In questo scenario è di vitale importanza cercare le strade più efficaci per il reshoring della manifattura, cioè per riportare a casa le fabbriche che si sono spostate all’estero, e per riprendersi così le quote di produzione perse negli ultimi anni. La chiave per avere successo in questa direzione e per puntare ad un nuovo livello di competitività è sicuramente l’innovazione tecnologica.
E’ infatti attraverso lo sviluppo e l’impiego di nuove tecnologie, unito al potenziamento ed al miglioramento di quelle già presenti, che si può realizzare una Fabbrica del Futuro che sia smart, ad alte prestazioni, sostenibile, collegata in rete e sicura.
Il tema della Fabbrica del Futuro ha fatto da sfondo ad un convegno dal titolo: “Sensori e Data Fusion nelle Lavorazioni Meccaniche”, organizzato dal Consorzio MUSP – Macchine Utensili e Sistemi di Produzione -, centro di ricerca della Rete Alta Tecnologia Emilia Romagna, lo scorso 10 Aprile 2013, in collaborazione con AITeM – Associazione Italiana Tecnologie Meccaniche.
La fabbrica ad alte prestazioni è uno dei temi centrali identificati nell’ambito della piattaforma europea ManuFuture e dall’associazione EFFRA (European Factories of the Future Research Association), ma è anche un tema sentito a livello nazionale, e lo dimostra il recente bando “Cluster Tecnologici” promosso e finanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca.
Proprio nell’ambito di questo bando il Laboratorio MUSP ha fatto da capofila in uno dei progetti nel filone della meccanica, dal titolo “High Performance Manufacturing”, con l’obiettivo di mettere a sistema le esigenze dell’industria e la ricerca applicata.
L’esigenza di un cambio di prospettiva nel modo di intendere la fabbrica è stata sottolineata dal Prof. Monno, direttore del Laboratorio MUSP, nel suo intervento in apertura della giornata. Non solo è possibile pensare ad una fabbrica che sia tecnologicamente avanzata e sostenibile, ma questo è anche il presupposto fondamentale per cominciare a ragionare in termini concreti sulle azioni di miglioramento e innovazione.
La stessa visione è stata ripresa dall’Ing. Bologni di Aster, che nel suo intervento ha proposto punti di vista e spunti di riflessione su come si possa configurare il futuro dei sistemi di produzione nell’ambito delle tendenze globali e particolari del territorio, sottolineando la necessità di un’azione concertata tra sistema imprenditoriale, sistema della ricerca e amministrazioni pubbliche.
Sensori per il miglioramento delle prestazioni
Oggigiorno sensori di ogni tipo e di livello tecnologico estremamente avanzato sono disponibili praticamente in qualunque dispositivo elettronico o sistema meccanico che ognuno di noi si trova ad utilizzare quotidianamente. La macchina utensile, tuttavia, è ancora un sistema relativamente nudo e dalle funzionalità ridotte dal punto di vista della sensorizzazione: il monitoraggio in-process, la diagnostica e la raccolta ed il trasferimento dati in remoto sono ancora strumenti raramente integrati dai costruttori di macchine, e sono tipicamente sviluppati da soggetti terzi che propongono all’utilizzatore finale dei kit mirati a problematiche ben precise.
Nonostante questo, sempre più spesso costruttori e utilizzatori di sistemi produttivi avvertono l’esigenza di nuovi strumenti, nuovi livelli di integrazione di informatica ed elettronica, ed in generale un nuovo approccio alla gestione di macchina e processo.
