L’Industria 4.0 e la produzione degli ingranaggi

Gear manufacturing industry 4.0

Come applicare i principi e le tecnologie proprie dell’Industria 4.0 al mondo della manifattura delle trasmissioni meccaniche?

Tradizionalmente la filiera degli ingranaggi si avvale di processi ben consolidati sia nel campo delle lavorazioni per asportazione di truciolo, sia dei processi speciali – inclusi i trattamenti termici – che dei metodi di collaudo.

Di seguito illustrerò quali sono, a mio parere, alcuni limiti produttivi legati alla fabbricazione degli ingranaggi e come le nuove tecnologie possono aiutare nella generazione di processi più automatizzati e allo stesso tempo flessibili.  

Tecnologie tradizionali

Nonostante le trasmissioni meccaniche vengano utilizzare nei più svariati campi applicativi con requisiti costruttivi diversi, tuttavia possiamo identificare alcuni processi standard:

  • Lavorazioni per asportazione di truciolo, principalmente tornitura, fresatura e taglio dentatura;
  • Trattamenti termici;
  • Rettifica di datum e dentatura;
  • Processi di finitura superficiale, quando richiesti.
  • Collaudo finali dimensionali, distruttivi e non.

Collegare i processi 

Come ogni buon tecnologo sa, il risultato finale è garantito non solo dalla riuscita delle singole operazioni, ma soprattutto dalla correlazione delle une con le altre. Ad esempio, cambiando la sequenza operativa o il sistema di quotatura di ciascuna operazione, il risultato sarà quasi sempre molto diverso. Le caratteristiche generate in ogni fase del ciclo di lavorazione, infatti, possono impattare in maniera molto significativa sulle operazioni a valle e tali variazioni, qualora non siano in controllo, possono generare inefficienze, scarti, ritardi, ancor di più quando la varietà dei prodotti aumentano e il lotto medio diminuisce, in quando sarà molto difficile settare processi standard altamente ripetitivi.

Automatizzare i processi

Quando i volumi produttivi sono tali da giustificare linee produttive dedicate, la standardizzazione garantisce un’elevata ripetitività del processo, per cui l’automazione risulta essere la soluzione tecnologica più efficace. D’altra parte già Henry Ford aveva standardizzato le sue linee di montaggio applicando l’economia di scala al settore automobilistico e producendo automobili a basso costo, a svantaggio però della varietà dei modelli. Tuttavia, con l’introduzione dei principi della Lean Manufacturing e della robotica industriale, la varietà dei modelli è via via aumentata sempre di più per soddisfare le richieste dei clienti, e allo stesso tempo i processi sono diventati sempre più automatizzati. Questo è particolarmente vero nell’automotive, in cui presse automatiche robot antropomorfi ormai gestiscono quasi in maniera autonoma l’intero processo di pressatura, saldatura e verniciatura.

Nel campo delle trasmissioni meccaniche, però, la flessibilità di un robot non può essere utilizzata al suo pieno potenziale: gli ingranaggi utilizzano per lo più processi che richiedono macchine CNC e attrezzature dedicate di precisione elevata e con tempi di set up per non trascurabili. Anche se l’utilizzo di robot offre ancora diversi benefici soprattutto nelle operazioni di carico-scarico e di collaudo, occorre raggiungere un maggiore livello di automazione e flessibilità in modo differente.

Rendere il sistema produttivo più flessibile

La varietà sempre maggiore di prodotti e cicli di vita sempre più brevi sta portando ad avere una variazione sempre maggiore di ingranaggi con volumi produttivi ridotti rispetto al passato. Di conseguenza, occorre mantenere elevato il livello di efficienza produttiva, mantenere i costi produttivi competitivi, ma allo stesso tempo introdurre flessibilità mantenendo invariata la qualità.

In questo senso, l’utilizzo delle nuove tecnologie può venirci in aiuto anche in questo settore tradizionalmente conservatore: anzi, esse saranno fondamentali per non essere tagliati fuori dal mercato.

Di seguito si riporteranno brevemente alcuni esempi per aumentare la flessibilità del sistema produttivo degli ingranaggi mantenendo un elevato livello di automazione.

Riduzione dei set up

Possiamo procedere per riducendo il numero di set up necessari e al tempo stesso ridurre il tempo del singolo set up.

