Sbarre di messa a terra e di distribuzione dell'energia nelle sottostazioni di trasporto ferroviario e di trazione

Per i sistemi di trazione ferroviaria da 750 V e 1500 V CC, la sbarra collettrice deve controllare contemporaneamente i percorsi della corrente di guasto-, l'aumento termico, le forze meccaniche e la distanza di isolamento. Una sbarra di messa a terra del transito ferroviario non è semplicemente una striscia di rame: la sua sezione trasversale-, la resistenza del giunto, la geometria di montaggio, il trattamento superficiale e il sistema di isolamento devono essere abbinati al ritorno di trazione e all'architettura di messa a terra definita per l'installazione. La norma EN 50122-1 riguarda la sicurezza elettrica, la messa a terra e il circuito di ritorno per gli impianti ferroviari fissi, mentre la norma EN 50122-2 riguarda gli effetti delle correnti vaganti nei sistemi di trazione CC.

 

 

 

Una sottostazione di trazione distribuisce l'energia CC attraverso conduttori ad alta-corrente fornendo al tempo stesso percorsi controllati per il collegamento protettivo e la corrente di guasto. Le sbarre di terra e di distribuzione dell'alimentazione hanno quindi funzioni elettriche diverse anche quando sono realizzate con gradi di rame simili.

 

Per una sbarra di messa a terra per transito ferroviario, la revisione del progetto dovrebbe iniziare con il percorso completo della corrente anziché con la tensione nominale del sistema. L'ingegnere dovrebbe definire:

 

Tensione di sistema da 750 V o 1500 V CC e coordinamento dell'isolamento applicabile.
Corrente operativa continua, incluso il declassamento della temperatura-ambiente.
Corrente presunta di cortocircuito-, durata del guasto e tempo di ripristino-del dispositivo di protezione.
Sezione trasversale del rame-, spaziatura delle sbarre collettrici e configurazione dei conduttori-paralleli.
Resistenza del giunto, precarico del bullone e condizione della superficie-di contatto.
Topologia di messa a terra e di collegamento equipotenziale in base al progetto dell'impianto di trazione.
Distanze superficiali e in aria alla massima tensione operativa.
Distanza dei supporti meccanici contro le forze elettrodinamiche durante i cortocircuiti.
Protezione dalla corrosione per rame, interfacce placcate e hardware di montaggio.

La norma EN 50122-1 riguarda specificamente la sicurezza elettrica, la messa a terra e il circuito di ritorno per gli impianti ferroviari fissi. Per i sistemi di trazione CC, anche il controllo delle correnti vaganti richiede considerazione ai sensi della norma EN 50122-2.

 

 

Per le applicazioni di trazione ad alta-corrente, viene spesso selezionato il rame puro C1100 laddove la conduttività elettrica e le prestazioni termiche dominano la scelta del materiale. Un obiettivo di conducibilità comunemente specificato per il rame ad alta-conduttività è IACS al 100%.

 

La temperatura effettiva delle sbarre, tuttavia, non è determinata solo dalla conduttività. La resistenza del giunto, la pressione di contatto, le condizioni della superficie, la geometria del conduttore e la dissipazione del calore possono diventare le variabili dominanti.

 

Variabile di progettazione	Considerazione ingegneristica	Controllo tipico della produzione
Rame C1100	Alta conduttività elettrica	Certificato del materiale e verifica del grado
Area della sezione-trasversale	Determina la densità di corrente e l'aumento termico	Disegno-dimensioni controllate
Resistenza articolare	Influisce sul riscaldamento localizzato	Ispezione della resistenza-di contatto
Planarità delle sbarre	Influisce sul supporto e sul contatto articolare	Misura della planarità
Posizione del foro	Controlla l'allineamento dell'assieme	CMM/ispezione ottica
Trattamento superficiale	Controlla la corrosione e la stabilità dell'interfaccia	Ispezione dello spessore del rivestimento/placcatura
Condizione del bordo	Previene danni all'isolamento	Sbavatura e ispezione visiva

 

Per le barre di rame di grandi dimensioni, un piccolo errore dimensionale può accumularsi su più punti di connessione. Il passo dei fori, l'angolo di piega, la larghezza della fessura e i punti di riferimento di montaggio dovrebbero pertanto essere controllati dallo stesso sistema di riferimento.

