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Come si inserisce l'Advanced Manufacturing nell'Industria 4.0?
Innanzitutto, cos'è l'Industria 4.0?
L'Industria 4.0, definita la quarta rivoluzione industriale, è stata introdotta per la prima volta nel 2011 dal governo tedesco come iniziativa strategica per digitalizzare completamente l'industria manifatturiera senza la necessità di interazione umana. L'Industria 4.0 rappresenta una nuova fase nell'organizzazione e nel controllo della catena del valore industriale. Si tratta della trasformazione digitale del settore manifatturiero/produttivo e delle industrie correlate.
La prima rivoluzione industriale è avvenuta con l'avvento della meccanizzazione, dell'energia a vapore e della forza idrica. A questa è seguita la seconda rivoluzione industriale, che ruotava intorno alla produzione di massa e alle catene di montaggio che utilizzavano l'elettricità. La terza rivoluzione industriale è avvenuta con l'elettronica, i sistemi informatici e l'automazione, che hanno portato alla quarta rivoluzione industriale, associata ai sistemi cyber-fisici. La figura 1 riassume le quattro rivoluzioni industriali.
La transizione verso l'Industria 4.0 è legata ai seguenti nove pilastri tecnologici digitali (2):
- Big Data e Analytics - Il primo pilastro è costituito da Big Data e Analytics. Per big data si intende qualsiasi raccolta di dati ampia e complessa. L'analisi dei dati è il processo di estrazione di informazioni significative dai dati. Utilizzando un flusso continuo di dati e capacità di analisi, le aziende possono reagire tempestivamente ai cambiamenti nei modelli di dati e ridurre i costi, prendere decisioni più rapide e migliori e creare nuovi prodotti e servizi.
- Simulazioni e gemelli digitali: il secondo pilastro è costituito dalle simulazioni e dai gemelli digitali. Una simulazione riproduce ciò che potrebbe accadere a un prodotto, mentre un gemello digitale riproduce ciò che sta accadendo a un prodotto specifico nel mondo reale. La disponibilità di Big Data e Analytics, unita a una potenza di calcolo in continuo aumento, sta espandendo l'applicazione delle simulazioni 3D dalle fasi di ingegneria generale dei prodotti e dei processi produttivi alle operazioni di stabilimento.
- Robot autonomi - Il terzo pilastro è rappresentato dai robot autonomi. Un robot autonomo è un robot che agisce senza ricorrere al controllo umano. Tradizionalmente, i produttori hanno utilizzato i robot industriali per affrontare compiti e incarichi complessi. Tuttavia, l'avanzamento delle capacità tecnologiche sta consentendo una nuova generazione di robot in grado di funzionare autonomamente, di svolgere compiti sempre più complessi e impegnativi e di lavorare a fianco dell'uomo o persino in spazi di lavoro limitati all'uomo.
- Integrazione orizzontale e verticale dei sistemi - Il quarto pilastro è l'integrazione orizzontale e verticale dei sistemi. Nel contesto dell'Industria 4.0, l'integrazione verticale si riferisce alla connessione dei sistemi IT interni tra i diversi livelli gerarchici di un'azienda. L'integrazione orizzontale si riferisce alla digitalizzazione e alla connessione dei vari sistemi lungo l'intera catena di fornitura e di valore di un'azienda. Questa connessione mira a creare reti di valore tra le diverse aziende e a fornire soluzioni end-to-end.
- L'Internet industriale degli oggetti (IIoT) - Il quinto pilastro è l'Internet degli oggetti (IoT). L'IoT si riferisce al concetto di sistemi in rete costituiti da oggetti e dispositivi fisici interconnessi e collegati a Internet. Una sottosezione dell'IoT, denominata Industrial Internet of Things (IIoT), si concentra sull'applicazione delle capacità dell'IoT per scopi industriali. L'IIoT è una premessa essenziale per il concetto di Industria 4.0, in quanto consente alle aziende di raccogliere continuamente informazioni da macchine, sensori, prodotti e dispositivi e di utilizzarle per rilevare guasti, monitorare la qualità e avviare procedure di manutenzione.
