La modularità nell'ingegneria della produzione: qual è il livello massimo di dettaglio raggiungibile?

Il principio della modularità può essere spiegato al meglio utilizzando i mattoncini Lego come esempio: pochi mattoncini di base e elementi di collegamento definiti possono essere utilizzati per creare innumerevoli oggetti con funzioni diverse. Questo approccio si è affermato anche nell'industria per i prodotti con un grado più elevato di complessità e variabilità. Nella tecnologia di controllo e di azionamento, i sistemi come i PLC, gli IPC, gli HMI e i componenti di azionamento possono essere assemblati a partire da singole 'fette' o da diversi blocchi I/O remoti, per adattarsi alla rispettiva macchina. Il vantaggio: possono essere ampliati o modificati senza grandi sforzi durante l'utilizzo successivo.

Attualmente non esiste un'alternativa alla modularizzazione nell'ingegneria meccanica, poiché i concetti corrispondenti mirano a un portafoglio con meno varianti e complessità, nonché a un livello di costi complessivamente inferiore, senza ridurre l'ampiezza e l'individualità dell'offerta (1). Questa affermazione è più facile da capire se si considerano i requisiti tipici dei sistemi di produzione:

1. Concetti come "prodotti individuali" e "Industria 4.0" richiedono sistemi di produzione altamente variabili che consentano di fabbricare una gamma più ampia di prodotti, anche in quantità minori. A tal fine, i sistemi devono essere scalabili e offrire opzioni per una successiva espansione (2).

2. Per le aziende di ingegneria meccanica che vogliono raggiungere i loro clienti, non è sufficiente sviluppare e vendere buoni prodotti - e aspettare gli ordini di assistenza/manutenzione. Questo perché i costi del ciclo di vita (LCC) svolgono un ruolo sempre più importante nell'analisi economica degli investimenti. L'LCC può essere utilizzato per presentare e vendere nuovi concetti di business, compresi i servizi di manutenzione, assistenza e retrofit, in modo molto trasparente. Questo rende più facile per i produttori di macchine convincere gli utenti dei vantaggi di una gamma ampliata di servizi che coprono l'intero ciclo di vita dell'impianto (3). La crescente domanda di modelli di abbonamento come "pay per use", "pay per month" e "pay per unit" conferma questa tendenza. Dopotutto, i modelli orientati all'uso e ai servizi sono anche economicamente interessanti: nel 2018, il margine medio sulle vendite di macchine nuove è stato del 5,4%, mentre per i servizi è stato del 40%.(4)

3. Soprattutto nel caso di beni strumentali ad alto prezzo, spesso è più economico ampliare le macchine esistenti e rinnovare gli assemblaggi, piuttosto che acquistarli completamente nuovi.

4. Almeno alcuni clienti si aspettano che i moduli macchina o i sottosistemi di fornitori diversi possano essere integrati nei sistemi esistenti senza alcuno sforzo particolare.

Tuttavia, prima che gli OEM decidano di procedere con la modularizzazione dei loro prodotti e della produzione, dovrebbero essere in grado di rispondere affermativamente alle seguenti domande:

• Il costo totale stimato di un nuovo gruppo di prodotti coerentemente modulari può essere plausibilmente recuperato nei tempi consueti per il settore e sulla base delle ipotesi peggiori per un ulteriore sviluppo del mercato?

• Tutti i reparti coinvolti considerano fattibili le sfide poste dalla riprogettazione pianificata della macchina o del sistema?

• Tutte le parti interessate dell'azienda sono pronte ad allineare i loro metodi di lavoro al nuovo concetto modulare?

È anche importante chiarire in che misura una macchina o un sistema debba essere suddiviso in moduli. Il genio di LEGO non sta nei blocchi di costruzione in sé, ma nelle connessioni tra di essi. Questi determinano la possibile granularità della divisione, ma sono anche il fattore limitante per la connessione dei componenti. La situazione è simile a quella delle interfacce di una macchina: assicurano una 'struttura complessiva' coerente, garantendo il corretto funzionamento delle parti della macchina e delle linee di produzione. La corretta separazione degli elementi costitutivi del 'sistema complessivo' l'uno dall'altro è quindi essenziale per una modularizzazione di successo.

• Innanzitutto, struttura il sistema iniziale in base alle funzioni: in funzioni chiave che riflettono la sua competenza principale, funzioni di base (ad esempio, sistemi di trasporto o carrier) che si estendono all'intero sistema, e funzioni aggiuntive o ausiliarie.

• Ora combini queste funzioni in moduli - ma solo in modo granulare quanto necessario! Prende in considerazione tutti gli aspetti di una possibile ottimizzazione e la necessaria varianza delle attrezzature. Includere il maggior numero possibile di fasi della fornitura di servizi lungo il ciclo di vita della macchina.

• Valutare l'importanza per il modulo macchina appena definito di tutti gli elementi della macchina che non possono essere ulteriormente 'divisi' (sensori, attuatori, HMI, azionamenti, ecc.) e che richiedono connessioni elettriche/elettroniche di potenza, segnale o dati.

• Assegna questi elementi a un livello macchina adeguato.

• Assegnatutte le interfacce necessarie per collegare i singoli elementi ai rispettivi moduli macchina.

Il risultato è una matrice che elenca tutti i moduli del futuro sistema: La disposizione gerarchica delle parti, comprese le interfacce e la loro pertinenza ai moduli, deve essere visibile. Sulla base della matrice, è possibile valutare la fattibilità, i rischi tecnici e le conseguenze per la progettazione della macchina. La trasparenza aumenta quando si pondera l'importanza dei moduli per il sistema complessivo. La matrice non solo mostra le frazioni coinvolte, ma anche le fasi successive nello sviluppo dei moduli e dei processi.

Anche la questione del giusto sistema di controllo per la macchina o l'impianto può ora trovare una risposta più semplice. Le osservazioni di HARTING su questo argomento indicano che...

• I sistemi con un alto grado di variabilità nelle funzioni chiave e un'ampia estensione spaziale tendono ad essere dotati di sistemi di I/O decentralizzati.

• Le strutture combinate sono scelte per i sistemi più piccoli e altamente variabili. Il controllo delle funzioni chiave e di base viene quindi impostato a livello centrale, mentre le funzioni aggiuntive vengono controllate a livello centrale (semplici) o decentralizzato (interfacce complesse), a seconda della loro complessità;

• per i sistemi più piccoli e/o semplici con bassa variabilità, il controllo centrale puro è più semplice ed economico.

La libertà quasi assoluta associata ai sistemi di produzione modulari è influenzata in modo decisivo dalle interfacce. Le capacità di trasmissione e le opzioni di azione offerte da questi componenti contribuiscono a determinare la modularità del sistema. Pertanto, le interfacce devono ...

• devono sempre essere progettati in modo da ottimizzare i costi per i rispettivi requisiti (proprietà elettriche, EMC) del percorso di trasmissione;

• essere gradualmente scalabile in termini di parametri tecnici, nonché di dimensioni e numero su ciascun modulo macchina;

• essere in grado di soddisfare diversi requisiti in termini di materiali, contatti, tipi di montaggio e di protezione, e di integrare mezzi di trasmissione alternativi come i cavi in fibra ottica e l'aria compressa.

_Riferimenti

1. VDMA, McKinsey, 2014, "Future prospects for German mechanical engineering"

2. Roland Berger, 2011, "Production Systems 2020"

3. M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. Commerzbank, 2019, "Mechanical engineering in Germany"

5. ID-Consult, "Modularisation Strategy 2018/2019: The Influence of Modular Product Architectures on Corporate Success"