L'automazione nella produzione di stufe 4.0: gemello digitale per il robot di saldatura

Saldare automaticamente le stufe e allo stesso tempo coprire un'ampia gamma di prodotti: questo è l'obiettivo della HASE Kaminofenbau GmbH di Treviri. L'innovativo produttore di stufe della Germania sud-occidentale lancia sul mercato uno o due nuovi modelli ogni anno. Grazie all'interazione ottimale tra il gemello digitale e i robot di saldatura di KUKA, HASE può ora soddisfare facilmente la crescente domanda.

L'automazione garantisce il comfort: le stufe moderne sono la nuova tendenza

Calore accogliente, legna scoppiettante, fuoco incandescente: per un numero sempre maggiore di persone, una stufa a legna è sinonimo di puro comfort e non dovrebbe mancare nel soggiorno. Ecco perché la domanda è in costane aumento presso Kaminofenhersteller HASE di Treviri. Fondata nel 1979, l'azienda a conduzione familiare produce oggi fino a 15.000 stufe all'anno e, grazie all'automazione, in modo più rapido ed efficiente di prima. La particolarità: HASE produce il 100% di tutte le stufe nella sede della Renania-Palatinato, dove lavorano circa 200 dipendenti. Oltre al "Made in Germany", l'azienda specializzata in stufe si concentra su soluzioni tecniche innovative, sia che si tratti di nuovi modelli di stufe ogni anno, del software intelligente iQ per una fiamma pulita o dell'automazione della produzione tramite robot e quindi processi più efficienti. L'interfaccia tra macchine fisiche e applicazioni digitali svolge un ruolo decisivo.

Poiché mancano sempre più specialisti della saldatura, siamo riusciti a trarre vantaggio dal boom del mercato solo automatizzando la nostra produzione.

Florian Fischer, responsabile dello sviluppo della produzione presso HASE

Soddisfare l'elevata domanda attraverso la produzione automatizzata

La crescente domanda di stufe moderne e pulite ha posto l'azienda manifatturiera regionale di fronte a una serie di sfide. "Una stufa ha decine di cordoni di saldatura: saldarli tutti a mano richiede molto tempo", afferma Florian Fischer, responsabile dello sviluppo della produzione presso HASE. "Poiché ci mancano sempre più saldatori specializzati e i nostri impianti erano ormai obsoleti, abbiamo potuto trarre vantaggio dal mercato in crescita solo automatizzando la nostra produzione". Ora che i robot svolgono il lavoro di saldatura più difficile sulle stufe grezze, anche a causa delle temperature, i colleghi possono concentrarsi sul loro mestiere. Ciò include, ad esempio, la saldatura delle porte delle camere di combustione, dove la zona di lavoro è comunque troppo stretta per un robot di saldatura.

Il gemello digitale nel cuore dell’impianto di saldatura

L'obiettivo della manifattura era quindi chiaro: l'utilizzo di robot di saldatura per aumentare la produttività, garantire la qualità e allo stesso tempo ridurre il carico di lavoro dei dipendenti. Ma HASE non sarebbe HASE se l'innovativo produttore di stufe non pensasse in modo orientato al futuro. "Volevamo costruire un impianto robot ultramoderno e flessibile che potesse lavorare anche su modelli futuri che non esistono ancora, senza che i nostri progettisti debbano limitarsi o che la produzione si fermi", spiega Fischer. "Ecco perché il gemello digitale svolge un ruolo cruciale."

Alla HASE Kaminofenbau di Treviri, la tradizione artigianale incontra l'automazione innovativa.