Tale esigenza, nell’ambito delle lavorazioni di rettifica, è stata messa in evidenza in modo molto chiaro dall’Ing. Claudio Trevisan di Pomini/Tenova, intervenuto al convegno con una presentazione dal tiolo: “Misure critiche nella rettifica di cilindri di laminazione”. Trevisan ha evidenziato come il prodotto di una lavorazione, nel caso in esame la laminazione dei metalli, ha una qualità che dipende molto dal laminatoio, ma a sua volta il laminatoio è legato alla qualità degli utensili di lavorazione che utilizza, ossia i cilindri. La qualità della lavorazione dei cilindri è dunque direttamente collegata al prodotto laminato; questa qualità si esprime sia in termini geometrici (il mercato cerca tolleranze sempre più strette e quindi è indispensabile misurare il pezzo durante la fase di esecuzione del lavoro) che tecnologici (la superficie lavorata deve essere priva di difetti: quelli “visibili” non sono gli unici; ci sono perfino difetti invisibili sul cilindro appena lavorato ma che generano difetti visibili poi sulla lamiera). Serve una sensoristica adeguata per poter monitorare lo “stato della macchina”, soprattutto quando questa si trova distante molte decine di metri dal pulpito di comando (cioè dall’operatore). Infine la valutazione della qualità e delle condizioni di servizio della macchina utensile devono poter essere indipendenti dall’operatore al fine di ottenere qualità costante e ripetibile. Molto è stato fatto in questi ultimi anni, grazie anche al notevole passo in avanti della tecnologia ed in particolare dei sistemi di controllo, ed allo sviluppo di sensori sempre più sofisticati e in grado di lavorare in condizioni estreme, ma esistono ancora molti problemi aperti che richiedono nuove soluzioni tecnologiche ed un livello di integrazione dei sensori e dei sistemi di misura ancora più elevato.
Un’esigenza analoga è stata rimarcata dall’Ing. Fogliazza di MCM, intervenuto durante la tavola rotonda a chiusura della giornata, coordinata dall’Ing. Salmon. L’ing. Fogliazza ha sottolineato come l’uso di strumenti informatici – per esempio per il monitoraggio e la supervisione del sistema produttivo a diversi livelli gerarchici – e l’offerta di servizi adeguati rappresentino un elemento fondamentale per la competitività e per rispondere alle esigenze del mercato.
Lo stato dell’arte della tecnologia dei sensori relativamente a problemi di notevole interesse industriale – la miniaturizzazione dei sensori, l’autonomia energetica dei sensori, le architetture aperte e/o distribuite, etc. – è stato offerto dalle diverse aziende che sono intervenute nel corso della giornata.
L’ing. Andrea Labombarda di STmicroelectronics ha affrontato il tema delle tecnologie MEMS e dell’integrazione in sistemi commerciali di algoritmi avanzati di data fusion. Il Prof. Giuliani dell’Università di Pavia e fondatore dello spin-off Julight ha trattato il tema dei sensori ottici e laser nelle applicazioni industriali per misure di vario tipo (presenza, distanza, velocità vibrazioni, riconoscimento di forme e colori, etc.).
L’ing. Alessandro Bertacchini dell’Università di Modena ha presentato lo stato dell’arte e le principali direzioni di ricerca e sviluppo nell’ambito della tecnologia “Energy Harvesting”: sensori di vario tipo possono essere dotati di dispositivi in grado di convertire fonti alternative di energia presenti “sul campo”, quali calore, luce, vibrazioni, spostamenti o altro, per rendere energicamente autonomi i sensori.
L’ing. Roberto Montorsi della Robox ha infine affrontato il tema dell’integrazione di sensori nei motori brushless, e l’ing. Tassi della Spin ha presentato l’attuale stato dell’arte dei sensori magnetici.
Tra le altre aziende e associazioni intervenute ricordiamo PCB Piezotronics, Marposs, National Instruments, e UCIMU – Associazione dei costruttori italiani di macchine utensili, robot, automazione -.
Non solo sensori: data fusion per la macchina intelligente
La semplice aggiunta di sensori alla macchina non significa aumentarne l’intelligenza, in quanto i sensori sono un ingrediente fondamentale, ma ciò che davvero permette di rendere smart il sistema è il modo in cui dati e informazioni forniti dai sensori vengono analizzati, processati ed interpretati. L’aumento delle prestazioni passa quindi per lo sviluppo e l’impiego di strumenti più robusti ed efficaci di analisi del segnale e di data fusion, per l’interoperabilità di dispositivi a bordo macchina, per l’integrazione con le logiche di controllo, etc.
