Project

Nonostante le varie applicazioni, la meccatronica ha espresso solo in parte il suo potenziale per la realizzazione di sistemi elettromeccanici innovativi ad alte prestazioni e a minimo uso di materiale ed energia. Nel settore delle macchine automatiche, l’attuale “approccio meccatronico” prevede il mero abbinamento di azionamenti elettrici standard commerciali con riduttori e cinematismi scelti o disegnati secondo criteri rigidi e “asettici”. Non vi è una sistematica integrazione e specializzazione nello sviluppo di meccanismi, attuatori/sensori e controllori: si va verso la standardizzazione, e non verso la customizzazione/integrazione per l’ottimizzazione.

Attraverso il progetto ACMEC, si vogliono progettare e fabbricare meccanismi e attuatori/sensori custom, integrati e innovativi, in modo economicamente sostenibile e flessibile, sfruttando i recenti progressi dell’Additive Manufacturing (AM) e delle tecnologie Cyber-Physical (CPS). Per il conseguimento di questo obiettivo, ACMEC integrerà le competenze di tre laboratori della Rete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna (CIRI-MAM, INTERMECH e ROMAGNA TECH) nel campo della Meccanica Avanzata e dei Materiali, della Motoristica e Meccatronica e infine della sensoristica e dell’Information and Communication Technology (ICT). Nell’ambito del progetto saranno inoltre coinvolte due imprese G.D S.p.A. e Marchesini Group S.p.A. leader in specifici ambiti del settore delle macchine automatiche per produzione e confezionamento. Entrambe le aziende sono interessate allo sviluppo di tecnologie/metodologie che consentano a loro e all’intera filiera regionale di mantenere una posizione di leadership in questo ambito.

Il progetto ACMEC intende introdurre da un lato la fabbricazione additiva per produrre nuovi tipi di catene meccatroniche caratterizzate da un minimo utilizzo di materiale ed energia necessaria per il moto, dall’altro adottare tecnologie cyber-physical per realizzare piattaforme evolute che rendano possibile il controllo delle nuove catene meccatroniche.
Portando l’AM nella fabbricazione di macchine automatiche, si abiliteranno nuove soluzioni d’integrazione e ottimizzazione application-specific di gruppi movimentazione/manipolazione.
Per completare ciò è necessario intervenire anche sulle piattaforme di controllo, seguendo un reale approccio meccatronico integrato: per questo si beneficerà del recente trend di Fog ed Edge computing nelle tecnologie Cyber-Physical (CPS) per la realizzazione di controllori ad elevate prestazioni, basati su tecniche evolute adattative, a modello interno e model-predictive.

Il progetto parte da TRL4 per varie tecnologie e metodologie coinvolte, grazie a esperienze e prototipi dei vari gruppi di lavoro. Si realizzeranno due prototipi di catene meccatroniche a TRL6 in cui integrare membri flessibili e motori elettrici custom, realizzati tramite tecnologie AM, e attuatori Shape Memory Alloy (SMA) con sistemi di controllo evoluti basati su tecnologie CPS. Parallelamente, verranno messi a punto metodi/strumenti di modellazione/progettazione integrati tra mondo meccanico, elettrico e dei sistemi di controllo.

Per i prototipi si prevede la fabbricazione di:

• Quadrilatero articolato risonante in composito e motore custom realizzati in AM;
• Cinematismo SMA con parti in AM per realizzare il sistema di cambio di formato, a minimo ingombro e peso.

Per entrambi i prototipi si svilupperanno controllori orientati all’Edge Computing e in grado di ospitare algoritmi
evoluti. S’integrerà l’elettronica di potenza necessaria per l’alimentazione della macchina elettrica custom e i
materiali SMA. Si studieranno anche sensori ad hoc.
I risultati verranno comunicati con azioni di diffusione specifiche (web, workshop, laboratori dimostrativi, etc).

Il perseguimento degli obiettivi di progetto richiede l’integrazione di diverse tecnologie e metodologie coinvolte, e sfrutterà esperienze e risultati pregressi ottenuti dai diversi gruppi di lavoro e che si collocano a livello TRL4, ovvero:

• Sviluppo di componenti di macchina automatica in materiale plastico realizzati in AM nel contesto del progetto ER ARIS, con ottimizzazione topologica e caratterizzazione sperimentale.
• Riprogettazione e fabbricazione in AM-SLM di elementi metallici rotanti per macchina automatica a bassa inerzia ed alta rigidezza. Inoltre: fabbricazione di utensili di taglio metallo e, nel settore della protesica, fabbricazione di protesi articolari con pesi ridotti e superfici di contatto ottimizzate.
• Studio, progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di giunzioni cedevoli per mani robotiche.
• Studio di un interlock di sicurezza per macchine automatiche con attuazione mediante molle in SMA.
• Progettazione ottimizzata di macchine elettriche prive di magneti, ad alta efficienza, in applicazioni automation-oriented, in particolare di tipo direct drive.
• Sviluppo di controllori avanzati (algoritmi, HW&SW) e attuazione di potenza per sistemi meccatronici complessi. In particolare, si sono utilizzate tecniche di controllo non-lineare, adattativo, a modello interno e MPC con gestione dei vincoli.
• Prototipi di cinematismi speciali con piattaforme di controllo evolute.

Queste competenze espresse dai partner del progetto saranno valorizzate in un programma di attività che prevede cinque macro-fasi, che non saranno in stretta sequenza.

