Industria 4.0 pura: Musica futuristica melodiosa

Durante il secondo incontro di vertice "Industria 4.0 Live" nel luglio 2017, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia della produzione e l'automazione IPA ha presentato una serie di soluzioni applicate per la digitalizzazione della produzione. Una parte dei casi d'uso mostrati riguarda molto concretamente il campo di applicazione delle camere bianche. Ciò ha spinto la redazione di reinraum online a approfondire in un colloquio singolo e a esaminare più da vicino il tema e le applicazioni.
Industria 4.0, digitalizzazione, trasformazione digitale, Internet delle cose, Smart Products, Smart Services, IoT, Produzione virtuale – non mancano certamente i termini di tendenza per gli sviluppi più recenti nel mondo della produzione. Tuttavia, con questa varietà di termini ci si chiede: sanno davvero tutti coloro che usano queste belle parole anche cosa significano realmente? Ci sono motivi per dubitarne, poiché anche tra professionisti ed esperti qualificati ci sono grandi divergenze di opinione e divergenze terminologiche.

E dopo che l'Istituto Fraunhofer IPA ha anche introdotto termini come Industria 4.0 pulita, produzione conforme alla purezza e sistemi di automazione specifici per la purezza, abbiamo voluto sapere dai ricercatori di Stoccarda cosa intendano esattamente con questi concetti. Questo, a sua volta, come ci ha spiegato il dott. Udo Gommel, capo del dipartimento di microproduzione e produzione in ambienti controllati, non può essere spiegato semplicemente in due frasi. Anche il responsabile del progetto, il dott. Tim Giesen, vede la varietà di termini più come un fattore di confusione che come una utile differenziazione.

Confusione terminologica - un tentativo di chiarimento

Quindi, cerchiamo di chiarire innanzitutto i termini, senza alcuna pretesa di completezza o di validità assoluta, ovviamente. Come detto, in questo campo ognuno interpreta i termini in modo diverso e ogni giorno emergono nuove espressioni vuote di senso.

Industria 4.0, spesso abbreviata come I4.0, è attualmente estremamente di moda. Tuttavia, il termine non è solo molto ampio, ma ormai anche abbastanza abusato e viene sempre più usato come parola d'ordine per delineare la tendenza alla digitalizzazione dei processi produttivi e per disegnare l'immagine di una fabbrica del futuro. Tuttavia, cosa si intenda esattamente con questo rimane spesso nel mistero. Come concetto, Industria 4.0 rappresenta la quarta rivoluzione industriale, con la quale, dopo la meccanizzazione (Industria 1.0), la produzione di massa (Industria 2.0) e l'automazione (Industria 3.0), ora entra in produzione l'Internet delle cose e dei servizi. I primi passi in questa direzione sono già stati fatti e le possibilità sembrano illimitate. Industria 4.0 riguarda molti livelli di valore e, secondo l'opinione unanime degli esperti, offre enormi potenzialità per aumentare la produttività da un lato e ridurre i costi dall'altro. Si stima che possa rappresentare fino al 30% di crescita e vantaggi competitivi.

Dopo che in passato l'ingegneria meccanica ed elettrica si sono già incontrate nel campo della meccatronica, ora, con Industria 4.0, si integra anche la terza disciplina, ovvero la tecnologia dell'informazione e della comunicazione, e i settori vengono fortemente interconnessi. Nascono così fabbriche in cui macchine intelligenti scambiano informazioni e si organizzano autonomamente. Le unità di lavoro sono collegate alle macchine nella fabbrica del futuro e così gestiscono la produzione. Ciò rende la produzione più flessibile ed efficiente, soprattutto perché le macchine comunicano direttamente con i sistemi IT dell'azienda e si crea così un flusso di informazioni continuo. I componenti di massa diventano sempre più pezzi unici, in linea con la tendenza alla personalizzazione dei prodotti. Ogni componente, ogni prodotto, riceve nel mondo digitale di produzione un'"identità" dati, con cui si muove autonomamente attraverso la fabbrica intelligente, può essere localizzato e controllato in qualsiasi momento.

Internet delle cose, spesso chiamato anche IoT o Internet of Things, descrive il mondo che si crea quando i dispositivi, gli oggetti e i prodotti vengono dotati di microchip o sensori e inviano automaticamente informazioni, ad esempio sull'uso o sul livello di riempimento, ai sistemi di elaborazione delle informazioni. Questi dispositivi e oggetti sono chiamati Smart Objects.