Una macchina utensile ad alte prestazioni è una macchina autonoma, che dipende sempre meno dalla presenza fisica dell’operatore; una macchina con capacità di supervisione automatizzata dei processi (monitoraggio, diagnostica, stima dei tempi di vita residui dei suoi componenti, etc.); una macchina in grado di adattare le proprie logiche di controllo a condizioni contingenti; una macchina in grado di soddisfare requisiti sempre più stringenti in termini di qualità, produttività e riduzione degli scarti; una macchina in grado di comunicare dati con l’esterno e di ricevere istruzioni da remoto…
Il primo fondamentale passo per ottenere tutto questo consiste in un uso sempre più diffuso di sensori, installati ed integrati in macchina, perché solo attraverso di essi è possibile raccogliere le informazioni ed i dati necessari per tenere sotto controllo i processi e per migliorarli.
L’impiego di sensori permette di raccogliere dati in tempo reale sull’evoluzione del processo. Utilizzando poi opportuni strumenti di analisi e interpretazione (data fusion significa fondere dati ottenuti da fonti diverse per capire meglio il processo e le condizioni del sistema), eventualmente supportati da modelli e dati ottenuti off-line attraverso caratterizzazioni sperimentali, è possibile identificare malfunzionamenti, guasti o instabilità di processo (scheggiature e rotture dell’utensile, sbilanciamenti del mandrino o danneggiamenti ai cuscinetti, vibrazioni di varia natura, deformazioni, collisioni, etc.).
L’integrazione con il controllore e la disponibilità di strategie di intervento adeguate permettono inoltre di chiudere il loop e mitigare, o addirittura sopprimere, gli effetti sulla qualità della lavorazione prodotti dai malfunzionamenti osservati.
Una panoramica su applicazioni di interesse industriale nelle quali la combinazione di sensori e tecniche di analisi avanzate del segnale portano a miglioramenti effettivi dei processi è stata fornita dall’Ing. Thomas Wiener dell’istituto Fraunhofer IWU, con un intervento sull’uso di tecniche di data fusion per il miglioramento di processi di saldatura, dall’Ing. Dirk Lange, di Artis (Marposs), con una presentazione sul tema del monitoraggio delle condizioni dell’utensile, e dall’Ing. Marco Sortino dell’Università di Udine, sul tema del controllo adattativo.
Infine, l’importanza del monitoraggio dei consumi energetici e degli interventi volti all’aumento dell’efficienza dei sistemi produttivi, con conseguenti riduzioni di emissioni di CO2, è stata sottolineata dall’Ing. Gambini di Marposs, intervenuto durante la tavola rotonda. Il monitoraggio dei consumi ed il monitoraggio delle prestazioni dovrebbero essere entrambi fattori chiave nella definizione delle linee guida per lo sviluppo della Fabbrica del Futuro.
Come costruire la fabbrica del futuro?
Ci sono due tipi di innovazione: un’innovazione incrementale, caratterizzata da miglioramenti continui e graduali, e un’innovazione radicale, che porta a salti tecnologici e di prestazioni grazie a mezzi che prima non c’erano.
Questo secondo tipo di innovazione tecnologica può essere vista come una serie di vere e proprie onde che investono industria e mercati a distanza di tempo l’una dall’altra, modificando radicalmente il modo di produrre.
In molti concordano che la prossima onda in ambito industriale porterà ad un’esplosione e concretizzazione di concetti come l’internet delle cose, la meccatronica 2.0, le reti di sensori wireless, la macchina intelligente, e così via. Alcuni segnali ci dicono che questa onda forse sta già cominciando a gonfiarsi: capire in che direzione andrà è il primo passo per tentare di cavalcarla e lasciarsi alle spalle chi non è stato attento ai cambiamenti o non ha colto l’importanza di un cambiamento.
La costruzione della fabbrica del futuro passa sicuramente per un avvicinamento sempre maggiore di ricerca e industria, con l’obiettivo di mettere insieme la conoscenza, il know how e l’esperienza di end-user e produttori da un lato, e nuove tecnologie dall’altro.
Bisogna quindi essere attenti ai temi studiati nelle varie piattaforme legate ai progetti di ricerca europei e nazionali, ma anche cercare di avvicinare i vari attori tra di loro (costruttori, strumentisti, controllisti, utilizzatori finali e ricercatori), perché l’innovazione nasce spesso dal giusto incastro di soluzioni e problemi.
Ingg. Mario Salmon e Marco Grasso
