Che cos'è la smart manufacturing?

La smart manufacturing è la digitalizzazione della produzione a tutti i livelli, dalla progettazione ottimale dei prodotti fino all'ottimizzazione e alla semplificazione dei processi produttivi. Include anche la gestione delle linee di produzione tramite manutenzione predittiva e preventiva, che individua i problemi prima che si verifichino sulle linee produttive. Inoltre, la smart manufacturing si estende all'intero ecosistema di un'azienda manifatturiera, tra cui le vendite e la supply chain..

La smart manufacturing combina hardware e software, includendo sensori intelligenti, dispositivi dell'Industrial Internet of Things (IIoT), big data, sistemi cyber-fisici e robotica, fino all'intelligenza artificiale (AI) e al machine learning (ML), analisi dei dati in tempo reale, simulazione, cloud computing e digital twin. Anche nuovi metodi di produzione, come la manifattura additiva (stampa 3D), sono diventati una parte fondamentale della smart manufacturing, poiché consentono di creare prodotti più ottimizzati.

L'evoluzione della smart manufacturing ha portato un nuovo livello di ottimizzazione e automazione in molti settori industriali, tra cui automotive, aerospace, difesa, sanità, energia e semiconduttori, contribuendo a migliorare efficienza, sostenibilità e processi decisionali. Le tecnologie avanzate sviluppate e maturate durante la trasformazione digitale della quarta rivoluzione industriale, ovvero l'Indystria 4.0, hanno reso possibile la smart manufacturing come la conosciamo oggi.

La smart manufacturing ruota attorno ai dati in tempo reale e a tecnologie data-driven che permettono alla linea produttiva di adattarsi ai cambiamenti in base alla domanda e alle esigenze aziendali. Attraverso la raccolta dei dati dai numerosi sensori sulla linea di produzione, è possibile ottimizzare i diversi parametri in base all'output previsto e identificare potenziali guasti prima che si verifichino grazie a comportamenti appresi e predittivi. La combinazione hardware-software consente di mantenere le linee produttive operative senza interruzioni o downtime. Molti componenti contribuiscono alle capacità rese disponibili dalla smart manufacturing.

IoT, IIoT ed Edge Computing

Molti dispositivi in un ambiente di smart manufacturing fanno parte della rete Internet of Things (IoT), e l'IIoT è centrale perché collega asset fisici e digitali, permettendo decisioni informate. Questo include sensori intelligenti connessi in modalità wireless che inviano dati per l'analisi software. La rete può così prendere decisioni automatiche basate sui dati raccolti e confrontati con quelli storici. Include anche processori a basso costo che eseguono parte dell'elaborazione localmente, come la sensor fusion, prima di inviare i dati al cloud, riducendo la latenza. Questo è noto come edge computing ed è oggi una componente chiave dell'infrastruttura IIoT.

Simulazioni e digital twin

Le simulazioni e i digital twin (ambienti virtuali) permettono di progettare e ottimizzare prodotti in modo digitale, validando parametri e tolleranze prima della produzione. Questo riduce significativamente gli errori produttivi. I digital twin possono anche simulare un intero stabilimento di produzione e i suoi asset, garantendo operazioni fluide e un'ottimizzazione continua. I dati reali possono essere integrati nel modello digitale per testare scenari e applicarli poi alla linea produttiva reale.

Computing Cloud

Il cloud consente di archiviare i dati dei sensori IoT e analizzarli tramite algoritmi di machine learning su server remoti (con maggiore capacità per ospitare i data center). Questo permette analisi e automazione in modalità wireless. Con la connettività 5G, si riducono latenza e tempi di risposta, rendendo possibile la smart manufacturing su scala più ampia.

AI e machine learning

AI e ML sono fondamentali per analizzare i dati, identificare pattern, ottimizzare processi, ridurre difetti e prevenire guasti. Sono parte integrante del concetto di "smart"nella produzione smart manufaturing. Inoltre, AI e machine learning vengono utilizzati anche in microprocessori edge IoT e robot industriali (come cobot e robot autonomi).

Manifattura additiva

La manifattura additiva è una tecnologia chiave per la smart manufacturing. Pur non facendo parte delle tecnologie di automazione, la stampa 3D è fondamentale nelle fasi di progettazione e produzione. La manifattura additiva consente di ridurre i tempi di produzione, creare prototipi rapidi e sviluppare componenti con geometrie complesse e canali interni che spesso richiederebbero processi produttivi costosi.

SCADA

Il sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) coordina in tempo reale il flusso di materiali e inventario. SCADA esegue il monitoraggio continuo dei sistemi ed è direttamente collegato ai sistemi di controllo per supervisionare le prestazioni degli impianti produttivi e generare avvisi quando si verificano anomalie.

