La sostenibilità nelle lavorazioni dei metalli

Oggi, le aziende associano il termine "sostenibile" a prodotti e attività che vanno dalla pesca alla realizzazione di mobili, al consumo energetico e all'architettura. Il loro obiettivo dichiarato, parlando di produzione sostenibile, è quello di preservare le risorse naturali e proteggere l'ambiente. Tuttavia, in un certo senso, le lavorazioni dei metalli hanno sempre ricercato una forma di sostenibilità. Effettuare lavorazioni competitive in termini economici di prodotti di alta qualità permette ai produttori di avere un profitto e di conseguenza sostenere la propria esistenza come business.

Nel corso della storia, le aziende metalmeccaniche hanno cercato di rendere i processi di lavorazione più efficienti e produttivi. Tali sforzi implicano lo sviluppo continuo di macchinari avanzati e precisi, utensili da taglio migliorati e l'ottimizzazione complessiva dei sistemi di taglio. Le strategie, nello specifico, includono lavorazioni ad alta velocità, lavorazioni ad alta potenza, lavorazioni ad alte prestazioni e lavorazioni digitali.

La recente iniziativa chiamata "lavorazione sostenibile" punta a ridurre il consumo di materie prime, il consumo energetico e la produzione di scarti durante tutto il ciclo di vita del prodotto ad un livello che sia almeno pari a quanto può sostenere nostro pianeta. Spesso, la discussione generale sulla sostenibilità si concentra su grandi problemi ambientali a livello globale, ma trascura gli elementi di base di prezzo, costo, soddisfazione del cliente, conoscenza dei processi e affidabilità. Per quanto riguarda la sostenibilità delle lavorazioni, il vero successo inizia con passi e analisi semplici e diretti.

Prezzi sostenibili
Ogni azienda deve affrontare la sfida di stabilire prezzi sostenibili per i propri beni o servizi. Il prezzo deve essere sufficientemente alto da coprire i costi e produrre un profitto, ma sufficientemente basso da non spingere i clienti verso la concorrenza. Un produttore può fissare un prezzo più alto se il cliente percepisce che il prodotto fornisce un valore sufficiente rispetto a quanto pagato.

D'altro canto, se la pressione da parte di clienti e concorrenti obbliga a un prezzo troppo basso, i margini di profitto ne risentono. Quando il prezzo è inferiore al costo di produzione del prodotto, ne derivano delle perdite. Se le pressioni concorrenziali obbligano ad un prezzo troppo basso, coloro che progettano e lavorano il prodotto devono trovare come produrlo in modo più economico, rapido e migliore per ridurre i costi di produzione e mantenere un margine di profitto sostenibile.

Costi nascosti
In molte attività, tuttavia, il punto in cui finiscono i costi e iniziano i profitti non è chiaro. Questo poiché anche i costi reali non sono compresi fino in fondo. Fattori nascosti, ignorati o sconosciuti non entrano nel calcolo dei costi. I costi nascosti tipici includono tempi di inattività non pianificati, pezzi in lavorazione scartati e utensili rotti. Questi costi non sono considerati rappresentativi o "reali". L'atteggiamento, anche mentale, che nasconde alcuni fattori di costo non si limita al personale di produzione; può esser presente in tutta l'azienda.

Per ottenere una struttura di costo sostenibile è necessario rendere visibile ciò che è nascosto. Il personale addetto alla produzione deve esaminare e valutare il processo di lavorazione, nonché la struttura e il flusso delle attività dell’azienda in generale per scoprire i costi nascosti.

Soddisfazione del cliente
La soddisfazione del cliente è un elemento chiave della sostenibilità economica. Un cliente vuole sapere quando arriverà il suo ordine. I tempi di consegna, nella mente del cliente, iniziano quando l’ordine viene effettuato. E i tempi di consegna non sono solamente rappresentati dai tempi di produzione. Se lavorare una parte comporta tre settimane di tempo di processo, ma le attività amministrative possono richiedere altre due settimane, un'officina meccanica deve essere onesta con sé stessa e con i suoi clienti e indicare un tempo di consegna di cinque settimane. I fornitori di attrezzature per la lavorazione dei metalli, tra cui Seco Tools, forniscono sistemi di gestione dell'inventario degli utensili, identificazione degli utensili e monitoraggio delle macchine che consentono al personale dell'officina di monitorare i lavori dei clienti e massimizzare la capacità di raggiungere gli obiettivi in termini di tempi di produzione e mantenere la soddisfazione dei clienti. (Vedere la barra laterale)

