I ricercatori Oak Ridge National Laboratory stanno progettando, integrando e validando sistemi di automazione intelligenti su misura per la produzione ad alta varietà e basso volume.
All’interno del Manufacturing Demonstration Facility (MDF) del Dipartimento dell’Energia (DOE) presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), i ricercatori stanno progettando sistemi di automazione non per la produzione di massa tradizionale, ma per la produzione flessibile e variabile che caratterizza sempre più la domanda industriale statunitense.
La carenza di manodopera, la volatilità della catena di approvvigionamento e la crescente domanda di prodotti personalizzati stanno imponendo un ripensamento radicale delle modalità di lavoro nel settore manifatturiero statunitense. Per rimanere competitive, le aziende manifatturiere devono produrre componenti sempre più complessi con un numero inferiore di lavoratori, tempi di consegna più brevi e una flessibilità senza precedenti.
Anziché competere sul costo del lavoro, i sistemi intelligenti e flessibili consentono alle aziende manifatturiere statunitensi di differenziarsi in base a capacità, velocità e adattabilità. Rilevando l’ambiente circostante e reagendo alla variabilità in tempo reale, questi sistemi migliorano velocità, uniformità e affidabilità, capacità che stanno diventando essenziali man mano che persistono le limitazioni della forza lavoro e la produzione diventa più complessa.
Ripensare il modello manifatturiero statunitense
Per decenni, la manodopera a basso costo all’estero ha influenzato le decisioni di produzione globali, spesso spingendo la produzione al di fuori degli Stati Uniti: “L’automazione non si limita alla sostituzione della manodopera. Si tratta di moltiplicare l’impatto della forza lavoro esistente, fornendo alle persone strumenti che rendano la produzione più rapida e resiliente” sottolinea Joshua Vaughan, responsabile del Manufacturing Robotics and Controls Group dell’ORNL.
Ryan Dehoff, direttore di MDF, aggiunge: “Presso MDF, la ricerca sull’automazione è strettamente integrata con la stampa 3D, la scienza dei materiali e i sistemi di controllo avanzati, consentendo al nostro team di esaminare come interi flussi di lavoro produttivi possano essere automatizzati, monitorati e ottimizzati”.
Tecnologie di produzione avanzate per una produzione statunitense flessibile
Le tecnologie sviluppate dall’ORNL dimostrano come l’automazione intelligente possa affrontare direttamente i vincoli produttivi odierni, consentendo ai produttori di fare di più con meno lavoratori e rafforzando al contempo le catene di approvvigionamento nazionali.
La termoformatura con rinforzo additivo (ART) affronta una sfida fondamentale nella produzione di polimeri: realizzare componenti leggeri e ad alta resistenza senza costosi stampi o complesse operazioni secondarie. L’ART combina la produzione additiva con la termoformatura, rinforzando selettivamente lastre termoplastiche piane con motivi stampati in 3D prima di modellarle in forme tridimensionali.
Eliminando i rinforzi metallici e riducendo le operazioni secondarie, l‘ART riduce i costi, semplifica la produzione e, se abbinata a sensori in linea e monitoraggio del processo, può migliorare il controllo qualità, risultando quindi ideale per una produzione scalabile e sensibile ai costi.
La produzione additiva ad arco di filo (WAAM) affronta un’altra sfida di lunga data: la produzione nazionale di componenti metallici di grandi dimensioni e complessi. Utilizzando sistemi robotici potenziati con sensori in tempo reale, analisi dei dati e controllo adattivo, la WAAM migliora la precisione riducendo al contempo difetti e sprechi di materiale. Presso MDF, i ricercatori hanno trasformato la tecnologia WAAM da un concetto promettente a uno strumento di produzione ad alta produttività. Sebbene la tecnologia si sia dimostrata efficace per la produzione di componenti di grandi dimensioni in piccoli volumi, i componenti per applicazioni energetiche e di difesa possono essere così massicci che un singolo braccio robotico richiederebbe tempi di costruzione eccessivi.
È stato sviluppato MedUSA (in foto), un sistema WAAM (Wave Awareness Additive Manufacturing) vincitore del premio R&D 100, che coordina tre bracci robotici indipendenti dotati di saldatrici all’interno di un’area di costruzione condivisa. Questo livello di integrazione cambia radicalmente le tempistiche di produzione.
Grazie a sistemi di controllo intelligenti, i bracci operano in modo collaborativo senza collisioni, eseguendo simultaneamente deposizione, rilevamento in tempo reale e controllo adattivo. Sfruttando i dati in tempo reale provenienti dalle teste di saldatura, il sistema elimina la necessità di scansionare ogni cordone depositato, ottimizzando la produzione senza compromettere la precisione. Il risultato è una maggiore velocità di deposizione, una maggiore complessità geometrica e una produzione più efficiente di strutture metalliche di grandi dimensioni.
Questo livello di integrazione cambia radicalmente le tempistiche di produzione: “Integrando la produzione additiva, la lavorazione meccanica e altre fasi critiche in un’unica piattaforma, stiamo riducendo i tempi di consegna, tagliando i costi ed espandendo le possibilità per l’industria statunitense. Il risultato è un sistema di produzione flessibile che aiuta le aziende a competere a livello globale e rafforza le catene di approvvigionamento nazionali” commenta il ricercatore Thomas Feldhausen.
Foto: Alonda Hines/ORNL, U.S. Dept. of Energy
