Le sfide del trattamento termico a induzione in un mondo altamente digitalizzato
La tecnologia del trattamento termico mediante induzione elettromagnetica sta progredendo a un ritmo sempre più rapido, affrontando nuove sfide e un contesto economico in rapida evoluzione. La varietà dei componenti aumenta, mentre i tempi di ciclo dei prodotti si accorciano. In molte applicazioni a induzione, il tempo di riscaldamento è inferiore a pochi secondi e, in alcuni casi, è pari solo a una frazione di secondo.
I fattori tradizionalmente utilizzati dalle aziende specializzate nel trattamento termico per valutare le apparecchiature a induzione includono le capacità tecniche, l’uniformità delle prestazioni, i tempi di consegna, la durata delle macchine e il prezzo. Alla luce delle recenti tendenze del settore, la decisione di acquistare apparecchiature per il trattamento termico richiede inoltre di prendere in considerazione ulteriori fattori, tra cui la flessibilità delle apparecchiature, la tracciabilità della qualità del trattamento termico dei componenti, la connettività digitale e la capacità di archiviare e consultare i dati di processo.
La capacità di lavorazione pezzo per pezzo con tracciabilità dei singoli componenti, la predisposizione all’automazione e la digitalizzazione del controllo e del monitoraggio dei processi sono da sempre tra le caratteristiche più interessanti del trattamento termico a induzione nel contesto della quarta rivoluzione industriale (Industria 4.0). I continui progressi nella tecnologia dei microprocessori e dei microcontrollori hanno portato alla realizzazione di sistemi di controllo e monitoraggio sofisticati, prima impossibili da ottenere.
Tuttavia, tale sofisticazione può comportare un aumento considerevole dei costi delle apparecchiature, scoraggiando alcuni aspetti dell’attuazione della strategia operativa dell’Industria 4.0. Ad esempio, l’integrazione di tutte le possibili “funzionalità aggiuntive” nella progettazione delle apparecchiature per potenziare le capacità di monitoraggio e controllo e la raccolta dei dati digitali potrebbe comportare un prezzo che supera di gran lunga quello che l’acquirente è disposto a pagare. Questa è la realtà.
Inoltre, per valutare in che modo le variazioni del processo influiscano sul prodotto, è necessario analizzare enormi quantità di dati raccolti, operazione che richiede tempo e comporta costi. In alcuni casi potrebbe essere più sensato ricorrere a tecniche di monitoraggio e controllo meno complesse, abbinate ad adeguati programmi di manutenzione preventiva e/o predittiva. Pertanto, la domanda che l’ingegnere prudente si pone non è più “Cosa si può fare?”, ma “Cosa occorre fare?”.
Uno dei primi passi nell’attuazione della digitalizzazione industriale consiste nell’adottare misuratori digitali che utilizzano speciali circuiti integrati in alternativa ai misuratori analogici ampiamente utilizzati in passato. Se utilizzati entro i limiti nominali, i misuratori digitali forniscono una misurazione accurata dei parametri elettrici in uscita dall’alimentatore. Poiché il tempo di risposta dei contatori digitali potrebbe risultare ancora troppo lento per i rapidi processi di trattamento termico a induzione, alcuni produttori offrono un grafico a barre a risposta rapida in combinazione con la lettura digitale, più lenta, del valore del parametro all’interno dello stesso alloggiamento del contatore. Tuttavia, occorre lavorare ulteriormente per ridurre ulteriormente il tempo di risposta dei contatori digitali e dei relativi circuiti.
Si prevede che il monitoraggio in tempo reale del processo basato sulle caratteristiche distintive continuerà a essere molto richiesto. Il sistema verifica le impostazioni critiche delle macchine per garantire la qualità dei pezzi lavorati. I moderni sistemi di trattamento termico offrono controllo, acquisizione dati e monitoraggio delle caratteristiche in un unico pacchetto, utilizzando un front-end computerizzato con interfaccia uomo-macchina (HMI) abbinato a un controllo PLC per sfruttare al meglio entrambe le tecnologie. Molti produttori hanno sviluppato soluzioni proprietarie per i circuiti di monitoraggio digitale, che aumentano la precisione e riducono al minimo i tempi di risposta.