Gli Smart Objects trasportano dati sul proprio stato operativo e di produzione o anche sulla loro posizione attuale, che vengono raccolti, aggiornati e analizzati a seconda dell'uso. In questo modo, le macchine possono autonomamente trasmettere informazioni sull'uso, sui livelli di riempimento, sulla manutenzione imminente, ecc., o fornire durante la produzione informazioni sui passaggi di produzione ancora necessari (ad esempio, produzione personalizzata).
Come gli Smart Objects, ci saranno sempre più anche Smart Services. Ciò significa che i prodotti intelligenti, dopo la consegna al cliente, rimangono connessi a Internet durante tutto il loro ciclo di vita e memorizzano grandi quantità di dati sul proprio stato di funzionamento e di prodotto in una cloud di dati. Da questa possibilità deriva la capacità di offrire al cliente servizi personalizzati basati sui dati, e questo a sua volta dà origine a numerosi nuovi modelli di business.

La fabbrica del futuro include anche la possibilità di connettere tutte le macchine di un'azienda non solo tra loro, ma anche con i sistemi di fornitori e clienti. In questo modo, si può reagire in modo ottimale e in tempo reale a deviazioni e guasti. Tuttavia, anche l'uomo svolge un ruolo centrale nella Smart Factory, nella fabbrica intelligente. Come "Operatore aumentato", controlla e supervisiona i processi di produzione della rete di produzione con l'aiuto di sistemi di assistenza basati su IT, come ad esempio un paio di occhiali con dati integrati.

Naturalmente, tutti questi sviluppi riguardano anche e sempre più il settore delle camere bianche, poiché già oggi e in modo crescente in futuro, sempre più processi di produzione devono avvenire in condizioni di ambiente controllato o almeno in ambienti puliti. Per questo motivo, l'Istituto Fraunhofer IPA ha creato, nell'ambito del dipartimento di microproduzione e produzione in ambienti controllati, una nuova unità organizzativa chiamata "Sistemi di automazione specifici per la purezza", che è interdisciplinare e eterogenea dal punto di vista dei contenuti, e sviluppa soluzioni applicative per la "produzione conforme alla purezza". Qui si trovano progetti pilota per Industria 4.0, caratterizzati da una stretta collaborazione tra scienza e pratica da un lato e dall'integrazione di hardware e software dall'altro, contribuendo a plasmare il futuro.

Che cosa significa Industria 4.0 in ambiente di camera bianca?

Gli scienziati dell'IPA sono certi che lo sviluppo verso la "Intelligenza Pulita", cioè la strada verso la camera bianca intelligente del futuro, avverrà in tre fasi. Il project manager, il dott. Tim Giesen, spiega: "Attualmente ci troviamo ancora al livello più basso di questa piramide. Si tratta di aumentare la trasparenza, attraverso l'accesso ai dati in ambiente di camera bianca, la documentazione automatizzata e la raccolta di dati e la creazione di report automatizzati a livello di produzione." Al secondo livello di sviluppo, si parlerà di interconnessione, cioè della comunicazione in tempo reale dei flussi di informazioni e dati tramite sistemi ciber-fisici durante il funzionamento della produzione. Al terzo livello, chiamato "Intelligenza Pulita", si raggiungerà la piena disponibilità di tutti i processi come servizi, con la produzione di enormi quantità di dati (Big Data) e l'uso del riconoscimento di schemi per gestire l'insieme dei processi e coordinare le attività.

Guardando agli esempi di applicazioni sviluppate dall'IPA nel dipartimento di microproduzione e produzione in ambienti controllati per il Reinraum 4.0, Giesen spiega: "Le nuove applicazioni aiutano a conoscere meglio il proprio ambiente di camera bianca in termini di trasparenza come luogo di produzione, e così non solo a identificare possibili fonti di errore, ma anche a ottimizzare i flussi di processo." Per esempio, si può ottenere informazioni precise su quali condizioni e livelli di riempimento abbiano le macchine e gli apparecchi in funzione nel ambiente di camera bianca, quale sia l'occupazione attuale, quale prodotto venga fabbricato, quali persone si trovino in quel momento nel ambiente e se siano superati determinati limiti, e molto altro ancora.

Questo, secondo lo scienziato, contribuisce alla fine a ottenere maggiore trasparenza sui processi in corso e quindi anche maggiore chiarezza sulle cause di errori di produzione, permettendo di eliminare miratamente le fonti di errore. È anche di grande importanza per la produttività, ad esempio, se i livelli di riempimento dei materiali vengono comunicati in tempo reale, consentendo di garantire un rifornimento senza interruzioni. Il responsabile di dipartimento, il dott. Udo Gommel, aggiunge che si ha davanti un potenziale applicativo molto ampio, che soddisfa molte diverse esigenze – e tutto ciò attraverso la stessa rete.