Poiché HASE si affida da 20 anni alle prestazioni dei robot KUKA, il fornitore leader di tecnologia robotica intelligente è stato scelto anche per l'ultimo progetto. L'aspetto particolarmente interessante della cooperazione non era solo la possibilità di utilizzare l'hardware KUKA sotto forma di due KUKA KR CYBERTECH nano ARC HW, l'unità lineare KUKA KL250-3 e il posizionatore. È stata l'interazione con il software KUKA.Sim e il gemello digitale a cambiare le carte in tavola per HASE. Il software di simulazione porta in vita le applicazioni robotiche in maniera virtuale, anche prima che l’impianto sia messo in funzione. Le sequenze di movimento del robot programmate offline sono raffigurate in tempo reale e analizzate e ottimizzate in riferimento ai loro tempi di ciclo. Inoltre, il KUKA.Sim ArcWelding AddOn simula le applicazioni di saldatura automatica. Per esempio, si possono definire le posizioni di avvicinamento o l’orientamento ottimale dei robot per il processo di saldatura.

Programmare i modelli di stufa offline più velocemente

"Con l'aiuto di KUKA.Sim simuliamo in anticipo tutte le sequenze di saldatura e di movimento dei nostri due robot sull'unità lineare, completamente incapsulati dall’impianto vero e proprio", afferma Martin Altmeier, programmatore di HASE. "Offline, possiamo programmare un programma della stufa in due ore con l'aiuto del gemello digitale. Online, dovremmo mettere fuori servizio un impianto per due settimane. Questo dimostra quanto segue: senza la programmazione offline tramite il software di simulazione, la nostra produzione e lo sviluppo di nuovi modelli non sarebbero possibili in maniera così rapida e semplice."

I due robot di saldatura KR CYBERTECH nano ARC saldano i cordoni dei componenti sulla guida lineare.

KUKA.Sim può essere utilizzato anche per confrontare le idee dei progettisti sui nuovi modelli di stufa con la realtà già nella fase di prototipo. Con l'aiuto del gemello digitale, Hase può simulare le sequenze di saldatura uno a uno e i progettisti ricevono un'immagine identica del successivo processo di produzione. In questo modo HASE può utilizzare il gemello digitale per testare le sequenze di saldatura delle nuove stufe e creare su questa base il programma di saldatura corrispondente per la cella robot.

L'automazione incontra la flessibilità

Una volta pronto il programma per un modello di stufa, i robot possono mettersi subito al lavoro. L'operatore della macchina posiziona la stufa nell’impianto utilizzando un dispositivo di sollevamento, avvia il programma e il posizionatore solleva la stufa grezza preimbastita, che pesa da 20 a 100 kg a seconda del modello, nella posizione desiderata. I due robot di saldatura KR CYBERTECH nano ARC, collegati a due sorgenti di alimentazione TPS 500i Fronius, saldano automaticamente i cordoni dei componenti sulla guida lineare nella sequenza specificata. "Prima abbiamo fatto una simulazione per individuare esattamente quando e quale robot è più adatto a gestire il cordone di saldatura", spiega il programmatore Altmeier, "in modo da non avere alcuna distorsione, avere cordoni a tenuta stagna e raggiungere il tempo di ciclo ottimale."

Grazie al gemello digitale, i progettisti ricevono un'immagine identica del processo produttivo già nella fase di prototipo.

Il rischio di guasti è ridotto al minimo

Un altro vantaggio: grazie a diversi livelli utente con chiari profili di ruolo, come quello dell'operatore, HASE ha ridotto quasi a zero il rischio di guasti dovuti a errori operativi. Inoltre, tutti i programmi attuali vengono salvati nel software KUKA, in modo che anche in caso di errore, tutti i dati possono essere ripristinati subito. "Volevamo collegare in modo ottimale il mondo virtuale con quello reale", afferma Bernd von der Bank, che lavora da anni presso il partner di sistema di KUKA Paul von der Bank GmbH, descrivendo le sue intenzioni per il progetto. "Non importa se cambio qualcosa nell’impianto o nella simulazione, perché la stessa cosa accade in entrambi i sistemi. Il fatto che il mondo online e quello reale si armonizzino così bene è unico sul mercato."

