Azionamenti e Industria 4.0

• Aspetti fondamentali dell’Industria 4.0
• Concetti chiave dell’Industria 4.0
  1. Cloud Manufacturing
  2. Produzione assistita dall’IoT
  3. Produzione intelligente
• Tecnologie chiave ed azionamenti nell’Industria 4.0
  1. Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione
  2. Big Data Analytics
  3. Cloud Computing
  4. Internet delle Cose (IoT)
  5. Sistemi ciberfisici (CPS)
• Il ruolo del fornitore di componenti

Il termine Industria 4.0 indica, generalmente, la quarta rivoluzione industriale. Più in dettaglio, il termine indica un ulteriore stadio di sviluppo nell’organizzazione e nella gestione dell’intero processo della catena del valore nell’industria manifatturiera. 

Il concetto di Industria 4.0 viene ampiamente applicato in tutta Europa, mentre negli Stati Uniti e nel resto del mondo anglosassone vengono usati altri termini correlati quali Internet Industriale e Fabbrica Digitale. Mentre l’Industria 3.0 ha determinato l’automazione di singoli macchinari e di singoli processi, l’Industria 4.0 mira alla digitalizzazione end – to – end di tutte le risorse fisiche ed alla loro integrazione in ecosistemi digitali con i partner della catena del valore.

Tali ecosistemi digitali, oltre ad essere dinamici, prevedono l’impiego di tecnologie chiave per la loro attuazione. Tale attività non solo presenta molte potenzialità, specie in termini di ottimizzazione dei metodi e dei processi manifatturieri esistenti, ma prefigura molte opportunità per la progettazione e l’implementazione di nuovi modelli aziendali basati su dati (data – driven) e su piattaforme (platform – based), caratterizzati da nuove forme di architettura del valore aggiunto, di modalità di conseguimento di ricavi e fatturati e di creazione del valore. 

In tale fase di implementazione, sulla base delle possibili valutazioni e delle carenze più ricorrenti che possono essere rilevate grazie agli studi preliminari, si individuano le principali criticità connesse all’applicazione delle soluzioni previste dall’Industria 4.0 nelle imprese esistenti, evidenziando le ripercussioni nel settore degli azionamenti.

Aspetti fondamentali dell’Industria 4.0

L’Industria 4.0 determina la creazione di aziende innovative nel settore manifatturiero, nelle quali il reparto produttivo viene reso intelligente tramite la valutazione dell’applicabilità di sistemi di cloud computing, di Internet delle cose (Internet of Things, IoT) e ciberfisici (Cyber – Physical systems, CPS). 

Il termine intelligente, riferito al reparto produttivo, indica la capacità dello stesso di trasformare il mondo fisico in un gemello digitale (digital twin) o in un modello cibernetico (cyber twin), in maniera da monitorare e prendere decisioni sui processi associati in maniera efficiente e facile. La cooperazione con i macchinari, i sensori e gli operatori umani, così come la comunicazione in tempo reale tra questi, favorisce in maniera determinante le suddette caratteristiche di efficienza.
L’Industria 4.0, perciò, tende a determinare la trasformazione delle catene di valori dell’industria, dei modelli aziendali associati e delle catene di valori della produzione, combinando sistemi di produzione preesistenti con quelli intelligenti. 

Tali sistemi verranno quindi caratterizzati non solo dall’essere smart, ma anche riconfigurabili e flessibili. Inoltre, i processi fisici connessi ai nuovi reparti intelligenti saranno resi disponibili in tempo reale, unitamente a tutte le informazioni correlate, quando richiesto dalle industrie, dalle imprese e dalle filiere di approvvigionamento.
Alcune delle tecnologie chiave abilitanti del processo, che verranno passate in rassegna, vengono richieste per supportare i macchinari ed i dispositivi nella variazione del loro comportamento, secondo i requisiti richiesti o sulla base di esperienze e situazioni passate. Le tecnologie di supporto consentono la risoluzione dei problemi di produzione in maniera dinamica e di conseguenza le decisioni vengono prese in maniera appropriata all’interno del lasso di tempo prestabilito. Tali tecnologie di supporto sono relative ai sistemi di comunicazione diretta ed in tempo reale tra i diversi sistemi di produzione. 

Ad esempio, la tecnologia che impiega sistemi con Intelligenza Artificiale aiuta i componenti del sistema di produzione nell’apprendimento dalle esperienze passate, in modo da realizzare pratiche industriali intelligenti ed ampiamente approvate.
Altri concetti fondamentali della produzione intelligente sono la produzione abilitata all’Internet delle cose e il cloud manufacturing, che verranno esaminati di seguito.

Concetti chiave dell’Industria 4.0

Vengono brevemente esaminati i concetti fondamentali dell’Industria 4.0, al fine di delinearne le influenze su un settore economico fondamentale come l’industria manifatturiera.