 

 

 

Una sbarra collettrice può soddisfare il suo fabbisogno di corrente continua-e tuttavia guastarsi durante un cortocircuito. La forza elettromagnetica tra conduttori paralleli aumenta rapidamente con la corrente di guasto, rendendo la spaziatura dei supporti, l'orientamento dei conduttori e la resistenza dei dispositivi di fissaggio parte integrante della progettazione elettrica.

 

Per una disposizione semplificata di conduttori-paralleli, la forza elettromagnetica è approssimativamente proporzionale al prodotto delle correnti istantanee:

 

dove I rappresenta la corrente e d rappresenta la spaziatura dei conduttori.

 

La progettazione effettiva del cortocircuito-deve utilizzare la corrente di guasto potenziale specifica del sistema-, la forma d'onda, la geometria del conduttore e il tempo di ripristino della protezione. Un guasto da 25 kA e un guasto da 50 kA non possono essere trattati come un semplice problema di progettazione meccanica due-x perché la corrente asimmetrica di picco può superare il valore RMS di cortocircuito-.

 

Per questo motivo il disegno delle sbarre dovrebbe definire:

Distanza supporti in mm.
Spessore e larghezza del rame in mm.
Corrente di corto-circuito in kA RMS.
Corrente di picco sopportata dove specificato.
Durata del guasto in ms.
Grado di fissaggio e coppia di serraggio.
Materiale isolante di supporto e rating meccanico.
Altezza minima da terra a-conduttore-e da conduttore-a-terra.

 

 

La tecnologia di connessione determina la resistenza locale e la distribuzione termica.

 

Metodo di unione	Applicazione principale	Controllo ingegneristico	Rischio principale
Giunto bullonato	Collegamenti sottostazione rimovibili	Coppia e pressione di contatto	Aumento della resistenza articolare
Saldatura a resistenza	Unione ripetitiva di componenti in rame	Corrente, forza e tempo di saldatura	Deformazione influenzata dal calore-
Brasatura ad argento a resistenza	Assemblaggio rame/contatti	Controllo della temperatura di brasatura e del riempitivo	Bagnatura incompleta
Saldatura laser	Gruppi compatti da Cu-a-Cu o Cu-Al	Potenza, velocità e posizione focale del raggio	Variazione di porosità/penetrazione
Saldatura per diffusione molecolare	Interfacce laminate ad alta-integrità	Pressione, temperatura e preparazione della superficie	Contaminazione dell'interfaccia

 

Per le sbarre in rame, il giunto dovrebbe essere valutato come un'interfaccia elettrica piuttosto che semplicemente come una connessione meccanica. La mappatura della resistenza di contatto, l'imaging termico sotto corrente rappresentativa e l'esame metallografico possono identificare il riscaldamento localizzato che potrebbe non essere visibile durante l'ispezione dimensionale.

 

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Il parametro di progettazione critico per una sbarra di trazione non è semplicemente la sua portata nominale. Un disegno di produzione deve definire il comportamento del conduttore sia durante il normale funzionamento che in caso di guasto.

 

Corrente di guasto e carico elettrodinamico 25–50 kA

Durante un cortocircuito, i conduttori adiacenti subiscono forze elettromagnetiche attrattive o repulsive a seconda della direzione della corrente. Queste forze si trasferiscono direttamente nei supporti isolanti, nei bulloni di montaggio e nelle curve in rame.

 

Una revisione pratica della progettazione delle sbarre dovrebbe quindi esaminare l’intera catena di carico:

Conduttore in rame → punto di connessione → dispositivo di fissaggio → supporto isolante → struttura armadio/sottostazione

Se il sistema di supporto è troppo flessibile, il rame potrebbe spostarsi sufficientemente da ridurre il gioco dell'isolamento. Se la sbarra è rigidamente vincolata senza un'adeguata distensione, la dilatazione termica può trasferire una forza eccessiva nei punti di connessione.

