Come il software complesso e le macchine automatizzate stanno cambiando per sempre l'industria manifatturiera.
Stiamo ormai vivendo nell'era della produzione digitale che viene alimentata da stabilimenti intelligenti nei quali ha luogo un dialogo perpetuo tra software e hardware. Per comprendere come l'industria sia giunta a questo punto, diamo un breve sguardo alla storia.
La prima Rivoluzione industriale, che ha comportato uno spostamento dagli elementari metodi di produzione manuale alle macchine da produzione e all'utensileria industriale, si è verificata verso la fine del 1700 e agli inizi del 1800 era in pieno vigore. Verso la metà del 1800, l'America ha assistito allo sviluppo della seconda Rivoluzione industriale. I 75 anni successivi (e oltre) furono caratterizzati da linee di produzione, produzione di massa e uso pesante delle apparecchiature da produzione. La terza Rivoluzione industriale è arrivata negli anni '50 e '60 del secolo scorso, contraddistinta da un altro cambiamento radicale in seguito dal passaggio dalla tecnologia analogica a quella digitale.
Con l'arrivo del XXI secolo, Protolabs era un'azienda di produzione in erba, fondata da Larry Lukis, autodefinitosi un “nerd informatico”, che aveva scritto un milione di linee di codici per automatizzare il processo di realizzazione dell'utensileria per lo stampaggio a iniezione. Larry gettò le fondamenta tecnologiche di quello che divenne un sistema complesso di software proprietario in grado di comunicare con una rete di macchine da produzione avanzate.
Il modo in cui stiamo attualmente producendo gli oggetti continua a cambiare. Abbiamo attraversato ben tre rivoluzioni industriali e ci stiamo avvicinando alla quarta, spinti da un concetto chiamato produzione digitale.
Introduzione al filo digitale
Nella prototipazione su misura e nella produzione di pezzi in volumi ridotti, i modelli CAD 3D non rappresentano soltanto il punto di partenza, ma costituiscono il punto focale lungo tutto il filo digitale, il cosiddetto “digital thread”. Protolabs è in grado di accettare diversi formati di file CAD che possono essere caricati on-line in qualsiasi momento; una volta inviato un modello CAD, il software di automazione assume il controllo delle operazioni successive.
Il software di preventivazione contiene regole di design e di produzione estratte da professionisti esperti e successivamente codificate, per consentire l'analisi della geometria dei pezzi che saranno poi realizzati mediante produzione additiva (stampati 3D), con macchine CNC o stampaggio a iniezione.
Con quest'ultimo processo, per esempio, il software individua l'orientamento ottimale del pezzo nello stampo e il posizionamento della linea di giunzione, in modo da poter stabilire i lati A (fisso) e B (mobile) dello stampo. A questo punto, si identificano potenziali problemi, come le sezioni spesse o l'assenza dell'angolo di spoglia, ed il pezzo può addirittura essere testato digitalmente rispetto ad una rappresentazione virtuale del modello per prevedere il flusso del materiale nello stampo.
Se nella produzione additiva le considerazioni relative allo stampaggio quali linee di giunzione e angoli di spoglia rappresentano un aspetto di minore importanza, occorre stabilire con precisione l'orientamento di un pezzo stampato 3D durante la realizzazione ed il suo rapporto con altri pezzi presenti sulla piattaforma di stampa. In Protolabs, tutti e tre i processi di produzione additiva — stereolitografia (SLA), sinterizzazione laser selettiva (SLS) e sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) — sono oggetto di questo livello di preparazione ai fini di una realizzazione ottimale.
Analisi di progettazione automatizzata
Nella produzione tradizionale, un operatore esperto in macchine e stampi potrebbe essere in grado di sostituire l'analisi con l'esperienza esaminando semplicemente un pezzo, ma questa operazione non può certamente essere eseguita su grandi volumi di produzione, non è rapida né ripetibile nei casi in cui sia richiesto il feedback immediato su un design.
Con la produzione digitale, l'analisi e la preparazione sono completamente automatizzate, in quanto è possibile inviare al progettista o al tecnico un preventivo interattivo accompagnato dall'analisi di realizzabilità (DFM) e dal feedback sul costo entro 24 ore. Se un design potrebbe presentare problemi di realizzabilità, le modifiche consigliate e/o richieste vengono evidenziate direttamente nel preventivo, per consentire di ottenere iterazioni prima dell'avvio della produzione.