- Cybersecurity - Il sesto pilastro è la Cybersecurity. Se da un lato la transizione verso l'Industria 4.0 offre molti vantaggi, dall'altro pone una crescente preoccupazione per quanto riguarda la Cybersecurity. Infatti, l'integrazione dei sistemi e l'implementazione di IIoT, Big Data e Analytics e Cloud Computing aumentano il rischio di attacchi informatici. Anche se la minaccia di attacchi informatici può variare, il loro impatto sulle aziende può essere grave. L'impatto può includere situazioni di pericolo di vita per i lavoratori, furto di mestieri industriali e proprietà intellettuali, violazioni della sicurezza e della conformità all'inquinamento, negazione del servizio alle reti e sabotaggio di infrastrutture, macchine e componenti critici.
- Cloud Computing - Il settimo pilastro è il Cloud Computing. Il Cloud Computing si riferisce alla condivisione di risorse informatiche e di potenza di calcolo su Internet. I servizi di Cloud Computing includono server, storage, database, networking, software, analytics e intelligence. Nel contesto dell'Industria 4.0, il Cloud Computing può facilitare le attività produttive e manifatturiere al di là dei reparti interni e dei confini aziendali, aprendo così la strada a maggiori collaborazioni, flessibilità lavorativa, fornitura di servizi e creazione di nuovi prodotti.
- Fabbricazione additiva e stampa 3D - L'ottavo pilastro è Fabbricazione additiva (AM). AM si riferisce a un processo che comprende tecnologie di stampa 3D che creano pezzi aggiungendo materiale. Questo processo è diverso dai processi di produzione convenzionali come la fresatura e la tornitura o lo stampaggio a iniezione (creazione di prodotti iniettando materiali in uno stampo). Finora, la maggior parte delle aziende ha utilizzato l'AM principalmente per prototipare e produrre singole parti e componenti. Tuttavia, con l'evoluzione e la maturazione delle tecnologie AM, le aziende industriali le utilizzano sempre più spesso per passare dalla produzione di massa di prodotti identici a lotti più piccoli e a basso volume di prodotti personalizzati e sofisticati con caratteristiche avanzate.
- Realtà aumentata e virtuale - Il nono pilastro è costituito dalla Realtà aumentata (AR) e dalla Realtà virtuale (VR). L'AR si riferisce all'integrazione di informazioni generate dal computer nell'ambiente reale, proiettando uno strato di informazioni grafiche nella vista dell'utente attraverso dispositivi come tablet, smartphone e occhiali intelligenti. Questo strato aggiuntivo di informazioni può aiutare i lavoratori a colmare il divario tra l'ambiente digitale/virtuale e quello fisico, supportando le attività operative e il processo decisionale. Realtà virtuale (VR) è un passo avanti rispetto all'AR. Invece di strati grafici di informazioni proiettati sull'ambiente reale, i dispositivi VR generano una replica virtuale di un ambiente reale, consentendo agli utenti di interagire con elementi virtuali e di valutare ed eseguire attività in un ambiente virtuale.
Le nove tecnologie di Industria 4.0 sono evidenziate nella Fig. 2, a sinistra.
L'Industria 4.0 racchiude la promessa di una nuova rivoluzione industriale e rappresenta il modo in cui la tecnologia intelligente e connessa sarà integrata nelle organizzazioni. L'uso delle tecnologie digitali rende la produzione più agile, flessibile e reattiva nei confronti dei clienti, ottimizzando il sistema produttivo.
I principali vantaggi dell'adozione dell'Industria 4.0 sono (3):
- Riduzione dei costi e degli sprechi: gestire e ottimizzare il processo produttivo e la catena di fornitura utilizzando dati in tempo reale per prendere decisioni migliori per l'azienda. Utilizzo di tecnologia intelligente elimina i tempi di inattività.
