La TH di Colonia realizza un dimostratore tecnologico compatto con la tecnologia dei nastri trasportatori di mk
Gli studenti dell'Università Tecnica di Colonia vivono in prima persona l'Industria 4.0: Un prototipo compatto dotato di robot, tecnologia dei nastri trasportatori e sistema di telecamere permette di sperimentare in modo interattivo processi produttivi complessi. Grazie al sostegno di mk Technology Group, è possibile trasmettere concetti fondamentali come l’OEE in modo pratico: un insegnamento orientato al futuro in uno spazio ridotto!
Le esigenze nei confronti degli ingegneri stanno cambiando rapidamente – e con esse anche la formazione. All’Università Tecnica di Colonia, gli studenti possono quindi non solo comprendere i moderni processi di produzione dal punto di vista teorico, ma anche sperimentarli in prima persona grazie a un dimostratore dell’Industria 4.0. Ciò è stato possibile grazie al sostegno di partner industriali impegnati come mk Technology Group, che ha fornito tecnologia dei nastri trasportatori a costi contenuti e ha contribuito alla realizzazione con il proprio know-how tecnico.
«Chi non sta al passo con i tempi, finisce per essere superato dai tempi»: un detto senza tempo che sembra valere anche per i giovani ingegneri. Già nel 2019, infatti, l’Associazione degli ingegneri tedeschi (VDI) aveva lanciato l’allarme: Secondo un sondaggio del VDI, solo l’11% degli studenti intervistati ha dichiarato di sentirsi ben preparato ad affrontare le sfide dell’industria interconnessa; tra i neolaureati, la percentuale era appena del 9%. L'Associazione tedesca dei costruttori di macchine e impianti (VDMA) chiede pertanto che le università stiano al passo con il progresso tecnico e adeguino rapidamente i propri programmi di studio. L'Università di Scienze Applicate di Colonia dimostra che oggi i cambiamenti auspicati stanno effettivamente avvenendo.
Yannick Liebertz, ricercatore presso il Laboratorio per i sistemi di produzione di Colonia (LFK) dell’Università Tecnica di Colonia
«Per preparare meglio gli studenti del corso di laurea magistrale in Ingegneria meccanica all’Industria 4.0, ovvero all’automazione, all’Internet delle cose (IoT) e all’intelligenza artificiale (IA), abbiamo sviluppato un prototipo dimostrativo che consente di fare pratica con queste tecnologie chiave.“
«In effetti, dal mondo dell’industria è spesso emerso che, sebbene i laureati dispongano di una solida base teorica nel campo della gestione della produzione, vi sia ancora margine di miglioramento nell’attuazione pratica dei processi produttivi interconnessi digitalmente», afferma Yannick Liebertz, ricercatore presso il Laboratorio per i sistemi di produzione di Colonia (LFK) dell’Università Tecnica di Colonia. «Per preparare meglio gli studenti del corso di laurea magistrale in Ingegneria meccanica all’Industria 4.0, ovvero all’automazione, all’Internet delle cose (IoT) e all’intelligenza artificiale (IA), abbiamo sviluppato un prototipo dimostrativo che consente di fare pratica con queste tecnologie chiave.»
Il dimostratore dell'Industria 4.0 simula un moderno processo "pick-and-place"
Il prototipo è costituito da un tavolo compatto, largo 900 mm e lungo 1200 mm, che può essere spostato su sistemi di sponde laterali da un’aula all’altra. Su questo tavolo da lavoro è installato un processo a ciclo chiuso, simile a quello utilizzato anche in un ambiente di produzione reale. L'elemento centrale è un robot a braccio articolato che svolge un'operazione di pick-and-place: Prende una dopo l'altra due lastre del diametro di 100 mm e 150 mm e le impila una sopra l'altra su un nastro trasportatore. Da qui inizia il percorso di trasporto. Alla fine di questo nastro trasportatore, la pila viene trasferita su un secondo percorso di trasporto che procede ad angolo retto. Sopra questo secondo nastro trasportatore è montato un supporto apparecchiatura. Verifica con quanta precisione i connettori di serraggio paralleli si sovrappongono. Il sistema informatico classifica quindi le pile in esemplari buoni e cattivi. Dopo questo controllo di qualità, la pila viene deviata una seconda volta di 90 gradi su un terzo nastro trasportatore, che converge verso l'altro lato del robot. Su questo nastro, un quadro di distribuzione separa nuovamente i dischi l'uno dall'altro. Alla fine del percorso di trasporto, il robot può quindi raccogliere nuovamente le fette separate. Il processo ricomincia da capo.
