La decisione di automatizzare un processo è una scelta importante per molte aziende, piccole e grandi. Ma questa scelta va ben oltre le capacità tecniche e il costo del capitale iniziale. Si tratta piuttosto di un impegno strategico che determina il modo in cui vengono realizzati i prodotti, la flessibilità della linea di produzione e la competitività sul mercato.
Quando si sceglie un percorso di automazione, si acquista, in una certa misura, un'intera serie di capacità, vincoli e opzioni future. La decisione giusta può migliorare la qualità, aumentare la produttività e posizionare l'azienda per la crescita.
Una scelta sbagliata può bloccare l'utente in un sistema difficile o costoso da aggiornare quando le esigenze cambiano. In alternativa, potreste scoprire di aver speso troppo per funzionalità che non utilizzerete mai.
Per quanto riguarda i sistemi laser, i prodotti disponibili in commercio si dividono generalmente in due grandi categorie: sistemi preconfigurati e sistemi personalizzati. Anche se in realtà si tratta solo di due estremi dello spettro, questa distinzione è utile per delineare i principali criteri decisionali.
Questo articolo intende aiutarvi a prendere la decisione giusta per la vostra azienda.
Che cos'è un sistema laser preconfigurato?
Un sistema laser preconfigurato è solitamente destinato a offrire un prezzo di ingresso più basso ed è progettato per eseguire una gamma definita e limitata di attività. Questi sistemi sono destinati ai produttori che desiderano automatizzare i processi laser più comuni, come la saldatura, la pulizia o il taglio, senza dover affrontare i tempi e i costi della progettazione personalizzata.
I sistemi preconfigurati sono particolarmente interessanti per i produttori di piccole e medie dimensioni o per le grandi aziende che desiderano aggiungere rapidamente capacità per processi standard e ripetibili. Il fascino sta nella loro semplicità. Sono costruiti per essere affidabili, facili da installare e veloci da implementare.
I sistemi preconfigurati sono in genere unità autonome alloggiate in un involucro sicuro per il laser di Classe 1, completo di porte di accesso, interblocchi o barriere fotoelettriche per garantire la sicurezza dell'operatore. In genere sono progettati per funzionare come celle o postazioni di lavoro autonome piuttosto che come componenti di una linea di produzione completamente automatizzata.
A seconda dell'applicazione e delle dimensioni del pezzo, un sistema preconfigurato può utilizzare il movimento a portale (cartesiano) o un braccio robotico. I sistemi a portale sono in genere costruiti su una piattaforma di lavoro in acciaio o granito, che fornisce una base stabile per operazioni precise. I sistemi robotizzati incorporano di solito un robot industriale a 6 assi.
Non è raro che i fornitori offrano i loro sistemi preconfigurati con opzioni. Queste possono includere varie sorgenti laser, ottiche per l'emissione del fascio e forse anche sistemi di visione o di monitoraggio del processo.
Sono spesso disponibili anche varie interfacce di supporto e montaggio dei pezzi, come vassoi o supporti rotanti, soprattutto per i sistemi di marcatura. Talvolta sono disponibili interfacce per il carico o lo scarico semiautomatico, come il carico su nastro trasportatore o le piattaforme girevoli.
Una caratteristica fondamentale dei sistemi laser preconfigurati è la semplicità e la facilità d'uso. L'interfaccia uomo-macchina (HMI) offre solitamente un ambiente di controllo pulito e guidato da menu, con accesso limitato ai programmi preimpostati o ai parametri delle ricette. Ciò consente l'utilizzo da parte del personale di officina con una formazione specialistica minima. Per l'ingegnere di processo, la creazione di nuove attività è altrettanto semplificata e accessibile anche a chi ha limitate capacità di programmazione.
Che cos'è un sistema laser personalizzato?
Un sistema laser personalizzato è progettato da zero per soddisfare una serie specifica di requisiti di produzione che non rientrano nelle capacità dei sistemi preconfigurati. Ogni sistema personalizzato è, per definizione, essenzialmente unico.