- Rafforza la forza lavoro - il software può migliorare la collaborazione e l'efficienza tra i vari reparti utilizzando la tecnologia per collegare i dipendenti.
- Rende le aziende più competitive: gli investimenti in tecnologia e soluzioni contribuiscono a migliorare il processo produttivo e a fornire un servizio migliore ai clienti.
- Affrontare i potenziali problemi prima che si presentino: investire nella tecnologia consente alle aziende di essere proattive anziché reattive, essendo in grado di individuare potenziali problemi di manutenzione e di gestione della catena di fornitura.
- Il valore dei big data: la ricchezza di informazioni che possono essere raccolte attraverso macchinari e processi può essere integrata con software e sistemi aziendali, creando un'azienda completamente connessa.
- Accelera il processo di produzione - i prodotti possono essere costruiti direttamente da un progetto CAD, consentendo agli ingegneri progettisti di creare un campione virtuale che può essere testato all'interno del software - questo permette ai produttori di accelerare il processo di progettazione e sviluppo e di produrre prodotti di migliore qualità.
- Migliorare l'officina - I macchinari dell'Industria 4.0 sono supportati dalla tecnologia cloud e dall'Internet delle cose (IoT): le macchine possono raccogliere dati sulle prestazioni e condividerli con altre macchine o sistemi software.
- Costruire la resilienza aziendale: le soluzioni digitali possono supportare le operazioni e trasformare le aziende per renderle più forti e resilienti.
Produzione additiva e stampa 3D nell'Industria 4.0: (4)
La manifattura additiva e la stampa 3D sono state evidenziate come 8th pilastro dell'Industria 4.0 sono le principali tecnologie manifatturiere emergenti dell'Industria 4.0. L'utilizzo e l'implementazione della manifattura additiva in combinazione con altre tecnologie sta producendo un'evoluzione dell'industria verso una produzione intelligente in cui le macchine (autonome, automatiche e intelligenti), i sistemi e le reti sono in grado di scambiare informazioni e rispondere ai sistemi di gestione della produzione. Inoltre, in quanto tecnologia in grado di trasformare un progetto 3D in un prodotto senza alcun intervento, la stampa 3D ha un ruolo manifatturiero fondamentale nell'ambito dell'Industria 4.0. La necessità di utensili e attrezzature costose viene eliminata, riducendo la post-lavorazione, lo spreco di materiale e l'intervento umano.
Grazie alla stampa 3D, le fabbriche possono aumentare la loro flessibilità, adattandosi alle esigenze di un mercato sempre più esigente e imprevedibile. Inoltre, consente di produrre oggetti personalizzati di ogni tipo senza costosi stampi e strumenti di produzione.
La stampa 3D è anche un grande alleato dell'ambiente, una caratteristica importante considerando la nostra attuale situazione climatica e l'importanza di avere processi di produzione sostenibili con un minor consumo di risorse e una minore produzione di rifiuti. Inoltre, la situazione attuale che si sta vivendo in tutto il mondo a causa di COVID-19, ha portato a un maggiore progresso e consolidamento della stampa 3D in seguito all'aumento della necessità di elementi personalizzati in tempi rapidi.
Per riassumere
Le tecnologie intelligenti, come l'Additive Manufacturing, alimentate dall'Industria 4.0 portano a un aumento della produttività, a una migliore qualità dei pezzi, a una riduzione dei costi e dei tempi di inattività dei dipendenti. Inoltre, migliorano l'utilizzo delle risorse. L'Industria 4.0 sta rivoluzionando il modo in cui le aziende producono, migliorano la qualità dei loro prodotti e la loro distribuzione. L'Industria 4.0 determinerà un vantaggio competitivo per le aziende manifatturiere e consentirà nuovi modi di commercializzare i prodotti e di passare ai processi digitali.
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