 

Per gli assiemi ad alta-corrente, è necessario controllare le seguenti caratteristiche dimensionali:

 

Parametro	Esempio di controllo ingegneristico
Spessore del rame	Controllo di livello-specifico, in genere mm-
Larghezza delle sbarre	Disegno-specifico
Diametro del foro	±0,05 mm o requisito di disegno
Passo del foro	±0,05–0,10 mm a seconda del montaggio
Angolo di piegatura	±1 grado o requisito di disegno
Planarità	Disegno-specifico
Altezza della bava	Controllato dopo lo stampaggio
Spessore della placcatura	Dipende dalle specifiche-
Resistenza articolare	Valore di accettazione specifico del progetto-

 

I valori sopra riportati sono esempi di controllo della produzione-piuttosto che limiti di accettazione ferroviaria universale. La specifica finale deve seguire il calcolo-del sistema di trazione e il disegno del cliente.

 

 

La selezione del materiale dovrebbe seguire la funzione elettrica e meccanica di ciascun componente.

 

Proprietà	C1100 Rame puro	C2680 Ottone
Conduttività elettrica	Alto; comunemente specificato fino al 100% IACS	Significativamente inferiore al rame puro
Vantaggio primario	Trasporto di corrente e conduzione termica	Resistenza meccanica e formabilità
Ruolo tipico delle sbarre	Conduttore di alimentazione principale	Componente ausiliario hardware/formato
Riscaldamento a resistenza	Inferiore per sezione trasversale equivalente	Più alto
Comportamento di stampaggio	Richiede il controllo del processo per sezioni spesse	Generalmente favorevole
Distribuzione di corrente-elevata	Da preferire dove prevale la bassa resistenza	Di solito non è la prima scelta
Trattamento superficiale	Stagno/nichel/argento a seconda dell'interfaccia	Stagno/nichel/altra finitura specificata

 

Una sbarra collettrice C1100 può essere stampata meccanicamente, lavorata a CNC, piegata, forata o lavorata al laser. Per la produzione di volumi elevati-, lo stampaggio progressivo e la formatura automatizzata possono ridurre la variazione dimensionale quando la geometria è adatta per un processo basato su stampo-.

 

Stampaggio progressivo e ispezione CMM a ±0,01 mm

Le sbarre complesse di messa a terra e di distribuzione dell'energia-possono combinare:

Fori perforanti.
Tacche e fessure.
Curve formate.
Caratteristiche in rilievo.
Dita di contatto.
Riferimenti di montaggio.
Zone di trattamento-superficiale.

 

Per le geometrie ripetitive, lo stampaggio con stampo progressivo può integrare operazioni di perforazione e formatura. Le caratteristiche critiche dovrebbero quindi essere verificate utilizzando l'ispezione CMM o calibri dedicati.

 

Una tolleranza di ±0,01 mm dovrebbe essere specificata solo laddove l'interfaccia funzionale lo richiede. L'applicazione di tolleranze ultra-ristrette a ogni caratteristica aumenta i costi degli utensili senza necessariamente migliorare le prestazioni elettriche.

 

Il piano di ispezione dovrebbe classificare le dimensioni in:

Dimensioni CTQ - che influiscono direttamente sull'assemblaggio elettrico o meccanico.
Dimensioni dell'interfaccia - corrispondenti a terminali, isolanti o elementi di fissaggio.
Dimensioni di riferimento - che controllano l'assemblaggio downstream.
Dimensioni non-funzionali - controllate nel disegno ma che non richiedono eccessiva precisione.

Questo approccio allinea l'ispezione della produzione al rischio effettivo di assemblaggio.

 

 

Per le applicazioni ferroviarie, la scelta dell’isolamento non può essere separata dalla prestazione al fuoco. L'attuale elenco BSI identifica BS EN 45545-2:2020+A1:2023 come la versione attuale per i requisiti di comportamento al fuoco di materiali e componenti utilizzati sui veicoli ferroviari. Lo standard stabilisce i requisiti di reazione-al fuoco in base ai livelli di pericolo e ai requisiti applicabili.

 

Per quadri elettrici, apparecchiature di trazione e assemblaggi di sbarre collettrici isolate, la specifica può combinare:

Isolamento-ritardante di fiamma.
Bassa prestazione di fumo.
Requisiti dei materiali privi di alogeni-dove specificato.
Rigidità dielettrica.
Distanza di dispersione.
Distanza di sicurezza.
Resistenza alla temperatura.
Tracciamento della resistenza.
Ritenzione meccanica.

