Sia fatta la luce. Una frase semplice dietro la quale si cela la complessità insita nella produzione delle moderne soluzioni di illuminotecnica. Le lampadine, veri e propri elementi essenziali per la vita quotidiana, sono necessarie in enormi quantità, eppure hanno un design di base per il quale è necessario assemblare con precisione materiali molto delicati. Se a questo aggiungiamo la dura realtà dei vari passaggi di riscaldamento in forno e raffreddamento rapido, l’usura dovuta alla produzione continua e la necessità assoluta del controllo qualità, è facile comprendere la quantità di fattori di cui tener conto nella produzione di quella che ai nostri occhi è una semplice lampadina.
E se fosse possibile semplificare questo processo? Cosa accadrebbe se la linea di assemblaggio potesse di per sé incarnare il concetto di “pensiero innovativo” che associamo con il prodotto finale? Materialise e Philips Lighting hanno deciso di scoprirlo attraverso la stampa 3D. La collaborazione ha già dato vita alla “reinvenzione” di un supporto per lampade che in precedenza era soggetto al rischio di guasti, oltre all’automazione, ottenuta mediante un design più leggero, di una linea altamente laboriosa da gestire. Insieme, queste due sole innovazioni permettono di realizzare un risparmio di circa 89.000 € l’anno attraverso i vantaggi operativi da esse offerti.
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Dare il via al processo di collaborazione creativa
Fondata nel 1891 per la produzione di lampade a incandescenza e altri prodotti elettrici, Philips è sinonimo di innovazione da più di 125 anni. Con quasi 850 dipendenti, la sede Philips Lighting di Turnhout (Belgio) gioca un ruolo chiave nel mantenere questa tradizione ed è ampiamente riconosciuta come leader mondiale di tendenza nel campo dell’illuminotecnica professionale. Di fatto, Philips Turnhout lavora spesso, in partnership con centri di ricerca in Belgio e non solo, su innovazioni nel campo delle lampadine a scarica di gas ad alta pressione, dall’idea alla produzione.
Essendo interessati alle potenzialità offerte dalla stampa 3D – in particolar modo dalla stampa in metallo – nell’ambito del processo di produzione, Danny Van der Jonckheyd, Engineering Designer di Philips Factory, e il suo team hanno invitato Materialise in azienda, affinché analizzasse approfonditamente le esigenze specifiche di Philips in merito alla linea di produzione.
Sven Hermans, Business Development Manager in Materialise ricorda: “Bisogna vedere con i propri occhi una linea in azione per capire davvero le esigenze, le sollecitazioni e le tensioni alle quali è sottoposto ogni elemento specifico dell’assemblaggio, ma anche per comprendere le pressioni a cui è sottoposto il personale. Quando eravamo sul posto, abbiamo osservato le parti e parlato con gli addetti alla linea di produzione, i team di manutenzione, gli ingegneri dello stabilimento, con più persone possibili, al fine di identificare i problemi e le aree passibili di miglioramento e idealmente adatte a soluzioni stampate in 3D.
“In che ambito poteva avere un impatto maggiore la scelta di usare materiali più leggeri? Dove era impossibile o troppo costoso applicare un design strutturale mediante tecniche di produzione tradizionali, al fine di migliorare le prestazioni o ridurre gli sprechi? Queste sono state le domande su cui abbiamo lavorato insieme al team Philips.”
Ridurre i costi: stampare per prevenire guasti nei componenti
Il primo componente da migliorare è stato una staffa o supporto usato per tenere in sede le lampadine e allontanare i fili passanti dal calore durante l’applicazione del cannello per la fusione e la sigillatura a tenuta dei condotti per l’estrazione dell’aria dal vetro. La ripetuta esposizione a temperature elevate su una linea continua, e una struttura con linee di saldatura in cui la staffa era composta da quattro pezzi, implicavano di norma il verificarsi di rotture, con uno o due guasti a settimana.
Le staffe potevano essere riparate sul posto e di fatto ciò accadeva, utilizzando uno stock di ricambi di riserva che Philips doveva mantenere in loco. Tuttavia, ogni unità a più pezzi era difficile da rimuovere e smontare, ad esempio un problema particolarmente gravoso era costituito dall’espansione dei punti di avvitatura dovuta al calore, quindi la riparazione poteva richiedere fino a due ore. Inoltre, era possibile eseguire solo un numero limitato di riparazioni, dopodiché era necessaria un’unità completamente nuova, che richiedeva un tempo di consegna di 8 settimane circa.