1. Cloud Manufacturing

Il cloud manufacturing è uno dei modelli di produzione avanzata che ha lo scopo di condividere le risorse di produzione in maniera comprensibile e di farle circolare efficacemente, tramite il supporto di un quadro integrato di tecnologie orientate ai servizi, di virtualizzazione, di Internet delle Cose e di cloud computing. 

Nell’ambito del Cloud Manufacturing, le risorse ed i processi richiesti vengono gestiti in maniera intelligente per tutto il ciclo di vita del prodotto, partendo dalle fasi di progettazione, di produzione e di manutenzione. Perciò il cloud computing viene spesso considerato come un sistema intelligente di produzione parallelo e collegato in rete. Inoltre, consente servizi di produzione on – demand nelle modalità richieste dalla clientela.

2. Produzione assistita dall’IoT

Gli oggetti realizzati tramite produzione assistita dall’IoT, presentano come caratteristica fondamentale quella di essere intelligenti (smart). Questi oggetti smart sono in pratica capaci di percepire, interagire ed interconnettersi l’un l’altro, in modo da svolgere ulteriori funzioni connesse alle fasi di produzione in maniera automatica ed adattativa. 

Tra le percezioni possibili in un contesto di produzione assistita dall’IoT, si ricordano quelle tra umani o tra umani e macchinari, con quest’ultimi realizzati in maniera tale da essere intelligenti nelle modalità prima esposte. Grazie all’applicazione delle tecnologie dell’Iot, è possibile un utilizzo delle risorse on – demand ed un’efficiente circolazione degli oggetti tra tutte le parti interessate. L’adozione di determinate tecnologie, come quelle impiegate nelle infrastrutture per la condivisione e l’acquisizione dei dati all’interno dei sistemi di produzione assistiti dall’IoT, ha ulteriormente esteso le prestazioni degli stessi sistemi di produzione.

3. Produzione intelligente

La produzione intelligente racchiude in sé il concetto più ampio di produzione orientata all’ottimizzazione delle varie attività dei processi, impiegando tecnologie avanzate e sistemi informatici dedicati. Tali tecnologie e tali sistemi concorrono nel costituire le basi del quadro concettuale della produzione intelligente, la cui funzionalità principale è quella di supportare l’aggiornamento e la gestione della produzione, oltre agli aspetti connessi al percorso progettuale di un determinato prodotto. Inoltre l’impiego di materiali innovativi, di modelli decisionali con caratteristiche adattative, di sensori smart, di analisi dei dati e di dispositivi intelligenti facilita l’intero ciclo di vita di un determinato prodotto. Tali aspetti inoltre estendono la qualità totale e l’efficienza della produzione, rendendo le aziende pronte a fronteggiare la dinamicità del mercato e le sue fluttuazioni, incrementando la loro competitività. Per l’utente finale, tutto ciò si traduce in servizi di supporto riconfigurabili, flessibili, personalizzabili e collaborativi, estremamente interessanti dal punto di vista delle interazioni uomo – macchina. Ulteriori estensioni, finalizzate all’ottenimento di caratteristiche di autoapprendimento, sono possibili grazie all’integrazione di sistemi basati sull’Intelligenza Artificiale. Tutti questi sistemi, infine, presentano la caratteristica intrinseca di poter essere impiegati tramite piattaforme Internet.

Tecnologie chiave ed azionamenti nell’Industria 4.0

Si passano a considerare le tecnologie chiave nell’ambito dell’attuazione delle prerogative dell’Industria 4.0 finora discusse, evidenziando i risvolti possibili nel settore degli azionamenti.

1. Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione

Le Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione (Information and Communication Technology, ICT) costituiscono una versione estesa delle Tecnologie dell’Informazione (Information Technology, IT), grazie alle quali è possibile realizzare sistemi unificati, comprendenti funzionalità di comunicazione e di trasmissione, in grado di immagazzinare, processare e trasmettere i dati.
Le tecniche alla base dell’ICT comprendono sia gli ambiti dell’informatica che quelli dell’elaborazione del segnale, come nel caso dei sistemi audiovisivi, del middleware e dei sistemi di trasmissione wireless. Quest’ aspetto gioca un ruolo cruciale nella manifattura intelligente, dove le diverse attività di produzione e decisionali si poggiano su uno scambio continuo di dati ed informazioni.

2. Big Data Analytics

Tale termine, talvolta tradotto come Analisi dei Dati Complessi, individua quella tecnologia concepita sulla base della sempre più diffusa facilità di accesso ai dati ed alle informazioni (con conseguente onnipresenza per entrambi) da parte delle industrie, dato l’interesse crescente delle stesse verso le reti di dati e le tecnologie come l’IoT. L’accessibilità dei dati, oramai priva di difficoltà, ha dato origine al concetto di Big Data. 