Non solo appreso in teoria, ma anche sperimentato nella pratica
Il nuovo dimostratore dell'Università Tecnica di Colonia riesce a far familiarizzare gli studenti con i concetti dell'Industria 4.0. «A tal fine non vengono coperti solo tutti i principali processi fisici della tecnologia di automazione – ovvero il maneggio, il trasporto dei materiali e il controllo qualità», afferma Liebertz. Il sistema consente inoltre di analizzare e ottimizzare i processi produttivi in tempo reale. Tutti i componenti, dai robot ai nastri trasportatori fino alle telecamere, sono collegati in rete, in modo che il sistema informatico possa, ad esempio, mettere in relazione tempi di ciclo, percentuali di prodotti conformi e non conformi e livelli di disponibilità, per ricavarne indicazioni utili al miglioramento. In questo modo si potrebbe ad esempio rilevare se la velocità di produzione venisse aumentata oltre un livello ragionevole, con la conseguenza che la qualità del prodotto, ovvero la precisione della pila, diminuirebbe. «Grazie all’osservazione diretta e all’analisi dei dati di processo, concetti fondamentali come l’efficacia complessiva delle attrezzature (Overall Equipment Effectiveness, OEE) possono essere non solo illustrati a livello teorico, ma anche sperimentati nella pratica.» A lungo termine, si prevede quindi di utilizzare il dimostratore anche per progetti, tesi di laurea e forme didattiche interdisciplinari.
Impegnati nella promozione delle giovani leve
Il dimostratore è un esempio di come le università stiano adattando con successo la propria offerta didattica all'era dell'Industria 4.0. Tuttavia, questa trasformazione risulta spesso impegnativa quando il budget destinato ai nuovi strumenti didattici è limitato. Anche l'Università Tecnica di Colonia si è trovata di fronte al compito di realizzare il nuovo sistema nel modo più economico possibile. La ricerca di fornitori alternativi di tecnologia di automazione si è rivelata di conseguenza piuttosto complessa. Un classico robot industriale a braccio articolato, ad esempio, costa facilmente diverse decine di migliaia di euro e sarebbe stato troppo costoso. I responsabili del progetto sono stati quindi molto contenti quando, presso l’azienda igus di Colonia, hanno trovato il Rebel come alternativa economica: un robot a braccio articolato realizzato in gran parte non in metallo, ma in plastica ad alte prestazioni.
L’Università Tecnica di Colonia ha inoltre ricevuto il sostegno di mk Technology Group, che ha messo a disposizione il tavolo da lavoro per il prototipo dimostrativo e la tecnologia dei nastri trasportatori. «mk ci ha concesso condizioni molto vantaggiose per quanto riguarda i costi di investimento, il che ha reso possibile la realizzazione del progetto entro i limiti del budget previsto», afferma Liebertz. «Sappiamo quanto sia importante la formazione di giovani ingegneri qualificati in un periodo caratterizzato dalla carenza di personale specializzato», afferma Maik Kirchner, ingegnere commerciale per la tecnologia dei nastri trasportatori presso mk. «Per questo motivo, per noi è una questione che ci sta molto a cuore sostenere progetti innovativi come questo, in qualità di partner industriale, sia dal punto di vista finanziario che con il nostro know-how tecnico.»
Il know-how tecnico degli esperti di mk è stato richiesto, ad esempio, in materia di compattezza. Il prototipo dovrebbe essere il più compatto e leggero possibile, in modo che una sola persona possa spostarlo da un'aula all'altra. Il modello Rebel di igus si è rivelato la scelta giusta in questo caso. Essendo realizzato in plastica ad alte prestazioni, il cobot pesa solo otto chilogrammi. Un approccio basato sulla costruzione leggera che mk ha portato avanti con coerenza. Ecco come gli esperti hanno realizzato il tavolo da lavoro utilizzando la serie di profili da 40 di mk. Si tratta di profili in alluminio leggeri e modulari con un passo di griglia di 40 x 40 mm, adatti alla realizzazione di unità rullo, giunti di testa preisolati e postazioni di montaggio.