La frase "privo di alogeni-" non deve essere considerata equivalente alla conformità alla norma EN 45545. La norma EN 45545-2 è un quadro di classificazione e prova e l'insieme di requisiti applicabili dipende dall'applicazione ferroviaria, dalla categoria del veicolo e dal livello di pericolo.

 

Valutazione delle prestazioni antincendio UL 94 V-0 e EN 45545

UL 94 V-0 ed EN 45545-2 affrontano diversi quadri di conformità. Un materiale con classificazione UL 94 V-0 non dovrebbe essere automaticamente rappresentato come conforme alla norma EN 45545.

 

Requisito	UL94V-0	EN45545-2
Ambito primario	Classificazione dell'infiammabilità delle materie plastiche	Comportamento al fuoco dei veicoli ferroviari
Applicazione	Infiammabilità a livello di materiale-	Requisiti di materiali/componenti specifici del settore ferroviario-
Valutazione del fumo	Non equivalente alla classificazione ferroviaria	Incluso nei requisiti applicabili
Tossicità	Non un sostituto diretto	Pertinente ai set di requisiti applicabili
Livello di pericolosità ferroviaria	Non definito	Definito attraverso il quadro EN 45545
Utilizzo degli appalti	Screening dei materiali	Specifica di conformità ferroviaria

 

Per un gruppo di sbarre collettrici di trazione, le specifiche di isolamento dovrebbero pertanto identificare l'esatto materiale, lo spessore, l'applicazione, il rapporto di prova e il set di requisiti EN 45545 applicabili invece di fare affidamento su una descrizione generica di "ritardante di fiamma".

 

Epoxy Powder Coating and >Rigidità dielettrica 15 kV/mm

Il rivestimento in polvere epossidica può fornire uno strato isolante durevole sui componenti metallici quando lo spessore del rivestimento, la preparazione della superficie e l'indurimento sono controllati.

 

Le variabili ingegneristiche rilevanti includono:

Spessore del rivestimento in µm.
Pulizia del substrato.
Rugosità superficiale.
Temperatura di polimerizzazione.
Tempo di cura.
Adesione.
Resistenza alla rottura dielettrica.
Copertura dei bordi.
Fori di spillo e metallo esposto.
Ciclo termico a lungo termine-.

 

A specified dielectric breakdown value such as >15 kV/mm devono essere trattati come una specifica del materiale o del sistema che deve essere verificata secondo il metodo di prova applicabile. Non dovrebbe essere presentato come un requisito universale EN 45545.

 

 

 

Le sbarre collettrici pre-forate riducono il lavoro di installazione e forniscono posizioni di connessione ripetibili per armadi di trazione, quadri CC e gruppi di distribuzione dell'alimentazione. La disposizione dei fori deve essere progettata insieme alla geometria del supporto isolante anziché aggiunta una volta completata la progettazione del conduttore.

 

Geometria della barra collettrice C1100 pre-forata e posizione del foro di ±0,05 mm

Una barra di rame pre-perforata per una sottostazione di trazione normalmente include fori di montaggio, fori terminali, fessure o aperture di connessione.

La relazione critica è:

 

Schema dei fori → posizione del supporto → posizione del terminale → dato dell'involucro

Se questi quattro riferimenti non sono controllati dallo stesso sistema di riferimento, le tolleranze di installazione possono accumularsi.

Per l'assemblaggio automatizzato o semi-automatizzato, la posizione del foro può essere controllata da:

Stampo per stampaggio progressivo.
Punzonatura CNC.
Taglio laser.
Lavorazione CNC.
Dispositivo di perforazione dedicato.

L'ispezione CMM è appropriata per la verifica del primo-articolo di sbarre tridimensionali complesse-, in particolare dove le curve modificano la posizione spaziale dei fori di montaggio.

 

Supporti Isolanti a 1500V DC e Spazio Controllato

I supporti isolanti svolgono tre funzioni:

Mantenere la posizione del conduttore.
Resistere al movimento elettrodinamico durante i guasti.
Mantenere la separazione elettrica in condizioni normali e anormali.

 

Per un assieme da 1500 V CC, le distanze di isolamento e di dispersione richieste non possono essere assegnate solo dalla tensione. Dipendono dal sistema di isolamento, dalle condizioni di inquinamento, dalle caratteristiche dei materiali, dall'altitudine, dalla categoria di sovratensione e dagli standard ferroviari/elettrici applicabili.