Per i pezzi stampati a iniezione che richiedono modifiche di minore entità, Protolabs offre talvolta un secondo modello CAD chiamato Revisione proposta da Protolabs (PPR, Protolabs Proposed Revision) nel quale i cambiamenti sono già stati apportati. Il modello rivisto può essere utilizzato immediatamente oppure il progettista può inserire le modifiche in quello originale, mantenendo la storia del design nel proprio sistema di gestione del ciclo di vita del prodotto. Quando un modello CAD è pronto, un designer di stampi avvia un'altra applicazione proprietaria di Protolabs per progettare un sistema di stampi adatto al pezzo e aggiungere le caratteristiche necessarie quali punti di accesso e canali di iniezione, azionamenti laterali, magari dei pick-out ed un sistema di espulsione.
Ancora una volta, i suggerimenti di pre-produzione per i pezzi additivi sono diversi a seconda che si utilizzi la lavorazione CNC o lo stampaggio a iniezione. Per i pezzi realizzati con SLA e DMLS, per esempio, le strutture di supporto sono progettate nei modelli CAD. Questi supporti aiutano a evitare che i pezzi si arriccino o cedano durante il processo di realizzazione e vengono poi rimossi durante la finitura successiva. I modelli additivi vengono anche decostruiti, o "tagliati a fette" digitalmente in migliaia di strati di file e quindi riassemblati in un unico file da costruzione, pronto per essere utilizzato nella fase di produzione, da un'ulteriore applicazione informatica proprietaria.
Quando un modello CAD è pronto per essere stampato 3D, lavorato a macchina o stampato a iniezione, il filo digitale passa al reparto produzione.
La convergenza di software e hardware
Siamo giunti ad un punto della conversazione in cui lo stampo o il design del pezzo deve essere tradotto in un linguaggio (chiamato codice G in Protolabs) compreso da una rete di macchine di produzione. Questo processo di traduzione si chiama percorso utensili. Adesso vi invitiamo ad essere pazienti, perché andremo ad utilizzare alcuni acronimi. Il percorso utensili automatizzato inizia quando le informazioni spline razionali non uniformi definite da una base (NURBS) e le rappresentazioni di limite (BREPS) del modello CAD e lo stampo a iniezione Y vengono tassellate in un modello geometrico completo nel software.
Tutto ciò che occorre fare in seguito è un po' di ragionamento geometrico per decidere quali strategie di lavorazione funzioneranno meglio con le diverse aree dello stampo o del pezzo, cui si aggiungeranno un'analisi del flusso (o di riempimento) e il rilevamento delle interferenze per stabilire quali utensili sono in grado di tagliare determinate aree; quindi saranno generati i file per le macchine di produzione.
Semplice, no?
Da qui in poi, si tratta soltanto di passare il design ad un generatore digitale di percorso utensili che stabilisce dove e con quale velocità guidare le macchine utensili, creando in questo processo un programma nel linguaggio del codice G che le macchine automatizzate di Protolabs sono in grado di comprendere. Un blocco di materiale ed un programma in codice G vengono caricati nella macchina selezionata per la lavorazione che segue le istruzioni del codice G. Il risultato finale è un pezzo lavorato a macchina o una serie di lati (fissi e mobili) di stampo che vengono levigati e inviati ad una pressa per iniziare la produzione del pezzo.
Nella produzione additiva è richiesto un percorso utensili limitato per dare inizio all'operazione, ma in questo caso è il file pronto per le operazioni di produzione (o pacchetto di file) di cui abbiamo parlato in precedenza che viene inviato direttamente alle macchine per la SLA, SLS e DMLS collegate ad un computer. Il materiale viene quindi caricato nella macchina e mancano ora solo pochi clic con il mouse per dare avvio alla produzione dei pezzi.
Perché la produzione digitale è importante
Il vantaggio offerto dalla produzione digitale è che l'intero filo, dal modello CAD al pezzo finale, viene concluso in meno di due settimane e a volte, in appena uno o due giorni. È possibile ottenere iterazioni multiple del design. I tempi di sviluppo vengono accelerati. I prodotti vengono lanciati rapidamente sul mercato. E le supply chain vengono mantenute meglio durante l'intero ciclo di vita di un prodotto.
Mentre iniziamo a vedere i primi bagliori della quarta Rivoluzione industriale, la produzione è ora pronta ad addentrarsi appieno nell'era digitale per molti decenni a seguire.