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Le nuove tecnologie di sviluppo del prodotto preparano un'azienda centenaria al futuro del settore manifatturiero
Claudius Peters, un'azienda che vanta 113 anni di esperienza nella produzione di macchinari per la lavorazione di materiali sfusi, ha avviato un processo di trasformazione per diventare digitale nel XXI secolo. La progettazione generativa rappresenta un elemento rivoluzionario per l'azienda, offrendo un modo radicalmente diverso di approcciarsi alla progettazione e all'ottimizzazione del prodotto. Adattando questa tecnologia, che è solitamente associata alla stampa 3D, ai metodi di costruzione tradizionali, l'azienda sta fornendo prodotti economicamente vantaggiosi ad un mercato sempre più attento al lato economico. La progettazione generativa nell'industria pesante consente di ridurre i costi energetici e relativi ai materiali e rende la Claudius Peters più competitiva in un mercato in continua evoluzione.
Un'azienda vecchio stampo sceglie il cambiamento
L'azienda tedesca Claudius Peters incarna il termine "industria pesante": produce macchinari industriali pesanti e impianti di produzione per la lavorazione di cemento, acciaio, gesso e alluminio. "Siamo specializzati nella gestione di materiali sfusi" afferma Thomas Nagel, operations director presso la Claudius Peters (CP). Oltre alla sede centrale nei pressi di Amburgo, in Germania, la società ha 12 uffici dislocati nelle Americhe, in Europa e in Asia.
Fondata nel 1906, CP fabbrica prodotti industriali ad intensità capitale di grandi dimensioni, quali nastri trasportatori, silo e stabilimenti per la macinazione da oltre 100 anni. Ma invece di rimanere aggrappato al suo passato più che onorevole, Nagel, in qualità di chief digital officer, sta aiutando l'azienda a farsi una reputazione come leader globale nell'innovazione digitale. Claudius Peters ha avviato il suo processo di innovazione nel 2014, con l'obiettivo di ottimizzare i risultati aziendali legati ai costi, alla qualità, alle velocità di erogazione e alla soddisfazione dei clienti. Ma l'azienda si è presto resa conto che per essere competitivi nel XXI secolo non basta adottare un software nuovo. Nel 2018, CP ha avviato un'ulteriore trasformazione per diventare una società agile, obiettivo che richiedeva nuove competenze digitali e una cultura focalizzata sul pensare, sperimentare e iterare la progettazione.
Il viaggio verso l'innovazione ha inizio
La collaborazione con un partner tecnologico come Autodesk è stata strategica per il viaggio verso l'innovazione di Claudius Peters. CP ha adottato nuovi strumenti, tra cui BIM 360 (inglese), per collegare i processi di vendita, ingegneria, progettazione, produzione e assemblaggio. L'azienda ha inoltre trovato nuovi modi per semplificare i processi di produzione grazie ad Inventor e all'analisi tramite il metodo degli elementi finiti (FEM). Per installare le sue macchine, CP ha iniziato a usare le scansioni 3D con ReCap e Navisworks per acquisire i dati presso le strutture dei clienti e inviare velocemente i file agli ingegneri e ai team di progettazione in Germania. "In questo modo lavoriamo più rapidamente, la qualità è migliore, i costi inferiori e il cliente è più soddisfatto", afferma Nagel,
"ma la nostra innovazione non si è fermata qui", continua. Ispirati da una dimostrazione di progettazione generativa in Fusion 360, Nagel ha organizzato per il team di CP un workshop di quattro ore per scoprire di più su questa tecnologia emergente.
Il software di progettazione generativa (inglese) di Autodesk analizza gli obiettivi e i limiti di un progetto ed esplora le varie soluzioni progettuali possibili, generando rapidamente decine di opzioni tra cui scegliere. Dopo aver sperimentato con vari componenti generici, il team ha deciso di usare la progettazione generativa per ottimizzare il componente di un prodotto di punta nell'industria cementiera, un raffreddatore di clinker.
Che cos'è un raffreddatore di clinker?
L'industria cementiera è stata il pilastro di Claudius Peters dalla sua fondazione. I produttori di cemento miscelano la cosiddetta farina cruda, che viene poi cotta nel kiln a 1.450°C (2.640°F), dove avviene la sua trasformazione, fino alla formazione del clinker. Il clinker rovente viene rilasciato in un raffreddatore, un enorme macchinario 50 per 25 metri (164 per 82 piedi). L'aria porta il clinker ad una temperatura di circa 100°C (212°F) mentre viene spostato nel raffreddatore. Viene quindi macinato e miscelato con altri ingredienti per formare il cemento.
CP ha iniziato a fornire raffreddatori di clinker all'industria a partire dagli anni '50 e da quel momento ne ha prodotti oltre 700. Ma la produzione di clinker consuma moltissima energia, posizionando l'industria cementiera ai primi posti per emissioni di CO2.
All'inizio degli anni 2000, CP ha avviato la progettazione di un raffreddatore di clinker di nuova generazione per risparmiare energia: l'ETA Cooler, che prende il nome dalla lettera greca "η" ("eta"), che denota efficienza energetica. "Uno dei maggiori vantaggi del nostro ETA Cooler è la sua incredibile efficienza termica", afferma Nagel. "Un risparmio energetico come questo può aiutare a ridurre l'impatto ambientale negativo della produzione del cemento". Oggi, l'attività principale di CP consiste nella sostituzione dei raffreddatori di clinker esistenti con gli ETA Cooler per ottimizzare l'efficienza degli stabilimenti per la produzione di cemento.