 

Il disegno dovrebbe pertanto definire le distanze minime richieste anziché consentire al fornitore di selezionarle arbitrariamente.

 

Gruppo di interconnessione di alimentazione Metro con funzioni di montaggio integrate

 

Un gruppo di interconnessione Metro Power può combinare:

Sbarra in rame C1100.
Sezioni sbarre laminate.
Interfacce stagnate-placcate o nichelate-.
Supporti isolanti.
Fori di montaggio pre-forati.
Terminali imbullonati.
Sottocomponenti-saldati al laser.
Isolamento con polveri epossidiche.
Segni di identificazione.

 

Per le apparecchiature ferroviarie-di volume elevato, l'integrazione di queste funzionalità in un unico assieme controllato può ridurre il numero di componenti sciolti e migliorare la ripetibilità dell'installazione.

 

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Sebbene i progetti ferroviari non siano regolati automaticamente dalla norma IATF 16949, un sistema di controllo della produzione di livello automobilistico- può fornire un quadro utile per la disciplina dei processi, la tracciabilità e il controllo dimensionale quando il fornitore serve anche clienti industriali e di veicoli elettrici.

 

Per una sbarra di messa a terra per transito ferroviario di produzione, il pacchetto qualità può includere:

Certificato materiale.
Documentazione RoHS/REACH dove specificato.
Ispezione del primo articolo.
Rapporto dimensionale CMM.
Rapporto sullo spessore della placcatura.
Misura della resistenza elettrica.
Misurazione dello spessore del rivestimento.
Prova di tenuta dielettrica.
Test di adesione per verniciatura a polvere.
Record dei parametri di saldatura.
Sezione metallografica-per giunti saldati.
Documentazione PPAP di livello 3 ove richiesto contrattualmente.

Ispezione CMM ±0,01 mm e tracciabilità CTQ

Le caratteristiche critiche-per-la qualità dovrebbero essere collegate direttamente al piano di ispezione.

 

CTQ	Metodo di misurazione	Scopo di controllo tipico
Posizione del foro	CMM/sistema ottico	Allineamento dell'assieme
Spessore	Micrometro/spessimetro	Capacità attuale e idoneità
Planarità	CMM/piastra di superficie	Contatto di supporto
Angolo di piegatura	CMM/misuratore angolare	Sgombero del gabinetto
Spessore della placcatura	XRF	Interfaccia corrosione/contatto
Resistenza di contatto	Misurazione a quattro-fili	Perdita elettrica
Spessore del rivestimento	Indicatore di correnti parassite-	Consistenza dell'isolamento
Tenuta dielettrica	Tester di alta- pentola	Isolamento elettrico
Penetrazione della saldatura	Metallografia/sezionamento	Integrità congiunta

 

Per i collegamenti ad alta-corrente, l'ispezione elettrica non deve essere sostituita dall'ispezione dimensionale. Una sbarra collettrice può soddisfare tutte le dimensioni del disegno e presentare comunque un'eccessiva resistenza di interfaccia.

 

Documentazione PPAP di livello 3 per la produzione OEM

Se un cliente richiede PPAP Livello 3, la presentazione può includere:

 

Documenti di progettazione.
Documentazione sulle modifiche tecniche.
Diagramma di flusso del processo.
PFMEA.
Piano di controllo.
Studi MSA ove applicabile.
Risultati dimensionali.
Risultati dei test sui materiali e sulle prestazioni.
Dati sulla capacità iniziale del processo.
Documentazione di laboratorio qualificata.
Parti di produzione campione.
Mandato di presentazione della parte.

 

L'esatto contenuto inviato deve seguire il manuale PPAP e i requisiti contrattuali del cliente.

 

 

Una sequenza pratica di sviluppo per sbarre personalizzate è:

 

Revisione del disegno 2D/3D → Analisi DFM → Conferma del materiale → Prototipo/campione T1 → Convalida dimensionale → Test elettrico → Rilascio degli strumenti → Produzione pilota → PPAP → Produzione di massa

 

Per una sbarra collettrice stampata, la revisione DFM dovrebbe identificare:

Raggio minimo di curvatura.
Direzione della fibra, ove applicabile.
Direzione della bava.
Sequenza di perforazione.
Accesso allo strumento.
Rapporto scarti.
Formare interferenze.
Requisiti di placcatura.
Deformazione post-elaborazione.