Lavorando in partnership con Danny Van der Jonckheyd e il suo team, Materialise ha collaborato nella progettazione e nella stampa in metallo di una nuova staffa a struttura singola, riducendo la necessità di un assemblaggio delle parti che richiedeva tempo ed eliminando del tutto i punti di pressione dovuti alle linee di saldatura. Nei primi tre mesi di utilizzo, la staffa così reinventata non si è rotta nemmeno una volta. Un piccolo cambiamento che ha fatto una grande differenza.
The new bracket gets to work on the assembly line
Così spiega Danny:
“Pensavamo che avremmo avuto il vantaggio di poter riparare i componenti meno frequentemente e in modo più semplice e invece finora non abbiamo dovuto sostituirne nemmeno uno. Se anche considerassimo tutto ciò semplicemente in termini di una riduzione del tempo di manutenzione richiesto ai tecnici, avremmo già risparmiato all’incirca 9.000 € l’anno, oltre al fatto che ora il personale tecnico può concentrarsi sui veri problemi tecnici.
The design evolution of the bracket. (From L – R the original part, 3D Printed first design, 3D Printed final design)
“Meno guasti significano inoltre una riduzione dei costi vivi per le parti di ricambio e, dal momento che ora abbiamo “ricambi digitali” che possono essere stampati e consegnati in soli 10 giorni, ci basta tenerne in magazzino qui in sede solo una piccola quantità.”
“Inoltre, le staffe che usavamo in precedenza richiedevano una pulizia frequente per evitare la formazione di solchi da attrito dovuti al passaggio dei fili, potenzialmente dannosi per il prodotto finale. Per essere sottoposte a questo tipo di manutenzione, le staffe dovevano essere rimosse dalla linea e questa operazione richiedeva tempo. La stampa 3D ci ha permesso di creare nuovi fermacavi conici come componenti della staffa, con canali interni che richiedono una pulizia meno frequente e permettono la manutenzione in situ.
“Devo dire però che la differenza maggiore è rappresentata dall’impatto che questo ha avuto sulla mentalità delle persone che lavorano qui. Abbiamo avuto una sorta di illuminazione sul fatto che possiamo e dobbiamo fare le cose in modo differente: a partire da questo progetto iniziale, sono stato contattato da persone che si occupano di vari aspetti della produzione, con idee su altri modi per poter sfruttare la stampa 3D nella nostra azienda. È una cosa che ha davvero coinvolto tutto il nostro personale.”
La rivelazione della pinza di presa: meno lavoro, peso inferiore, un ciclo ridotto
Ad attestare questa nuova mentalità, mentre la staffa per lampadine era in fase di sviluppo, il team di produzione Philips aveva già individuato un’altra opportunità. Poteva la stampa 3D rivelarsi utile nell’automazione di un processo esistente ed estremamente laborioso? La risposta è stata affermativa.
La linea in questione richiedeva in precedenza la presenza fissa di un operatore alla macchina per collocare fisicamente le parti in una pinza di presa a 12 fori, applicare i materiali e rimuovere le unità finite. Per l’automazione di questo processo, è stato necessario ottimizzare le capacità di aspirazione a vuoto della pinza di presa e impiegare una struttura più leggera ma sufficientemente robusta da sopportare le sollecitazioni e le tensioni dell’azione robotica di prelevamento e posizionamento.
Danny e il suo team conoscevano già il potenziale enorme offerto dalla stampa 3D in termini di materiali alternativi in metallo, texture e strutture interne in grado di fornire una soluzione; per questo, insieme a Materialise, hanno lavorato per progettare e stampare una parte da mettere alla prova. Consolidando la struttura (attraverso la riduzione delle singole parti necessarie), creando canali interni ricurvi (un vantaggio unico offerto dalla stampa 3D) e stampando la pinza di presa in alluminio (AlSi10Mg), è stato possibile migliorare la forza e l’aspirazione, riducendo al contempo il peso complessivo dell’unità per velocizzarne e renderne più affidabile il movimento.
“Le nuove capacità della pinza di presa hanno eliminato la necessità del posizionamento manuale dei componenti che richiedeva tempo; questo ci farà risparmiare in un anno circa 80.000 € e una notevole quantità di ore di lavoro da parte degli operatori. Oltre a questo, la maggiore velocità dovuta alla riduzione di peso si traduce in un ciclo di lavorazione più breve e, di conseguenza, in un incremento della produzione: un’equazione davvero perfetta. L’intero processo ci ha realmente aperto gli occhi, l’immaginazione e il cuore sulla stampa 3D a tal punto che penso sia diventata un elemento naturale nell’ambito dei nostri strumenti di produzione.”
The metal 3D-printed suction gripper installed and operational.