Risultati sorprendenti grazie alla progettazione generativa
CP ha deciso di usare la progettazione generativa per ottimizzare un componente dell'ETA Cooler, un pezzo di metallo pesante che era stato recentemente riprogettato per rimuovere il materiale in eccesso tramite i metodi di progettazione tradizionali. Ogni raffreddatore ha 50 o 60 di questi componenti, che vengono imbullonati su una serie di nastri trasportatori che spostano il clinker fuso nell'ETA Cooler. "Questo pezzo è stato ottimizzato più e più volte" afferma Maximilian Lerch, design engineer presso CP. "Miravamo a renderlo più leggero e, di conseguenza, ad abbassare i costi relativi al materiale. Anche una minima riduzione del peso avrebbe fatto la differenza".
"Era incredibile vedere tutti gli ingegneri davanti allo schermo di un computer mentre, grazie alla progettazione generativa, nasceva un componente ottimizzato praticamente dal nulla", continua Lerch. "Tutti i tentativi necessari per arrivare alla soluzione migliore sono stati fatti dal software".
Dopo la prima sessione di quattro ore con la progettazione generativa, il team ha ottenuto i primi risultati: "L'abbiamo chiamato 'il componente alieno'", racconta Nagel. "Il risultato è stato sorprendente. Com'è possibile che fosse tanto diverso dal nostro componente ottimizzato? E più leggero del 30%-40%?"
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Nel processo di produzione del cemento, il clinker incandescente viene trasferito dal kiln all'ETA Cooler, che può sopportare fino a 13.000 tonnellate metriche di clinker al giorno.
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I nastri trasportatori spostano il clinker nell'l'ETA Cooler, dove l'aria raffredda il materiale fuso portandolo a circa 100°C (212°F).
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Ogni ETA Cooler dispone di circa 60 componenti per il trasporto che vengono posizionati sui nastri trasportatori per spostare il clinker bollente nel raffreddatore.
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Il componente originale per il trasporto (sinistra) è stato riprogettato nel 2016 ed è stato installato e collaudato in 14 raffreddatori di clinker.
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Il modello del componente nuovo (destra), creato tramite la progettazione generativa, è più leggero di oltre il 50% rispetto a quello originale, comportando risparmi significativi sui costi energetici e del materiale.
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I rendering mostrano l'evoluzione dei componenti del reffreddatore di clinker, dal pesante modello geometrico originale (riga in alto, estrema sinistra) ai modelli generati tramite la progettazione generativa e sottoposti a reverse engineering.
Per gentile concessione di Claudius Peters
Adattare un componente generato tramite la progettazione generativa per la produzione tradizionale
Gli ingegneri di Claudius Peters erano scettici e più continuavano a condurre calcoli e analisi FEM sul "componente alieno", più si stupivano di scoprire che era effettivamente più efficiente del loro componente ottimizzato in modo tradizionale. Il team ha quindi iniziato a studiare il modello per capire come poterlo realizzare. "Per realizzare i prodotti, la progettazione generativa di solito usa la stampa 3D o altri metodi di produzione additiva", afferma Nagel. "Il nostro settore non userà componenti realizzati tramite la stampa 3D, è troppo costoso". Ma grazie agli spunti forniti dalla progettazione generativa e dall'ottimizzazione tradizionale "ci è servita solo una settimana per sottoporre a reverse engineering il componente, consentendoci così di crearlo con i metodi di produzione tradizionali".
Con Inventor e l'analisi FEM, il team ha testato diverse soluzioni di costruzione con il reparto fonderia di Claudius Peters. "Abbiamo deciso di passare da un componente realizzato tramite fusione in stampo a una soluzione che prevedeva il taglio laser di piastre e la loro successiva saldatura", dichiara Nagel. "Il componente è più leggero del 25%, più rapido da realizzare e più efficiente in termini di costi". Il team continua a studiare altre opzioni progettuali per il componente per il trasporto, trovando migliorie che lo rendono ancora più efficiente in termini economici. Secondo Nagel "dovrebbe entrare in produzione molto presto". "Mi aspetto che venga utilizzato da qualche parte nel mondo entro l'anno".
I vantaggi della progettazione generativa
In ultima analisi, il componente generato grazie alla progettazione generativa di CP è in grado di far risparmiare all'azienda molto per ogni installazione di raffreddatori di clinker. Grazie alla riduzione del peso del componente per il trasporto di almeno 20 Kg, (44 libbre), la società ha iniziato a risparmiare circa €100 (USD $113) per componente, moltiplicato per 60 o più componenti installati in ogni raffreddatore. In più, meno peso significa costi di spedizione inferiori. "Dal primo prototipo abbiamo fatto passi da gigante, credevamo che la progettazione generativa ci avrebbe consentito di migliorare i costi dei nostri prodotti, rendendoci più competitivi" continua Nagel.
La progettazione generativa è anche più sostenibile. "Possiamo passare da un componente più pesante realizzato tramite fusione in stampo in India o Turchia a un componente saldato più leggero, che possiamo produrre direttamente noi qui", afferma Nagel. "Risparmiamo materiale, energia, tempi di trasporto e tutto ciò che ne consegue per l'impatto ambientale".
La progettazione generativa per Claudius Peters fa ormai parte dei processi standard per l'ottimizzazione di componenti esistenti o per la progettazione di nuovi. "In futuro, troveremo altri componenti su cui applicare ottimizzazioni e riduzioni di materiale", dichiara Nagel. "Componente per componente, cercheremo di capire se la progettazione generativa avrà gli stessi effetti positivi".
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