Le tecnologie additive nella manutenzione dei beni strumentali

Le tecnologie additive (spesso indicate con il termine “stampa 3D”), dopo essere state lungamente confinate nell’ambito della proto­tipazione, stanno assumendo un’importanza crescente nell’ambito del manifatturiero mec­canico, tanto da far definire come “macchine utensili del terzo tipo” i sistemi in grado di realizzarle.

Questa nuova metodologia produttiva sta ge­nerando nuove opzioni tecnologiche, sia per la realizzazione “ex-novo” di parti sia in altre applicazioni. Ciò grazie all’aumentata flessibilità di queste lavorazioni che, in particolare, per­mettono di eliminare una serie di attrezzature (quali stampi, maschere, ecc...) o di processi di lavorazione, implicanti cospicui investimenti (se svolti in proprio) o lunghe attese se svolti da fornitori esterni.

Senza entrare nella descrizione di cosa sono le “tecnologie additive” possiamo cercare di fare un parallelo tra le esigenze tipiche della manu­tenzione industriale e le potenzialità delle tec­nologie in analisi, al fine di identificarne alcuni casi tipici.

Problematiche tipiche della manutenzione

Facendo riferimento al caso dei macchinari in­dustriali (e dei beni strumentali in particolare), la manutenzione (preventiva, correttiva e/o pre­dittiva) si trova ad affrontare una serie di sfide, tra le quali riportiamo le più significative:

Customizzazione dei macchinari – in molti casi, il bene strumentale è realizzato secondo le specifiche del cliente, in base alla gamma produttiva e alle cadenze richieste al momento dell’ordine. A ciò, spesso si affianca la neces­sità di conferire al bene strumentale un livello di flessibilità di riconfigurazione, al fine di ade­guarlo alle variazioni nel range produttivo che esso andrà ad affrontare nel corso del suo ciclo di vita.

“Anzianità” del bene strumentale – studi effet­tuati da UCIMU-SISTEMI PER PRODURRE sulle macchine utensili dimostrano che l’età media di tali beni strumentali si aggira attorno ai 13 anni. Questo dato, estendibile alla maggioranza delle altre tipologie di macchinari, è comunque molto variabile, con esempi che giungono a superare i 30 anni di “anzianità di servizio”, con ripercus­sione su alcuni dei prossimi aspetti.

Difficoltà nella documentazione delle modifiche – nel corso del ciclo di vita, il bene strumenta­le può essere soggetto ad una serie di modifi­che rispetto alla base progettuale. Queste non sempre sono o saranno documentate o la relativa documentazione non potrà essere facilmente reperita/consultata nel tempo. Infatti, tali modifiche possono essere sta­te apportate in fase di costruzione o installazione del macchinario, di personalizzazione svolta “sul campo” oppure essere state sviluppate e implementate in fase progettuale, senza che esse siano state realizzate seguendo una filiera di progettazione digitale e supportata da strumenti CAD/PLM (oppure opportunamente convertite dal formato cartaceo). A ciò, si affianca la rapida obsolescenza delle informazioni digitali, i cui formati/supporti di memorizzazione possono risultare illeggibili o inutiliz­zabili con piena efficienza nel lungo periodo

Uscita dal mercato del produttore del bene strumentale – a causa della crisi del settore, di vicende peculiari dell’azienda o di modifiche del mo­dello di business della stessa, può accadere che il produttore del bene strumentale, sul lungo periodo, non sia più in grado di fornire la necessa­ria assistenza alla manutenzione dei suoi prodotti, col rischio che questi divengano inutilizzabili anche solo per la mancanza di un componente usurato o guasto. Situazione analoga può presentarsi relativamente alle aziende fornitrici di componentistica della macchina.

Perdita di know-how – numerose informazioni di dettaglio, legate alla progettazione, alla realizzazione, all’implementazione del bene strumen­tale e alla sua manutenzione sono, in realtà, empiriche e non strutturate (ossia codificate in documenti e/o digitalizzate) o esaustivamente docu­mentate. Pertanto, la fuoriuscita di personale specializzato dall’azienda fornitrice o utilizzatrice del bene strumentale può causare, sia nel breve che nel lungo periodo, delle inefficienze dal punto di vista manutentivo. Parallelamente, le fasi di manutenzione, se svolte con il contributo di terzi (es. società esterne, personale del cliente, terzisti di varia natura), possono comportare il loro accesso a informazioni riservate e/o coperte da IPR (brevetti, copyright, ecc.), che, se non opportunamente tutelate, si trasformano in perdita di informazioni e di competitività per il produttore del bene strumentale.