Secondo la legge dei grandi numeri, l’installazione di un numero eccessivo di sensori, rilevatori e dispositivi/sistemi correlati potrebbe influire negativamente sul tempo di funzionamento delle apparecchiature e sull’affidabilità complessiva del sistema. Pertanto, è fondamentale stabilire un numero minimo di parametri di processo realmente cruciali per un’applicazione di trattamento termico che richieda monitoraggio; ecco perché la progettazione delle moderne apparecchiature a induzione è diventata olistica. Si è cercato di progettare sistemi a induzione moderni che presentino una struttura sofisticata e rigida, ma al contempo un design semplice con un numero minimo di componenti, rendendoli più affidabili, compatti e più facili da utilizzare e mantenere. È necessario impegnarsi al massimo per individuare e impedire che i pezzi difettosi raggiungano la linea di assemblaggio.
La sicurezza informatica è diventata fondamentale nel nostro mondo altamente digitalizzato a causa del potenziale rischio di attacchi hacker, che potrebbero compromettere le ricette di processo, i protocolli, le procedure di convalida e la calibrazione delle apparecchiature, nonché la raccolta dei dati digitali. È necessario creare e archiviare registrazioni elettroniche e adottare misure volte a impedire che queste vengano alterate senza che ciò venga rilevato. Ciò comporta l’adozione di programmi adeguati e l’implementazione di misure di sicurezza, con conseguenti costi aggiuntivi che possono rappresentare una sfida per alcuni produttori di apparecchiature di piccole dimensioni.
In passato, i fornitori spesso mantenevano un contratto per un determinato componente per molti anni. Oggi, i contratti possono passare da un fornitore all’altro con molta maggiore frequenza. Pertanto, aggiudicarsi un contratto rispetto alla concorrenza potrebbe richiedere a un fornitore di valutare nuove apparecchiature a induzione per assicurarsi che siano in grado di svolgere il lavoro, acquistare e installare la macchina, completare un processo di approvazione dei componenti di produzione (PPAP) ed essere pronto per la produzione in breve tempo. Le moderne apparecchiature, affidabili e di alta qualità, dovrebbero consentire un facile riattrezzaggio e una facile riprogrammazione per la lavorazione di componenti diversi. Lo sviluppo di alimentatori innovativi (ad esempio, la tecnologia IFP di Inductoheat) che consentono una regolazione istantanea e indipendente della potenza e della frequenza in modo digitalizzato e preprogrammato durante il ciclo di riscaldamento rappresenta un significativo passo avanti nel miglioramento della flessibilità delle apparecchiature e nell’ottimizzazione della qualità metallurgica dei componenti trattati termicamente.
Non si può sopravvalutare l’importanza delle capacità di modellazione numerica al computer nel nostro mondo altamente digitalizzato. Alcuni pacchetti software commerciali consentono agli utenti di creare applicazioni software proprietarie altamente specializzate (app), che possono essere incluse nei pacchetti delle apparecchiature. Tali app sono già una realtà, poiché alcuni produttori di sistemi a induzione hanno integrato strumenti software proprietari nei propri pacchetti di apparecchiature. Vi sono forti indicazioni che questa tendenza continuerà a crescere.
Il Comitato per la Ricerca e lo Sviluppo della ASM Heat Treating Society sta attualmente lavorando alla “Roadmap 2030 per la Ricerca e lo Sviluppo nel campo del trattamento termico”, che contribuirà a identificare e classificare i percorsi di sviluppo tecnologico per tecnologie e materiali di trattamento termico efficienti in termini di costi, rispettosi dell’ambiente e competitivi a livello globale.
Valery Rudnev, FASM, membro dell’IFHTSE
Direttore del settore Scienza e Tecnologia presso Inductoheat Inc.
Di seguito è disponibile una versione in formato PDF dell'articolo pubblicato da ASM International.