Un esempio può essere il cosiddetto "Cleanroom Scout", attualmente in fase di sviluppo presso l'IPA. Si tratta di un piccolo guardiano decentralizzato che protegge e sorveglia nel ambiente di camera bianca il prodotto o le persone, in termini di sicurezza sul lavoro e sicurezza del prodotto. Anche il settore della "Manutenzione predittiva", cioè la manutenzione prevedibile di apparecchi e sistemi basata su dati di utilizzo e usura concreti e aggiornati, dovrebbe portare grandi cambiamenti nel panorama produttivo. In futuro, ad esempio, sensori installati sull'asse di una macchina di produzione raccoglieranno dati come la temperatura. Se la temperatura aumenta, indica attrito elevato e segnala la necessità di manutenzione tempestiva. Questa capacità di rilevare l'usura e intervenire al momento giusto garantisce una pianificazione accurata delle capacità lungo i cicli di manutenzione delle apparecchiature. Si evitano guasti e si aumenta la produttività. Nel ambiente di camera bianca, sono particolarmente adatti i sistemi di filtrazione per questi modelli predittivi, ma anche tutti i materiali di consumo.

Roadmap verso la camera bianca del futuro

All'IPA, nel dipartimento del dott. Gommel, è stata sviluppata una roadmap abbastanza concreta, che mostra dove siamo oggi e dove ci porterà il viaggio. Il project manager, il dott. Giesen, spiega che ad esempio i sistemi di monitoraggio delle condizioni, già disponibili dal punto di vista tecnico e in grado di fornire informazioni complete sullo stato delle apparecchiature, saranno in futuro parte integrante delle camere bianche. Anche la camera bianca senza carta gioca un ruolo importante nelle considerazioni futuristiche, con l'obiettivo di eliminare completamente la fonte di contaminazione rappresentata dalla carta, sostituendola con l'uso di dispositivi mobili come tablet, e collegando i vari strumenti di analisi a questi. Mentre oggi i dati sono principalmente gestiti centralmente, il futuro della camera bianca prevede approcci decentralizzati, con componenti intelligenti che comunicano tra loro anche tra sedi diverse e vengono coordinati in tempo reale.

Una tecnologia altrettanto promettente è il sistema di tracciamento e rintracciabilità (Track-and-Trace), in cui gli "oggetti" intelligenti nel ambiente di camera bianca forniscono informazioni sia sulla loro posizione che sul loro stato, spiegano gli scienziati dell'IPA. Inoltre, si apre la possibilità di dotare le attrezzature di protezione personale dei dipendenti di sensori per verificare contaminazioni e usura, e persino di utilizzarli per il controllo degli accessi. La crescente capacità delle componenti intelligenti di autodescriversi completamente, inclusa l'integrazione con i sistemi di elaborazione delle informazioni superiori, apre enormi campi di applicazione. In questo modo, la camera bianca diventerà una sorta di guardiano auto-gestito, che coordina, gestisce e orchestra tutte le unità operative al suo interno.

Come esempio di applicazione già sviluppata "già tra domani", si può citare un'applicazione di realtà aumentata presso l'IPA, in cui l'operatore nel ambiente di camera bianca vede attraverso un visore Hololens un modello completo della macchina, che gli mostra informazioni contestuali sovrapposte, come lo stato attuale della macchina, le componenti presenti, i materiali in fase di verifica e la durata del test. In questo modo, può controllare i processi senza toccare l'attrezzatura.

Un altro approccio interessante, chiamato "Tecnologia Inside-Out" e probabilmente ancora in fase di sviluppo, permette di "portare fuori" una macchina nel ambiente di camera bianca tramite un'applicazione su tablet. In questo modo, l'operatore non deve entrare nel locale. Basta puntare un marcatore sulla macchina dall'esterno e sullo schermo apparirà l'esatta rappresentazione digitale della macchina stessa. Attraverso questa immagine, si possono controllare le impostazioni e, se necessario, visualizzare tutte le informazioni rilevanti su parti, dispositivi, sensori, processi e persino il numero di telefono del servizio clienti.

Il futuro è già iniziato, anche se c'è ancora molto lavoro di sviluppo da fare e ci vorrà del tempo prima che queste nuove tecnologie trovino effettivamente spazio nelle camere bianche. Reinraum online continuerà a monitorare attentamente i passi verso il Cleanroom 4.0 e a riferire regolarmente.