Sprechi e misurazioni
Una produzione efficiente riduce al minimo gli sprechi di tempo, energia e materie prime. I problemi relativi ai prodotti di scarto della lavorazione quali trucioli, oli da taglio e liquido di raffreddamento sono complessi. I produttori considerano tradizionalmente i prodotti di scarto come un risultato inevitabile del processo e ritengono che un cambiamento sia difficile da realizzare, di conseguenza esso è stato minimo. L'atteggiamento che ha gran parte del mondo delle lavorazioni meccaniche è: "le cose vanno così, è solo qualcosa con cui avere a che fare".

Ridurre veramente al minimo gli sprechi e preservare le risorse richiede una conoscenza approfondita delle caratteristiche del materiale del pezzo e dei processi di lavorazione. Solo una misurazione accurata dei fattori in gioco nel processo per determinare esattamente cosa viene fatto e quali sono i risultati reali può creare questa conoscenza. Essere veramente precisi significa evitare l'uso di cifre arrotondate, che indicano in genere una conoscenza incompleta del processo e ostacolano la reale valutazione dei risultati ottenuti apportando modifiche. Se un'officina sostiene che l'efficienza produttiva è "superiore al 60%", significa che è il 61% o il 95%? Entrambi sono superiori al 60%. Analogamente, la velocità di taglio descritta come "circa 200 m/min" non è un'informazione affidabile. La velocità sarà probabilmente di 195 m/min o 206 m/min piuttosto che una stima arrotondata.

In un caso, il proprietario di un'officina era convinto che il suo stabilimento utilizzava il 70% (numero arrotondato) del tempo disponibile per la lavorazione. Un'attenta misurazione ha determinato che l'utilizzo effettivo era solo del 34%. In termini semplificati, su ogni tre macchine di tale stabilimento, una lavorerebbe e le altre due saranno inattive. Quindi, la misurazione non disciplinata (tirando a indovinare) del proprietario del negozio si rivela praticamente inutile. In un caso, il proprietario di un'officina meccanica era convinto che il suo stabilimento utilizzasse il 70% (numero arrotondato) del tempo disponibile per la lavorazione. Una misurazione più accurata ha determinato che l'utilizzo effettivo era solo del 34%. Semplificando, su ogni tre macchine di tale stabilimento, una lavorerebbe e le altre due saranno inattive. Quindi, la misurazione non sistematica (tirare a indovinare) si rivela praticamente inutile.

Stipendi e sostenibilità
Nell'analisi della sostenibilità in relazione ai costi globali della manodopera, la valutazione della produttività della manodopera deve escludere i costi salariali. La produttività della manodopera equivale al fatturato della produzione, meno i costi di beni e servizi acquistati, diviso per il numero di dipendenti, diviso per un'unità di tempo.



Figure 1:
HQ_ILL_Labor Productivity.jpg

Questa formula misura la produttività della manodopera senza l’influenza del costo della stessa e consente confronti validi della produttività della manodopera tra paesi o aziende con diverse scale salariali. Lo stipendio di un operatore di macchine qualificato in una nazione occidentale, ad esempio, può essere dieci volte superiore a quello di un operatore in un paese con salario inferiore, ma tale differenza non indica la produttività effettiva. È possibile che i 10 operatori di un paese con uno stipendio basso producano meno parti, con una qualità inferiore, rispetto a un operatore nella regione occidentale.

Tuttavia, se la produttività effettiva del personale (misurata come sopra) nel paese con salario inferiore è allo stesso livello del paese occidentale, il raggiungimento di una sostenibilità economica nel paese occidentale richiede investimenti in tecnologie e metodi di produzione innovativi e formazione continua del personale addetto alla produzione.

Un'elevata produttività della manodopera indica che il personale possiede una conoscenza approfondita di ciò che sta facendo e dispone di conoscenze e competenze complete. Ciò consente loro di lavorare più velocemente, di sviluppare appieno le loro competenze e di ottenere una maggiore soddisfazione sul lavoro. Per un operatore esperto, può essere frustrante fare una lavorazione quando si verificano eventi imprevisti. Ciò accade spesso negli scenari odierni di produzione ad alto mix e basso volume (HMLV), in quanto i prodotti e le dimensioni dei piccoli lotti cambiano molto rapidamente. Tuttavia, gli operatori esperti e polivalenti possono rapidamente modificare le operazioni per superare i colli di bottiglia e altri fattori di disturbo.