Nella prima fase si razionalizzeranno metodi e strumenti di modellazione a supporto di una progettazione “realmente meccatronica” per lo sfruttamento delle potenzialità date da AM e tecnologie CPS. A partire questi strumenti messi a punto, i partner di progetto implementeranno nella seconda fase una progettazione integrata dei sistemi da sviluppare, questa parte sarà l’elemento guida dell’evoluzione del progetto. Verranno inizialmente raccolte le specifiche in riferimento ai due prototipi da realizzare anche in raccordo con le due aziende coinvolte nel progetto. La fase sarà implementata attraverso una prima progettazione funzionale di insieme alla quale seguiranno una progettazione di dettaglio della macchina elettrica e la progettazione per costruire il cinematismo con risonanze e l’attuatore SMA. Dopodichè, nella fase successiva si indagheranno le tecnologie additive e il processo di fabbricazione per la costruzione dei prototipi. La fase sarà caratterizzata da test intensivi che permetteranno di caratterizzare i diversi parametri coinvolti nel processo realizzativo e con il fine ultimo di ottimizzare il design e la produzione dei prototipi. Succesivamente lo sviluppo sarà dedicato alle piattaforme basate su tecnologie Cyber-Physical ad alte prestazioni per il pilotaggio controllato dei prototipi e all’individuazione dei sensori interfacciabili con i controllori. Verranno inoltre sviluppati in questa fase gli algoritmi di controllo che saranno integrati nelle rispettive piattaforme. Infine, nell’ultima fase verranno testati i prototipi presso GD e Marchesini, in ambiente industrialmente significativo, e si concluderà con eventuali revisioni dei risultati e delle procedure messe a punto durante il progetto con il fine di consolidare gli output progettuali.

Il settore delle macchine automatiche insiste su due filiere principali nell’ambito Meccatronica e Motoristica:

• filiera meccanica: per la produzione di componenti e pezzi meccanici per le macchine automatiche o altri ambiti;
• filiera elettronica/elettromeccanica: per la produzione di sistemi di controllo e azionamenti per l’automazione industriale, in genere.

La filiera meccanica è fortemente radicata nel tessuto regionale, i costruttori di macchine automatiche o altri prodotti meccanici possono avere importanti reparti interni di progettazione, produzione meccanica e/o appoggiarsi su una serie di fornitori esterni locali di altissimo livello, sia per pezzi custom, sia per componenti.
Recentemente, però, alcuni segmenti produttivi, per ora quelli a minor contenuto tecnologico, sono stati delocalizzati all’estero, nell’ottica del contenimento dei costi imposto dalla crescente competizione nel comparto. Questo trend appare ancora contenuto, ma la crescita tecnologica e i bassi costi di certe realtà estere fanno presagire un’evoluzione in questa direzione, anche grazie alle gestione digitalizzata e remotizzata, abilitata dalle evoluzioni di Industria 4.0.
Diversa è la situazione per la filiera elettronica/elettromeccanica: i sistemi di controllo logico, motion control e relativi azionamenti sono acquistati quasi esclusivamente presso fornitori esteri. In regione, esistono piccole aziende con grandi capacità tecniche nel dominio “elettronica / azionamenti elettrici”, ma dopo gli anni 90 non hanno trovato spazio rilevante nel mondo delle macchine automatiche a causa della loro dimensione. Da rilevare, inoltre, come, negli anni 80-90, le stesse aziende di macchine automatiche sviluppassero “in house” piattaforme di controllo logico e del moto (PLC e “schede assi”) di altissima qualità, ma questa competenza si è progressivamente dispersa senza generare nessuna realtà locale che la facesse evolvere.
I risultati di ACMEC potranno produrre un impatto tecnologico rilevante su entrambe le filiere suddette migliorandone la prospettiva in ambito regionale.
L’integrazione nella filiera meccanica regionale delle metodologie di progettazione e fabbricazione di componenti metallici e compositi speciali basati su AM consentirà un salto di qualità nella capacità di produrre efficientemente e just-in-time lotti contenuti di prodotti fortemente customizzati e ottimizzati e con caratteristiche non ottenibili con metodi tradizionali (smart materials&structures). Ciò darà un nuovo vantaggio competitivo alla filiera regionale, anche attraverso un’opportuna formazione degli operatori e un adeguato investimento in nuovi macchinari.

Oltre a questo, viste le competenze locali nel settore delle macchine utensili CNC e nel processo di produzione di polimeri e leghe metalliche, la crescita di applicazioni regionali basate su AM potrebbe stimolare e rendere economicamente sostenibile la nascita d’iniziative locali per sviluppare macchine di fabbricazione AM e non acquistarle da fornitori esteri.
Per la filiera elettronica/elettromeccanica, l’evoluzione verso sistemi di controllo innovativi, dal mondo CPS, e lo sviluppo di attuatori elettrici custom, basati su AM, non sarà gestibile dagli attuali controllori/azionamenti commerciali. Questo potrà stimolare la nascita di nuovi produttori locali di controllori e azionamenti evoluti che usino i risultati di ACMEC come vantaggio competitivo.
Inoltre, tramite un’opportuna incubazione da parte del comparto regionale, ciò potrebbe diventare la base per un recupero più ampio nel settore dell’elettronica per l’automazione, fino alle piattaforme per ospitare anche le ricadute di Industria 4.0.
Infine, sinergie col comparto robotico, degli UAV e rover agricoli elettrici saranno possibili.