Tuttavia, i sistemi laser personalizzati tendono a essere costituiti da diversi elementi comuni, eventualmente anche standardizzati. Questi possono includere:
- Movimentazione automatizzata dei materiali
- Attrezzatura e utensili per i pezzi
- Movimento e posizionamento dei pezzi
- Sorgente laser ed erogazione del fascio
- Visione, rilevamento e monitoraggio dei processi
- Controllore e software associato
- Modulo di comunicazione (per interfacciarsi con il MES, il PLC o altri sistemi di controllo dell'automazione di fabbrica)
- Sicurezza e protezione
Questi elementi possono essere combinati in qualsiasi modo e sono possibili livelli elevati di complessità e sofisticazione. I sistemi di movimento possono comprendere bracci robotici multipli, cavalletti, stadi lineari o tavole rotanti. A volte questi elementi lavorano in modo indipendente per processare i pezzi in parallelo. A volte si coordinano per ottenere la portata, la precisione e la velocità necessarie.
Per quanto riguarda l'esperienza dell'utente (UX), i sistemi personalizzati sono in genere caratterizzati da interfacce HMI personalizzate che offrono funzionalità di controllo e monitoraggio più approfondite. Gli operatori e gli ingegneri di processo possono avere accesso a strumenti diagnostici avanzati, parametri di processo personalizzabili e interfacce che supportano la gestione delle ricette o la produzione ad alta miscelazione. In genere, per utilizzare questi strumenti è necessario un discreto livello di competenza in materia di programmazione e automazione.
I sistemi laser personalizzati possono essere celle di lavoro autonome, ma spesso sono progettati per essere integrati nei sistemi di automazione e nelle linee di produzione dell'intero impianto. Possono fornire connettività a reti PLC, piattaforme MES e sistemi SCADA utilizzando protocolli industriali standard come EtherNet/IP, Profinet o OPC UA.
Scelta tra un sistema laser preconfigurato e uno personalizzato
La scelta del giusto approccio all'automazione laser implica la considerazione e il bilanciamento di molti fattori. Alcuni sono ovvi, come i costi di capitale e di esercizio e lo spazio disponibile. Altri sono meno ovvi, come la qualità del supporto del fornitore e la possibilità di aggiornamento.
Con così tante variabili, il processo decisionale può essere travolgente. Per snellire questo processo, è utile identificare e concentrarsi su quegli aspetti fondamentali che hanno maggiori probabilità di determinare il successo o il fallimento. In termini di funzionalità del sistema, abbiamo scoperto che questi sette fattori sono in genere i più critici.
Applicazione Fit
Questa è la base e il punto di partenza del processo decisionale. È necessario innanzitutto definire il processo e poi stabilire se un laser può fornire i risultati migliori.
Per effettuare questa valutazione, è necessario capire quali sono i vantaggi offerti dal laser - che si tratti di velocità, precisione, riduzione dell'apporto termico o dei costi operativi - e decidere come verrà misurato il successo. Se non c'è una definizione chiara del compito da svolgere e di ciò che costituisce il successo, ci sono poche possibilità di raggiungerlo.
È qui che possono essere utili i servizi di sviluppo delle applicazioni offerti dai partner di automazione laser. Idealmente, dovrebbero disporre delle attrezzature e dell'esperienza necessarie per identificare, testare e ottimizzare il processo laser.
Dimensione del pezzo
Questa potrebbe sembrare una considerazione banale, ma svolge un ruolo fondamentale. I sistemi laser sono limitati dal loro inviluppo di lavoro.
I sistemi preconfigurati sono progettati in base alle dimensioni tipiche dei pezzi per settori specifici: ad esempio, componenti piccoli e precisi nei dispositivi medici o gruppi di medie dimensioni per uso industriale generale. Quando i pezzi non rientrano in queste norme, sia che siano più grandi o di forma insolita, spesso si rende necessario un sistema personalizzato o fortemente modificato.