Affidabilità del processo
Un processo di lavorazione sostenibile è affidabile, prevedibile e riduce al minimo gli sprechi di energia. Un processo inaffidabile comporta la rilavorazione o lo scarto di pezzi e lo spreco di materie prime, energia e manodopera utilizzati per produrre il pezzo scartato.



Figure 2:
HQ_ILL_Next Step Streams In And Around A Machining Process.jpg

Allo stesso modo, dal punto di vista della sostenibilità, i semilavorati (WIP) sono essenzialmente uno spreco. Da un punto di vista economico, i WIP rappresentano una perdita di denaro, tempo perso e spreco di spazio. Inoltre, esiste sempre la possibilità che un pezzo stoccato semilavorato possa essere danneggiato durante lo spostamento attraverso la logistica interna. Di conseguenza, un’officina deve avere il minor numero di WIP possibile.

Riduzione del consumo energetico
Nel corso della storia, la produzione ha trovato modi per ottenere risultati migliori con meno energia. Ad esempio, all'inizio degli anni '80 molte officine disponevano di macchine con 70 o più kilowatt di potenza. Oggi, le fresatrici con 7 kilowatt di potenza forniscono una produttività che può essere superiore rispetto a quelle macchine dieci volte più potenti. Un processo di lavorazione sostenibile riduce al minimo il consumo di energia per mm cubico o pollice cubico di materiale rimosso. La riduzione al minimo del consumo energetico si traduce automaticamente in un minor spreco di energia, rendendo la lavorazione un'operazione più ecologica.

Ottimizzazione dell'efficienza
La figura 3 mostra il consumo di energia elettrica di un centro di lavorazione a cinque assi per un giorno lavorativo. (Questi dati sono stati raccolti da una sola macchina e rappresentano un riferimento generale). Sorprendentemente, il mandrino principale non consuma la maggior parte dell'energia utilizzata dalla macchina. I motori principali di azionamento dell'asse e del mandrino in genere utilizzano solo il 30% dell'energia, mentre i vari sistemi di raffreddamento impiegano il 44% e le pompe, i trasformatori, i sistemi di controllo e altri sistemi consumano il resto. Di conseguenza, quando la macchina non esegue operazioni di taglio, la maggior parte dei suoi altri sistemi continua a utilizzare energia.



Figure 3:
HQ_ILL_Consumption Of Electrical Energy Of Atypical CNC Milling Machine In HMLV Production.jpg

L'uso efficiente dell'energia può incrementare significativamente la produzione con un aumento minimo del consumo energetico complessivo. In uno scenario, la lavorazione effettiva di una parte richiede un'ora. Se la programmazione, la configurazione e il tempo di attesa complessivamente richiedono sei ore, la macchina produce due parti in una giornata lavorativa di otto ore. Quando la macchina esegue operazioni di taglio, il consumo di energia può essere considerato al 100% o di un'unità nominale. L'operazione di taglio utilizza il 20% dell'energia, quindi quando la macchina non esegue operazioni di taglio, consuma l'80% di un'unità energetica. Pertanto, il consumo energetico totale per la giornata è di 6,8 unità, mentre la macchina produce due parti.

Un secondo scenario segue l'analisi del processo con particolare attenzione all'eliminazione degli sprechi di tempo. L'analisi consente di ridurre il tempo di inattività a 5 ore, una riduzione del 16,5%. Ora sono disponibili tre ore di tempo di taglio, che consentono la produzione di tre parti. Il consumo energetico giornaliero totale è di 7 unità, o del 3% in più rispetto allo scenario uno.

La produzione di un pezzo nello scenario uno richiede 3,4 unità di energia, mentre nello scenario due la produzione di ciascun pezzo richiede 2,2 unità di energia. Il consumo di energia per pezzo nello scenario 2 diminuisce del 36% con un solo aumento del 3% del consumo energetico giornaliero. La produzione di tre pezzi nello scenario uno richiederebbe un tempo di lavorazione più lungo e un maggiore consumo energetico. La lavorazione sostenibile non significa necessariamente consumare meno energia, ma significa fare di più con l'energia consumata.

