse le materie plastiche in quan-
to potrebbero rappresentare un ottimo punto di partenza per realizzare la cassa in
un’unica operazione di stampaggio ad iniezione includendovi anche elementi (in ma-
teriale polimerico) che attualmente vengono assemblati sulla struttura in multistrato
preventivamente lavorata per realizzarvi gli alloggiamenti. Questa opportunit a rap-
presenterebbe, a fronte di un investimento iniziale, riguardante sostanzialmente il
7
2.1. Multistrato di pioppo 8
costo dello stampo, uno sbocco per un parziale abbattimento di costi di assemblag-
gio della cassa. Altri vantaggi delle materie plastiche verranno arontati in seguito
dove verranno descritti alcuni processi produttivi che le renderebbero altamente
competitive con i materiali d’uso comune in tale settore.
2.1 Multistrato di pioppo
Il multistrato  e il termine con cui vengono indicati pannelli realizzati dalla so-
vrapposizione di diversi strati di fogli di legno pi u o meno sottili a seconda della
tipologia. Il legno impiegato per la realizzazione dei pannelli straticati pu o avere
varia natura, in commercio sono reperibili di pioppo, pino e betulla. La produzione
del multistrato parte da un tronco da cui viene preliminarmente eliminata la cor-
teccia, questo viene deposto al di sopra di un tornio di sgrossatura, che concorre
ad uniformare la supercie esterna del tronco rendendola perfettamente cilindrica,
e successivamente su di un tornio che realizza un foglio continuo di legno. Questo
tornio speciale ha un utensile che agisce contemporaneamente su tutta la supercie
del tronco, come si vede dalla gura 3.2, che consente la realizzazione del singolo
foglio di legno. Per gurarsi meglio tale processo ed il macchinario utilizzato, si
immagini l’operazione che il temperamatite realizza su di una matita per anarne
la punta. Questo processo di taglio viene fatto in continuo no all’esaurimento del
tronco. Lo strato di legno cos  lavorato viene successivamnete arrotolato in bobine
per lo stoccaggio no alle successive lavorazioni di taglio a misura ed incollaggio dei
vari strati, sottoposti poi a pressatura a caldo.
Le qualit a del multistrato si rivelano nell’attuale ciclo di produzione delle cas-
se. Questo consente di poter eettuare operazioni di fresatura, foratura e taglio a
misura dei vari componenti; inoltre questi possono essere facilmente assemblati tra
di loro per mezzo di viti autolettanti da legno. Le propriet a meccaniche del mul-
tistrato sono riportate in tebella 2.1, dove si raccolgono le medesime propriet a per
2.2. Oriented strand board 9
tutti i materiali visionati per consentire un confronto visivo immediato e diretto. In
particolare si pu o notare come il multistrato sia un materiale eettivamente perfor-
mante presentando una densit a molto contenuta e dei valori di rigidezza e tensione
di rottura relativamente alti.
Figura 2.1: Tornio per la produzione di multistrato
2.2 Oriented strand board
Noto pi u comunemente con l’acronimo OSB, questa relativamente nuova tipolo-
gia di pannello ha invaso prevalentemente il settore edilizio in paesi come il Canada e
gli Stati Uniti dove si concentra la gran parte della sua produzione mondiale. L’OSB
 e composto al 95% da legno, sottoforma di scaglie, e dal rimanente 5% da cera e
resina. Questo  e ottenuto da alberi a fusto lungo aventi una elevata crescita e resa
per ettaro, uno fra tanti: il pioppo. Il processo produttivo parte dalla rimozione
della corteccia, la cui presenza nel pannello creerebbe zone ad elevata fragilit a. Il
tronco viene quindi inviato ad una macchina trituratrice che lo trasforma in scaglie
piatte, di diverse dimensioni. Queste vengono trascinate da un nastro trasportatore