Requisiti di produttività
Le capacità di produzione sono un'area in cui le soluzioni preconfigurate e quelle personalizzate si differenziano comunemente. Dato che la produttività è un obiettivo primario dell'automazione, questo è spesso il fattore decisivo.
I sistemi preconfigurati sono solitamente progettati come celle di lavoro o stazioni di lavoro singole. Di conseguenza, sono in genere i migliori per le esigenze di produttività medio-bassa. Le operazioni di carico e scarico dei pezzi, soprattutto se eseguite manualmente, sono spesso il fattore limitante per un sistema preconfigurato.
Ad esempio, tecnologie come la saldatura al volo possono raggiungere velocità di saldatura superiori a 1000 saldature al minuto. Questo può aumentare la produttività di una stazione di lavoro indipendente come l'EV-Cube, ma il trasporto e l'integrazione in una linea di produzione possono migliorare ulteriormente la produttività.
Al contrario, la velocità che un sistema laser personalizzato può raggiungere è spesso limitata solo dai costi di investimento, dalle restrizioni di spazio o dai colli di bottiglia non laser. I sistemi personalizzati possono incorporare più sorgenti laser o ottiche, diversi tipi di movimento del sistema o processi non laser eseguiti in parallelo per ottenere una produttività molto elevata.
A seconda delle esigenze, può essere più conveniente installare più sistemi standard piuttosto che investire in una linea più grande e personalizzata.
Alcuni sistemi preconfigurati supportano opzioni di caricamento automatico dei pezzi o la possibilità di integrarsi con nastri trasportatori. Ciò può aumentare la produttività riducendo al minimo i tempi di inattività del sistema durante il caricamento o lo scaricamento dei pezzi.
Fissaggi
Per quanto riguarda il caricamento dei pezzi, vale la pena di esaminare anche il modo in cui il pezzo viene fissato e presentato al laser. I sistemi standard hanno in genere una gamma limitata di opzioni di fissaggio dei pezzi. Queste possono includere morsetti fissi, perni di posizionamento, mandrini manuali o pneumatici (per i pezzi rotondi) e blocchi a V. Ciò può limitare la capacità del sistema di eseguire percorsi di saldatura complessi o di lavorare con pezzi di forma 3D che richiedono una lavorazione da diverse angolazioni.
Se i pezzi richiedono un posizionamento complesso, un fissaggio dinamico o l'interazione con sistemi esterni, l'attrezzatura deve essere progettata di conseguenza. Naturalmente, questo può essere ottenuto con un sistema robotico personalizzato. Ma è anche il caso in cui le capacità di un utensile preconfigurato possono essere ampliate, a patto che il produttore abbia le capacità e la volontà di farlo.
Tolleranze e qualità
Sebbene l'utensileria svolga un ruolo importante nel determinare l'accuratezza e la ripetibilità del processo, può essere integrata da vari sensori, in particolare dai sistemi di visione. Questi possono aiutare il sistema ad adattarsi meglio alle variazioni da pezzo a pezzo o a compensare i limiti della coerenza posizionale dell'utensile.
Alcuni sistemi preconfigurati possono includere sistemi di visione e monitoraggio del processo come opzioni standard. Ad esempio, le configurazioni di saldatura della piattaforma IPG LaserCell sono disponibili con i sistemi di misurazione della saldatura laser in tempo reale LDD per il monitoraggio in linea della saldatura.
Tuttavia, è possibile che la combinazione della complessità dei pezzi e dei requisiti di tolleranza crei esigenze superiori a quelle che un sistema preconfigurato può soddisfare. Questo spinge la soluzione verso una progettazione personalizzata o semi-personalizzata.
Potenza laser
I sistemi laser standard sono costruiti per adattarsi a determinati intervalli di potenza laser. In genere ciò è dettato dall'ottica dello strumento, dai sistemi di sicurezza, dalle esigenze di raffreddamento e forse anche dai requisiti di potenza.
Tuttavia, requisiti di velocità di processo più elevati o materiali più spessi possono richiedere un laser di potenza superiore.