Conclusioni
I produttori hanno da tempo cercato la sostenibilità economica lavorando prodotti di alta qualità a prezzi competitivi in modo da poter supportare e mantenere le proprie attività. La sostenibilità economica è costituita da molti componenti, ma in generale questi sono semplici e diretti. La maggior parte di essi comporta una valutazione realistica, onesta e accurata e l'eliminazione dei fattori che portano ad avere scarti in tutti gli aspetti del processo di produzione.

Nel raggiungimento della sostenibilità economica, i produttori si occupano anche di questioni che consentono loro di affrontare e ridurre l'impatto delle loro operazioni sull'ambiente e di raggiungere una sostenibilità a livello globale.

(Barra laterale)
Misurazione e sostenibilità
L'organizzazione e la misurazione dei vari fattori di processo e relativamente alle attrezzature costituiscono un passo importante verso l'eliminazione degli sprechi e il raggiungimento di lavorazioni sostenibili. Per sapere esattamente dove si verificano gli sprechi di tempo e di energia, il personale dell'officina deve lavorare con numeri e fatti definiti piuttosto che con speculazioni e stime arrotondate.

Al livello più basilare, il personale addetto alla produzione deve sapere quali utensili sono disponibili e dove si trovano nello stabilimento di produzione. Quando queste informazioni non sono disponibili, il personale dell'officina inizia a fare tentativi e supposizioni e a vagare alla ricerca degli utensili. La situazione può essere descritta come un safari in officina. I membri del personale sanno che gli utensili sono in officina, ma non sanno esattamente dove si trovano.

Seco Tools fornisce sistemi di identificazione e gestione degli utensili volti a eliminare il safari in officina. Il sistema di gestione delle scorte di utensili Seco, ad esempio, è un sistema versatile di distributori automatici di livello industriale che può essere completamente interfacciato tramite rete con il flusso di produzione di uno stabilimento. Dopo la configurazione con le esigenze specifiche di uno stabilimento, la gestione delle scorte fornisce automaticamente report completi per tenere traccia dell'utilizzo degli utensili e individuare eventuali irregolarità che potrebbero indicare problemi.

Inoltre, è fondamentale identificare correttamente gli utensili durante il processo di produzione. L'identificazione visiva e tattile potrebbe non essere sufficiente quando sono coinvolti numerosi utensili simili. Seco Tools ha collaborato con IDEM per offrire un sistema di identificazione digitale degli utensili che utilizza tag RFID (Radio Frequency Identification) e un lettore di tag Bluetooth. Il sistema consente agli operatori di collegarsi immediatamente a un database di oltre 900.000 utensili tramite un'applicazione iOS o Android nativa. Le informazioni complete includono le specifiche degli utensili e la gestione della cronologia degli utensili, nonché altre funzioni quali la capacità di comunicazione di gruppo per la condivisione di commenti e dettagli di progetto tra più partecipanti. Il personale dell'officina può anche utilizzare la stessa tecnologia RFID per identificare gli strumenti di misura e altri articoli dell'officina.

Il monitoraggio delle macchine in tempo reale aiuta la sostenibilità economica, consentendo il monitoraggio continuo dei processi di lavorazione. Dal lato della soddisfazione del cliente, inquadrata nella sostenibilità economica, il monitoraggio offre al personale dell'officina la possibilità di comunicare immediatamente a un cliente dove si trova il suo ordine nel processo di produzione e quando verrà consegnato.

Per il monitoraggio delle macchine, Seco Tools ha collaborato con MachineMetrics, un fornitore di piattaforme macchina IIoT (Industrial Internet of Things). Il monitoraggio delle macchine facilita la comunicazione Ethernet, Wi-Fi e tramite cellulare mentre si collega direttamente ai PLC e ai comandi delle macchine utensili. L'I/O digitale e analogico viene configurato e gestito tramite un'interfaccia Web. Il sistema basato su cloud è facile da usare, completamente personalizzabile e veloce da installare. Esso acquisisce i dati di lavorazione e fornisce analisi di produzione che aiutano gli utenti a conoscere le loro operazioni e a migliorare l'utilizzo e la capacità delle macchine utensili. Consente inoltre l'interazione con il database contenente informazioni sugli utensili da taglio e l'esperienza Seco, in modo che gli utenti possano migliorare i propri processi e utilizzare tutti i dati relativi alla durata dell'utensile, all'ottimizzazione della velocità e dell'avanzamento e riguardanti la rottura degli utensili.



Figure 4:
HQ_ILL_Seco Tools Digital Offering.jpg

Autore:
Patrick de Vos, Business Development Manager e Technical Education Manager Seco Consultancy

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