I professionisti delle stufe di HASE, gli esperti di automazione di KUKA e il partner di sistema Paul von der Bank GmbH hanno lavorato fianco a fianco.

Le applicazioni KUKA offrono un controllo virtuale e reale coerente

Prima che KUKA.Sim e i robot di saldatura funzionassero alla grande insieme, HASE, l'integratore Paul von der Bank GmbH e il servizio clienti KUKA hanno lavorato insieme per migliorare il software e creare una soluzione su misura. La competenza di HASE è stata particolarmente decisiva per il successo del risultato finale. "La sfida dell’elettrosaldatura è che il mondo virtuale non ha tolleranze", afferma von der Bank. "La tecnica di giunzione reale, invece sì, e non poche."

La soluzione di automazione personalizzata per HASE consente di produrre un'ampia gamma di modelli di stufe.

L'architettura modulare del software rende possibili i desideri dei clienti

Per garantire che la simulazione dei cordoni di saldatura e i parametri di saldatura corrispondessero in modo ottimale al lavoro del controllo robot e che il "lavoro di riapprendimento" fosse il più ridotto possibile, tutti i partecipanti hanno modificato congiuntamente KUKA.Sim secondo le esigenze di HASE. L’architettura modulare del software lo rende possibile! Un vantaggio importante: i dati sono coerenti al 100 percento, pertanto il sistema di controllo virtuale e quello reale lavorano esattamente con gli stessi dati. In questo modo, KUKA.Sim crea la base per una messa in funzione virtuale.

Grazie all'architettura modulare del prodotto, il software viene personalizzato in base alle esigenze di HASE.

Aumento della produttività grazie all’impianto robot di alta gamma

Grazie all'eccellente interazione tra il gemello digitale e i robot, HASE è riuscita a ridurre il tempo di saldatura per stufa da 45 minuti a 15 minuti. Vista l'esperienza positiva con l’impianto, HASE ne ha costruito un secondo, completamente identico al primo. Questo riduce al minimo il carico di lavoro per la programmazione e il controllo. I due nuovi impianti sostituiscono i cinque più vecchi: un immenso guadagno di spazio per la produzione!

Preciso ed efficiente: grazie all'eccellente interazione tra il gemello digitale e i robot, il tempo di saldatura per stufa è stato ridotto da 45 a 15 minuti.

Offline, possiamo programmare una programma della stufa in due ore con l'aiuto del gemello digitale, mentre online dovremmo mettere fuori servizio un impianto per due settimane.

Martin Altmeier, programmatore presso HASE Kaminofenbau GmbH

Il produttore di stufe può ora produrre fino a 25.000 stufe all'anno, mentre prima erano al massimo 15.000. "Per noi, i due impianti robot di alta gamma sono la più grande innovazione di saldatura che abbiamo mai avuto", riassume Fischer. "La cosa più difficile dell'automazione è trovare un modo per coprire un ampio portafoglio di prodotti allo stesso tempo. Abbiamo risolto con successo questa sfida insieme a KUKA e Paul von der Bank GmbH." Il segreto del successo del progetto sta anche nel lavoro comune: KUKA ha offerto a HASE un pacchetto completo e ha sviluppato una soluzione personalizzata insieme al cliente e al partner di sistema in loco.

L'automazione come opportunità

Alla luce della crescente carenza di manodopera qualificata, i dipendenti di HASE non vedono la soluzione dell'automazione come una minaccia per il loro posto di lavoro, ma piuttosto come una possibilità per garantire la futura esistenza del loro datore di lavoro. HASE vuole continuare a seguire il suo percorso a metà strada tra artigianato tradizionale e automazione innovativa e sta già lavorando insieme a KUKA a concetti per la bordatura e la verniciatura automatizzate e per la saldatura di gruppi costruttivi. Per molte altre stufe moderne e pulite e per un'atmosfera ancora più accogliente in salotto.