Aspetti legali e contrattualistici – non sempre la documentazione prodotta a supporto della compravendita dei beni strumentali è funzio­nale alle problematiche della manutenzione. Questo perché essa si focalizza maggiormente sugli aspetti contingenti (magari riconducibili al prezzo di fornitura), su particolari richieste della legislazione vigente o, banalmente, su una “ca­renza di attenzione” relativa ad aspetti non im­mediatamente preventivabili in fase contrattua­le. Non va inoltre dimenticato che, negli aspetti legali, ricadono tutte le necessità di adeguare i macchinari alle disposizioni legate alla sicurez­za e alle particolari legislazioni vigenti nei vari Stati e, in particolare, nei paesi che non adotta­no la Direttiva Macchine (come per esempio gli Stati Uniti o la Cina): questo porta alla necessità di “customizzare” ulteriormente i beni strumen­tali destinati a tali mercati.

Aspetti economici – a causa dell’elevato livello di customizzazione del bene strumentale (cui si contrappone una produzione in un piccolo/piccolissimo/unitario numero di esemplari), è ovviamente improponibile pensare che il pro­duttore possa predisporre un magazzino ricam­bi completo di ogni elemento necessario per la manutenzione di ciascuna variante realizzativa nell’ambito del relativo ciclo di vita. Ciò è facil­mente giustificabile, ad esempio, in termini di spazio per il magazzino ricambi, capitale im­mobilizzato, probabilità elevata di non utilizzo del ricambio, difficoltà legate a una gestione centralizzata o delocalizzata delle scorte dei ri­cambi. A questa impossibilità oggettiva, si con­trappone la sempre più pressante necessità di minimizzare i fermi macchina, imposta dalla vo­lontà dei clienti di abbattere il TCO (Total Cost of Ownership) dell’impianto. Questo si ribalta sulla necessità, da parte del costruttore del bene, di fornire in tempi sempre più ristretti (spesso en­tro le 24 ore) i pezzi di ricambio necessari per la rimessa in servizio di un macchinario guasto. A ciò, si somma l’ulteriore difficoltà di fornire tali ricambi in aree geografiche più o meno lon­tane. Tale aspetto deriva da tassi di export che, per i produttori italiani di beni strumentali, rica­dono in un range compreso tra il 60% e il 90% della produzione.

Le tecnologie additive quali “enabler” della manutenzione

Le problematiche sin qui viste portano i co­struttori e gli utilizzatori dei beni strumentali a soluzioni sub-ottimali, in termini economici, di disponibilità e di TCO. Questi compromessi pos­sono essere gestiti quando si pianificano ope­razioni di manutenzione preventiva e predittiva, andando quindi a fronteggiare un orizzonte pre­vedibile in termini di tempistiche e di fermi mac­china (e pertanto gestibile in sede di pianifica­zione della produzione e di richiesta di risorse umane e di ricambi). Invece, la manutenzione correttiva, con la sua implicita imprevedibilità, può trasformarsi in una trappola (anche letale) per il produttore o l’utilizzatore del bene stru­mentale. L’avvento delle tecnologie additive può rivelarsi in grado di miti­gare o azzerare alcune delle criticità accennate. Vediamo come.

Manifattura “full digital” – le tecnologie additive sono caratterizzate da una filiera totalmente digitalizzata. Questo significa che la concezione e la rea­lizzazione dei pezzi di ricambio possono essere facilmente disaccoppiate dal punto di vista geografico. Ad esempio, un cliente lontano può ottenere il file digitale di un pezzo di ricambio (opportunamente “protetto” contro la contraffazione) via internet e provvedere in loco alla sua realizzazione con una macchina additiva (in proprio o avvalendosi di un centro di servizio).

Possibilità di reverse engineering – grazie alle tecniche di scansione 3D effettuate con appositi dispositivi, è possibile ricostruire la rappresenta­zione digitale di un pezzo meccanico, partendo dall’oggetto fisico. Questo permette di aggirare le problematiche poste dall’assenza di informazioni a monte (per esempio dovute all’età della macchina, all’illeggibilità di supporti informatici, all’uscita dal mercato del produttore del pezzo). Ovviamente, nel caso di reverse engineering va posta grande attenzione alle implica­zioni in termini di proprietà intellettuale (tale procedura non deve essere vista come “sostituta” dei canali ufficiali di fornitura) e di aspetti tecnologici.