Alcune di queste limitazioni non sono facili da aggiornare o espandere. Quindi, se un'applicazione richiede assolutamente una potenza laser superiore a quella che un sistema standard può fornire, la decisione di costruire una soluzione laser personalizzata può essere obbligata.
Interazione con l'operatore
Oltre alla funzionalità del sistema, un'altra considerazione importante è la facilità di programmazione e gestione. Anche in questo caso, i sistemi preconfigurati e quelli personalizzati tendono a divergere in modo significativo.
I sistemi preconfigurati sono costruiti per un'interazione prevedibile e diretta e di solito supportano una selezione limitata di operazioni. La programmazione di nuove attività è spesso semplificata e talvolta ridotta alla sola funzionalità di trascinamento, come nel caso di un sistema cobot per la saldatura laser.
Tutto questo alleggerisce i requisiti di formazione sia per gli operatori che per gli ingegneri di processo. Ciò significa anche che i sistemi possono essere operativi in produzione quasi subito dopo l'installazione.
I sistemi laser robotizzati personalizzati possono includere un'interfaccia utente semplificata per gli operatori. Ma al di sotto di essa si trova solitamente un ambiente software molto più sofisticato.
Il vantaggio di questa sofisticazione è che le loro capacità sono praticamente illimitate. Spesso includono la possibilità di integrarsi con altri sistemi di automazione di fabbrica.
Ma questo significa anche che in genere sono più complessi e difficili da programmare, e richiedono maggiori competenze per il supporto. Non è raro che ci voglia più tempo per mettere online un nuovo sistema o un nuovo processo, soprattutto quando comporta un'ampia interazione con sistemi esterni.
Altre considerazioni
Come già accennato in precedenza, l'acquisto di un sistema laser non è una scelta binaria. Con alcuni fornitori è possibile iniziare con un sistema preconfigurato e modificarlo con le opzioni fino a farlo diventare essenzialmente un sistema personalizzato. Con altri, i sistemi preconfigurati sono rigidi e ottimizzati per una gamma ristretta di attività.
I sistemi laser robotizzati preconfigurati costano in genere meno degli strumenti completamente personalizzati e possono essere consegnati più rapidamente dal produttore. Inoltre, l'installazione di un sistema preconfigurato comporterà probabilmente una curva di apprendimento minore, poiché il produttore ha già maturato una notevole esperienza nell'uso del sistema in diversi contesti produttivi.
Anche la modifica di un sistema standard per ampliarne le funzionalità comporta di solito un aumento incrementale dei costi minore rispetto all'ottenimento delle stesse funzionalità attraverso un sistema totalmente personalizzato. Ma questo non è universalmente vero. I sistemi preconfigurati presentano limitazioni che possono rendere più costosa l'esecuzione di modifiche estese rispetto alla partenza da zero.
Ci sono anche problemi logistici e finanziari. La modifica di un sistema preconfigurato già in produzione mette fuori linea lo strumento. Questo tempo di inattività ha un impatto. Ma i costi per la modifica possono derivare dalle spese operative, mentre l'acquisto di un nuovo sistema è invariabilmente una spesa in conto capitale.
Infine, ricordate che un fornitore specifico potrebbe offrire solo una gamma limitata di prodotti. Questo può spingerli a indirizzarvi verso una soluzione basata sui loro prodotti o sulle loro capacità esistenti. Sfortunatamente, questo prodotto potrebbe non essere ottimale per la vostra applicazione.
Come iniziare con l'automazione laser
Grazie alla nostra esclusiva integrazione verticale, IPG offre tutto, dai componenti e dalle tecnologie laser ai sistemi preconfigurati, alle piattaforme modulari e alle linee di produzione personalizzate. In qualità di partner per tutto ciò che riguarda l'automazione laser, non vi spingiamo verso un particolare prodotto o approccio.
Iniziare è facile: inviateci dei pezzi campione, visitate uno dei nostri laboratori applicativi globali o parlateci della vostra applicazione.