Maik Kirchner, ingegnere commerciale nel settore della tecnologia dei nastri trasportatori presso mk
«Siamo consapevoli di quanto sia importante la formazione di giovani ingegneri qualificati in un periodo caratterizzato dalla carenza di personale specializzato. Per questo motivo, per noi è una questione che ci sta molto a cuore sostenere progetti innovativi come questo, in qualità di partner industriale, sia dal punto di vista finanziario che con il nostro know-how tecnico.“
Il trasportatore compatto di mk fa la differenza
Sul tavolo sono inoltre montati tre nastri trasportatori GUF-P MINI, che mk ha sviluppato appositamente per il trasporto e la separazione di profili in alluminio piccoli e leggeri. Con larghezze comprese tra 50 e 300 mm, lunghezze da 350 a 3.000 mm e un’altezza di installazione di soli 35 mm, questi trasportatori offrono possibilità di impiego flessibili in spazi ristretti. «L'elevata competenza di mk nel settore della tecnologia dei nastri trasportatori ha contribuito in modo determinante a ottimizzare ulteriormente la struttura del prototipo», spiega Liebertz. «Grazie ai feedback mirati e ai suggerimenti forniti da mk, è stato possibile adattare in modo ottimale i dettagli tecnici del sistema di trasporto alle esigenze del cobot e della stazione di controllo qualità.»
Un controllo logico programmabile (PLC) di livello superiore si occupa della sincronizzazione delle sequenze di movimento, garantendo così un funzionamento senza intoppi tra il percorso di trasporto e l'operazione "pick-and-place" del robot. Quando il Rebel raccoglie i dischi sparsi, il controllo garantisce, ad esempio, che i nastri trasportatori all’uscita della linea rallentino e che i dischi si allineino in un prisma. In questo modo, l'anello di serraggio trova sempre una finestra di trasferimento stabile e riproducibile, senza essere disturbato da movimenti troppo rapidi dei nastri. Il controllo consente inoltre di testare diverse varianti di funzionamento e di modificare in modo mirato i parametri di processo, il che risulta particolarmente utile ai fini didattici e analitici.
«La soluzione convince non solo per la sua affidabilità con una precisione millimetrica, ma soprattutto per il suo interessante rapporto qualità-prezzo – un fattore importante per l’impiego nella formazione e nell’insegnamento», conclude Liebertz.
Grazie alla struttura aperta e al design modulare, in futuro sarà inoltre possibile ampliare il sistema in modo flessibile e sostenibile: ad esempio tramite componenti Industria 4.0 installabili a posteriori, ulteriori sistemi di telecamere o l’impiego dell’intelligenza artificiale. Ad esempio, per consentire la presa dei connettori di serraggio paralleli durante il movimento senza arrestare la tecnologia dei nastri trasportatori. In questo modo è stato possibile esaminare in modo realistico anche scenari complessi, come ad esempio l'analisi della stabilità delle pile in presenza di velocità di curva e attrito variabili. In questo modo si potrebbe determinare il livello di precisione e rapidità necessario per ottenere comunque un livello di stabilità e affidabilità elevato. La piattaforma offre quindi non solo un potenziale tecnico, ma anche una base ideale per trasmettere e sviluppare, con un approccio orientato alla pratica, le competenze fondamentali nell'ambito dell'automazione moderna.
Con oltre 26.000 studenti, l’Università di Scienze Applicate di Colonia (TH Köln) è la più grande università di scienze applicate della Germania e si definisce un moderno ateneo dedicato alla tecnologia, all’arte e alla scienza. In questo contesto dinamico, l’Istituto per lo sviluppo dei prodotti e la tecnologia di progettazione (IPK) riveste un ruolo centrale nel plasmare la trasformazione digitale e sostenibile del settore dell’ingegneria meccanica e impiantistica.
All’interno dell’IPK, il Laboratorio per i sistemi di produzione (LFK), diretto dal Prof. Dr.-Ing. Thomas Gartzen, si occupa di ricerca orientata alla pratica all’intersezione tra la tecnologia di produzione e le tecnologie digitali. L'LFK sviluppa soluzioni innovative per sistemi di produzione intelligenti e interconnessi, con particolare attenzione alle esigenze delle piccole e medie imprese (PMI). L'attenzione è rivolta a temi quali l'IoT industriale, l'intelligenza artificiale e le interfacce digitali tra uomo e tecnologia. L'obiettivo è rendere i processi produttivi all'avanguardia, efficienti e sostenibili.
Grazie alla pluriennale esperienza in progetti di ricerca e cooperazione, nonché all’elevata agilità e alla competenza tecnica, l’LFK è un partner competente nell’attuazione di strategie digitali e innovazioni industriali.