  • Ridurre il numero di set up: l’utilizzo di macchine multi-tasking, ovvero in grado di integrare più lavorazioni/operazioni su una singola piattaforma, riduce notevolmente il numero di set up necessari. Ad oggi molti produttori storici di macchine utensili in questo settore offrono piattaforme di questo tipo: ci saranno quindi torni in grado di utilizzare creatori o utensili speciali per il taglio della dentatura, o centri di rettifica per dentature sia interne che esterne, riferimenti e piste cuscinetto, sia interne che esterne, su una singola piattaforma.
  • Ridurre i tempi di set up: la creazione di attrezzature smart, ovvero in grado di adattarsi autonomamente a diversi particolari da lavorare, può ridurre sensibilmente i tempi di set up. In questo senso, attuatori idraulici o pneumatici, tag rfid e sistemi di marcatura quali QR code o 2D Data Matrix possono fornire la giusta soluzione per una maggiore flessibilità.

Simulazione dei processi

Le simulazioni vengono tradizionalmente utilizzate nella progettazione dei componenti e nella programmazione delle macchine utensili per verificare il corretto percorso utensile onde prevenire eventuali collisioni. Soprattutto nel campo delle trasmissioni meccaniche, però, le simulazioni possono offrire ulteriori vantaggi:

  • Simulazione multi-fisiche: nel campo dei trattamenti termici ad esempio, è possibile predire le distorsioni dei particolari ormai con un elevato livello di accuratezza. Ciò comporta un notevole vantaggio in termini di qualità e di ottimizzazione delle lavorazioni a valle;
  • Simulazione di taglio dentatura: come definire i parametri di taglio in modo corretto? La simulazione cinematica, strumento utilizzato tradizionalmente dagli utensilieri, non fornisce tutte le informazioni necessarie. Ad esempio, come influiscono variabili quali la lubrificazione, la truciolabilità e la durezza dei materiali, sia dell’utensile che del particolare? Simulazioni di questo sono in grado di ottimizzare i parametri per aumentare, ad esempio, la vita dell’utensile e controllare con maggiore accuratezza finitura superficiale e tensione residua generata.  

Utilizzo dei Big Data

Senza una raccolta capillare dei dati e una loro analisi puntuale non sarà più possibile rimanere competitivi a lungo sul mercato. Abbiamo già evidenziato come i processi di trasformazione siano legati a doppio filo l’uno all’altro, pertanto analizzare quanto avviene a monte del processo e fornire dei feedback in tempo reale ai processi a valle sarà fondamentale.

In questo senso l’Internet delle Cose è lo strumento ideale per la raccolta dei Big Data, mentre per la loro analisi, Machine Learning e più in generale Intelligenza Artificiale possono sfruttare gli strumenti statistici del Six Sigma per adattare il sistema produttivo in tempo reale. Alcuni esempi legati ai processi a monte e a valle dei trattamenti termici e alle distorsioni indotte sono:

  • Dopo il trattamento termico, un particolare può venire scansionato mediante sistemi ottici, i dati inviati alla lavorazione successiva che automaticamente si adatterà al singolo ingranaggio;
  • Gli stessi dati, una volta elaborati, possono dare informazioni alle lavorazioni a monte al fine di ridurne le deformazioni a causa, ad esempio, di eccessiva eccentricità dei mozzi o di eccessiva tensione residua generata dall’asportazione di truciolo.

Per avere un sistema di trasferimento e analisi dati completamente interconnesso, sarà pertanto necessario dimensionare un’infrastruttura informatica adeguata a garantire lo scambio di informazioni senza soluzione di continuità, e una capacità di calcolo tale da elaborare la mole di dati generati in maniera quasi istantanea. 

Da dove cominciare?

Accialini Training & Consulting è in grado di fornire un supporto concreto all’implementazione di soluzioni che vanno nella direzione delle fabbriche intelligenti. In particolare:

  • Formazione aziendale sul potenziale e sull’utilizzo delle nuove tecnologie in fabbrica;
  • Identificazione di nuove soluzioni disponibili sul mercato;
  • Gestione all’introduzione delle nuove tecnologie utilizzando l’approccio TRL e MRL

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  • 24 Maggio 2022
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Testimonianze

Ho avuto il piacere di frequentare alcuni dei suoi preziosi corsi. Tecnicamente molto capace e ottima capacità dialettica e interlocutoria. Le innovazioni del settore e le ultime novità tecnologiche sono il suo punto di forza.

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Alberto Dalmasso
Disegnatore meccanico, SDM tooling S.r.l.

Nicola è un manufacturing engineer con molta esperienza, specialmente per quanto riguarda gli ingranaggi. Ha adottato idee derivanti dal mondo dell’Industria 4.0, Big Data e Automazione trasformandole in soluzioni pragmatiche.

Tim Sowa
Capability Acquisition Leader, Aerospace Transmission Technologies

Profonda conoscenza nel campo della manifattura per la produzione di ingranaggi e ottime competenze organizzative nei processi di miglioramento continuo.

Ezio Dadone
Gears & Special processes Business Leader, Avio Aero - a GE Aviation Business