I Big Data hanno avuto origine grazie alla nascita ed alla diffusione di canali, di reti, dei dispositivi audio e video, dell’accesso al web, dei social media e degli applicativi di scambio e registrazione dei file. Il risultato principale è stato la nascita di ambienti di dati complessi nel settore della produzione. La raccolta dei dati è stata così semplificata grazie ai progressi nella tecnologia dell’IoT.
La principale criticità in tale tecnologia risulta nella processazione accurata dei dati raccolti, in modo da renderli disponibili per gli scopi richiesti nei momenti appropriati.

3. Cloud Computing

Nell’impiego dei sistemi di Cloud Computing, le risorse computazionali ed i servizi vengono resi disponibili tramite l’aiuto di tecnologie che supportano la visualizzazione e la scalabilità. 

La diffusione di tali risorse viene realizzata tramite Internet. La caratteristica di scalabilità aiuta a contenere gli investimenti iniziali sia per la gestione dell’ufficio tecnico di una PMI che per lo start-up di una nuova azienda di servizi dedicati, incrementandoli successivamente qualora vi sia la necessità di maggiori risorse di calcolo o di soddisfare un incremento di domanda per i relativi servizi. 

4. Internet delle Cose (IoT)

L’Internet delle Cose è un ambiente digitale nel quale diverse risorse di produzione ed oggetti vari sono integrati con attuatori, dispositivi digitali e sensori. Gli oggetti, che incorporano tali dispositivi, sono quindi connessi tra di loro, per cui i dati vengono raccolti e scambiati tra gli stessi. Quindi, lo scopo fondamentale dell’IoT è quello di supportare la comunicazione oggetto – oggetto e di condividere i dati tramite la connettività estesa tra oggetti fisici, servizi e sistemi.

L’ambito di applicazione dell’Internet delle Cose aiuta le industrie operanti in diversi settori, nel conseguimento dei richiesti livelli di automazione per scopi diversi come le lavorazioni alle macchine utensili, la climatizzazione, l’illuminazione degli ambienti ed il monitoraggio remoto dei processi. Uno dei risultati più importanti ottenibili con l’applicazione dell’IoT è dato dalla realizzazione di oggetti smart tramite tecnologie di identificazione automatiche.

5. Sistemi ciberfisici (CPS)

Tale tecnologia influenza direttamente il settore degli azionamenti. Nei sistemi ciberfisici, oggetti fisici e diverse piattaforme software sono integrati tra loro in modo da favorire l’interazione tra più componenti possibili in modo da scambiare le informazioni rilevanti. 

Nella realizzazione  di un sistema CPS entrano in gioco diverse competenze interdisciplinari, come ad esempio quelle relative all’ingegneria meccanica, alla meccatronica, alle tecnologie di produzione, alla cibernetica, al design, alla scienza dell’informazione ed alla progettazione dei processi. I sistemi embedded (o integrati), ovvero quei sistemi elettronici di elaborazione a microprocessore non riprogrammabili dall’utente per impieghi diversi da quelli per cui sono stati progettati, costituiscono una soluzione tecnica fondamentale per il conseguimento di un livello di coordinazione elevato e preciso tra gli oggetti fisici ed i servizi computazionali. 

Le interazioni in rete sono inoltre comprese nell’implementazione di un sistema CPS. Tali interazioni sono concepite tenendo conto di input ed output fisici e sono integrate in sistemi cibernetici, ovvero in sistemi che hanno come scopo il controllo unitario dei processi riguardanti la comunicazione ed il controllo. 

Risulta quindi evidente il ricorso a sistemi di sensori adeguati alla realizzazione di un sistema CPS; tra essi si ricordano i sensori di forza, di luce ed i touch screen. Di conseguenza, la realizzazione delle catene cinematiche in un qualsiasi tipo di azionamento, dovrà essere realizzato in maniera tale da rispondere ai requisiti prima indicati, tenendo conto di fattori tra cui il tempo di reazione dei sistemi di sicurezza elettronici (di norma maggiore di quello del giunto di sicurezza meccanico) e l’esigenza di ridurre l’inerzia dei componenti in rotazione presenti nella catena cinematica stessa. I suddetti sistemi cibernetici, inoltre, dovranno essere concepiti in maniera tale da ridurre al minimo l’incidenza degli errori determinati dai sensori.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come la progettazione degli azionamenti nell’ambito dell’Industria 4.0, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.
Nel settore degli azionamenti per l’Industria 4.0, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti ad elastomero della serie EK, limitatori di coppia della serie SK e giunti con allunga della serie ZA ed EZ.