 

Per gli assemblaggi saldati, la revisione dovrebbe inoltre identificare l'accesso alla saldatura, l'apporto di calore, il metodo di bloccaggio, la sovrapposizione dei giunti, le condizioni della superficie e il metodo di ispezione.

 

L’obiettivo non è semplicemente produrre una barra di rame. Si tratta di stabilire un processo di produzione ripetibile in cui le caratteristiche elettriche, meccaniche e di isolamento rimangano entro le specifiche concordate dai campioni T1 attraverso la produzione in serie.

 

ISO 14001 e produzione controllata di rame

La lavorazione del rame richiede anche il controllo dell’utilizzo dei materiali, del trattamento chimico, delle acque reflue, dei processi di rivestimento e degli scarti di produzione.

 

Laddove è richiesto un sistema di gestione ambientale, la ISO 14001 può fornire il quadro di gestione per queste attività produttive.

 

Per i team di approvvigionamento, la documentazione ambientale dovrebbe essere separata dalle prove delle prestazioni del prodotto-. La certificazione ISO 14001 non dimostra di per sé la conduttività del rame, la rigidità dielettrica o la classificazione antincendio ferroviaria.

 

Elenco di controllo delle specifiche tecniche per sbarre di trazione da 750 V/1500 V CC

Prima di rilasciare un ordine di acquisto per una sbarra collettrice di messa a terra per transito ferroviario o una barra in rame per sottostazione di trazione, il pacchetto di ingegneria dovrebbe definire:

 

Voltaggio del sistema: 750 V CC / 1500 V CC.
Corrente continua: A.
Corrente di cortocircuito-presunta: kA RMS.
Corrente di cortocircuito-di picco: kA, ove applicabile.
Durata del guasto: ms.
Grado di rame: C1100/equivalente specificato.
Conduttività: obiettivo come 100% IACS, ove applicabile.
Sezione-trasversale: larghezza × spessore.
Schema fori: controllato dal dato-.
Geometria di piega: angolo e raggio.
Trattamento superficiale: stagno/nichel/argento/rame nudo.
Isolamento: polvere epossidica/isolamento stampato/altro sistema specificato.
Requisiti dielettrici: specifici del progetto-, con metodo di prova.
Requisiti antincendio: set di requisiti EN 45545 applicabile.
Creef e clearance: valori di progetto calcolati.
Spaziatura dei supporti: basata sul-carico meccanico di cortocircuito.
Ispezione: CMM, resistenza elettrica, rivestimento e test dielettrici.
Documentazione: FAI/PPAP Livello 3 ove richiesto.
Tracciabilità: lotto materiale, lotto di produzione e registri di ispezione.

 

La specifica di approvvigionamento più affidabile collega ciascun requisito a una caratteristica misurabile, un metodo di ispezione e un criterio di accettazione. Ciò impedisce che termini come "alta conduttività", "resistente al fuoco" o "impiego-pesante" sostituiscano i limiti tecnici.

 

 

Quali documenti sono normalmente richiesti per la produzione di sbarre di trazione PPAP Livello 3?

PPAP Livello 3 normalmente richiede registrazioni di progettazione, flusso di processo, PFMEA, piano di controllo, risultati dimensionali, registrazioni di test su materiali/prestazioni, MSA ove applicabile, parti campione e PSW. I requisiti PPAP-specifici del cliente hanno la precedenza.

 

Quanto tempo impiega un prototipo T1 per una barra collettrice in rame C1100 personalizzata?

La tempistica T1 dipende dalla geometria, dai requisiti degli utensili e dal trattamento superficiale. È possibile produrre semplici prototipi tagliati al laser- o CNC senza uno stampo progressivo, mentre le complesse sbarre collettrici stampate richiedono lo sviluppo di attrezzature prima che siano disponibili parti T1 rappresentative.

 

Com'èsbarra in ramespessore della placcatura verificato durante la produzione?

Lo spessore della placcatura in stagno, nichel o argento può essere controllato utilizzando XRF o un altro metodo convalidato per lo spessore del rivestimento-. Le posizioni di misurazione dovrebbero includere aree di contatto funzionali e superfici di produzione rappresentative, con limiti di accettazione definiti nel disegno o nelle specifiche di acquisto.