Il passaggio dai processi produttivi tradizionali ai sistemi di smart manufacturing comporta numerosi vantaggi in termini di efficienza, produttività, qualità, sostenibilità ed economia, tra cui:

• Migliore resa: riduzione dei difetti del 20%-40%, un aumento del rendimento al primo passaggio del 15%-30% e fino al 50% in meno di scarti nei processi di formatura e lavorazione meccanica.
• Riduzione dei tempi: riduzione dei cicli di sviluppo dei prodotti del 20-30%, una riduzione degli errori di sviluppo fino al 50% e un'accelerazione del 40% del time-to-production.
• Riduzione dei costi: una riduzione del 20%-40% dei costi di ricerca e sviluppo (R&D) e prototipazione, un risparmio del 10%-20% sui costi delle materie prime e del 15% sui consumi energetici grazie a processi ottimizzati.
• Maggiore sostenibilità: riduzione del 25% delle emissioni di carbonio, risparmio del 20-30% di acqua e risorse nella produzione e miglioramento del 15% dell'efficienza energetica.
• Miglior controllo dei processi e della qualità: riduzione della variabilità dei processi e degli errori non rilevati lungo la linea di assemblaggio, con conseguente riduzione dei richiami di prodotto, aumento della qualità e miglioramento della gestione della supply chain.

Accanto agli aspetti operativi della linea di assemblaggio, una parte importante dei progressi nella smart manufacturing riguarda la progettazione di prodotti ottimali, più sostenibili, più efficienti, più rapidi da produrre e meno costosi, il tutto prima ancora che inizi la produzione.

Questo può assumere diverse forme, ma le tecnologie digitali e le capacità di simulazione sono fondamentali. Da un lato, la modellazione dei diversi processi produttivi può aiutare a individuare quando vengono introdotti difetti in un prodotto e se è probabile che portino a guasti (e dopo quanto tempo). Un ambiente virtuale può essere utilizzato per analizzare come eliminare questi difetti o dove le tolleranze del prodotto possono accettare un certo livello di imperfezioni. Gli ambienti virtuali aiutano anche a identificare le migliori tecniche di produzione, individuando quali approcci introducono eccessivo stress nel materiale: un fattore che può portare rapidamente al guasto del prodotto.

Una volta modellati i sottoprocessi, è possibile integrare modelli a ordine ridotto nel sistema per rilevare quando le apparecchiature di produzione iniziano a deviare e a uscire dalle tolleranze. Entrambi questi aspetti contribuiscono a migliorare la sicurezza e la qualità dei prodotti, oltre ad aumentare la resa delle linee di assemblaggio grazie a un minor numero di guasti. Questo approccio può essere applicato sia alle linee produttive tradizionali sia ai processi di manifattura additiva, dove è possibile monitorare anche il calore dei pool di fusione.

Un altro elemento chiave nella progettazione del prodotto oggi è la sostenibilità. La progettazione tramite simulazione nella smart manufacturing consente di rendere i componenti più riciclabili, facilitando la scelta delle materie prime e migliorando l'efficienza energetica grazie a processi ottimizzati. Spesso si tratta di bilanciare i materiali in base alla loro riciclabilità e all'energia necessaria per produrli. Ad esempio, l'acciaio è più facile da riciclare rispetto a molte plastiche, ma richiede molta più energia per essere prodotto. Allo stesso modo, le batterie dei veicoli elettrici (EV) sono molto più difficili da riciclare rispetto a un motore tradizionale, ma un veicolo elettrico riduce le emissioni locali di gas serra. Anche la manifattura additiva si inserisce in questo contesto, in quanto, rispetto all’esecuzione di processi disconnessi in più stabilimenti, può offrire maggiore efficienza in termini energetici, di materiali e di tempi.

Gli approcci di simulazione, come il model-based systems engineering o il model-based process engineering, consentono di simulare numerosi processi produttivi. Tra questi rientrano estrusione, miscelazione, frantumazione e macinazione, stampaggio, formatura, colata, rivestimento, saldatura, brasatura e manifattura additiva, oltre a molti altri metodi comuni. La simulazione analizza sia il componente sia il processo, e per queste attività vengono utilizzati diversi strumenti Ansys, tra cui i seguenti.

• Ansys LS-DYNA, software di simulazione strutturale non lineare: utilizzato per modellare sottoprocessi produttivi come stampaggio, formatura dei metalli o laminazione.
• Ansys Fluent, software di simulazione fluidodinamica: utilizzato per modellare processi produttivi basati su fluidi, come la miscelazione.
• Ansys Rocky, software di simulazione della dinamica delle particelle: utilizzato per modellare la dinamica delle particelle nei fluidi, spesso in combinazione con Fluent per sottoprocessi liquidi.
• La Ansys Additive Suite, soluzione completa per la manifattura additiva: utilizzata per modellare componenti realizzati con tecnologie additive, inclusa la simulazione completa del processo di stampa, l'analisi delle sollecitazioni, della struttura a strati, dell'orientamento ottimale rispetto al laser, della presenza di difetti o inclusioni, delle proprietà del bagno di fusione e l'ottimizzazione dei parametri operativi.
• La Ansys Twin Builder, piattaforma di digital twin basata sulla simulazione e Ansys TwinAI, software di digital twin basato su AI: utilizzati per creare ambienti virtuali che simulano processi produttivi e persino interi impianti di smart manufacturing, consentendo test e ottimizzazioni in tempo reale.

La simulazione rappresenta una componente fondamentale nella creazione di impianti di smart manufacturing. Se desideri scoprire come sfruttare le tecnologie di simulazione e digital twin per migliorare la progettazione e il funzionamento nella smart manufacturing, contatta il nostro team tecnico.

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