Grande versatilità – per sua natura, il processo svolto dalle macchine operanti con tecnologie additive è estremamente versatile in termini di forme realizzabili: uno degli slogan del settore è “la complessità è (quasi) gratis”. Ciò permette, in un’ottica orientata alla manutenzione, di elimina­re la necessità di attrezzature complesse (es. stampi, maschere di fora­tura, sistemi di fissaggio) per la fabbricazione dei ricambi, con ulteriore abbattimento dei costi.

Supporto al revamping e alla riconfigurazione – qualora si desideri adat­tare il bene strumentale a nuove produzioni, in breve tempo è possibile sviluppare le attrezzature di fissaggio, i gripper per robot, i sistemi di orientamento/convogliamento, eccetera, per poi realizzarli con le tecno­logie additive, con costi e tempistiche ridotte, se comparate alle proce­dure tradizionali. Va anche notato che questo permette una facilissima replicabilità di elementi rotti o usurati, specie se si pensa che, tradizio­nalmente, questi erano realizzati (anche artigianalmente) dai cosiddetti “attrezzisti”.

Produzione in loco di attrezzi ad-hoc – se le operazioni di manutenzione richiedono attrezzi di lavoro non standard e/o dedicati a particolari ope­razioni, questi possono essere realizzati direttamente presso il cliente del bene strumentale, eliminando la necessità di farli pervenire al team di manutenzione, specie quando i tempi per il riavvio della produzione sono molto ristretti.

Eliminazione del magazzino – anziché accumulare numerosissimi com­ponenti fisici in un magazzino, è possibile memorizzare i relativi file (geometrie, programmi di lavorazione, ecc.) in archivi digitali (server, cloud,…), per poi procedere alla realizzazione on-demand delle parti ne­cessarie. Tutto ciò porta ovvi benefici in termini di costi e permette di implementare una strategia di manifattura digitale sicuramente vincente, non solo in ambito manutentivo.

Va anche notato che le tecnologie additive, potenzialmente, forniscono ulteriori modalità per migliorare le attività connesse alla manutenzione.

Infatti, finora è stata analizzata un’applicazione “ex-post”, in cui le tecno­logie additive sono utilizzate per mitigare aspetti insiti in macchinari già esistenti o comunque progettati in funzione di metodologie costruttive di tipo tradizionale.

Tuttavia, una concezione dei beni strumentali svolta in funzione delle possibilità offerte dalla produzione additiva, potrebbe impattare in manie­ra “ex-ante” e positiva sia sulle prestazioni dei beni strumentali (aspetto già in corso di analisi da parte di varie entità industriali) che su quelle della manutenzione. Grazie a questa nuova me­todologia produttiva, sono implementabili varie soluzioni costruttive che, se opportunamente investigate e sviluppate, porteranno (e in certi casi già lo fanno) alla riduzione delle cause di guasto e, conseguentemente, anche delle ne­cessità di manutenzione. Ad esempio:

Eliminazione di assiemi a favore di parti mono­litiche – le capacità di produrre parti complesse tipiche dell’“additivo” permette di realizzare ele­menti che, con le tecnologie tradizionali, posso­no essere ottenute solamente con l’assemblag­gio di parti più semplici. Questo, oltre a ridurre il costo e il peso del componente, elimina la necessità di inserire potenziali cause di mal­funzionamento, come, ad esempio, gli o-ring/guarnizioni (che a lungo andare si deteriorano), i collegamenti filettati (soggetti ad allentamenti), le tubazioni in gomma o altri materiali (cause di possibili perdite, eccetera).

Riduzione di masse in movimento – dall’ottimiz­zazione strutturale tipica del “design for additive manufacturing” deriva una minore sollecitazio­ne e usura di organi meccanici.

Utilizzo di materiali di migliore qualità e/o più performanti – le tecnologie additive permetto­no di utilizzare in maniera ottimizzata materiali high performance, eliminando inoltre lo “spre­co” degli stessi durante il processo di produzio­ne, riducendo al massimo le fasi di sgrossatura dal pieno, gli sfridi tipici della fonderia (canali di colata, materozze), eccetera. Questo abbat­te i costi di produzione e, ad esempio, pone in competizione una parte additiva in titanio (o in ceramica o in materiale composito) con una tradizionale in acciaio.