Per alcuni tipi di collaudo industriale su componenti che necessitano di rampe di temperatura sono necessari tempi relativamente brevi e precisione nella omogeneità di temperatura per la propagazione del calore nel componente stesso e ciò si può ottenere utilizzando un bagno termostatato.
Per tutti i prodotti che possono essere immersi in liquido senza conseguenze per il loro funzionamento e che non necessitano di particolari lavaggi pre-vendita o che vengono collaudati a campione, l’immersione in liquido è il metodo più veloce e funzionale per raggiungere le temperature richieste per il collaudo mantenendo omogeneità di temperatura su tutto il pezzo e per tutti i pezzi in prova. Inoltre il liquido utilizzato può essere scelto in modo da avere una maggiore conduzione termica verso il pezzo in prova in base anche alle temperature di prova.
L’hardware per termostatare un bagno che deve eseguire cicli di temperatura necessita di un sistema di riscaldamento e uno di raffreddamento. Più veloci ed efficienti sono questi due sistemi e più corto può risultare il ciclo, ovviamente tenendo conto del tempo di trasmissione della quantità di calore verso il pezzo in prova. Le rampe di temperatura impostate per essere sicuri che i pezzi in prova raggiungano effettivamente la temperatura richiesta, a seconda dei pezzi e delle loro trasmittanze, hanno un ordine di grandezza di gradiente termico mediamente intorno ai 0,5-2 °C/min.
In particolare per i tipi di ciclo di temperatura dove è prevista solo una rampa in salita, la velocità con cui il bagno ritorna alla temperatura iniziale è più efficiente quanto più l’abbattimento della temperatura avviene il più velocemente possibile ovviamente senza controllo del gradiente termico. Purtroppo le macchine in commercio che hanno un veloce abbattimento della temperatura generalmente hanno un costo decisamente più alto avendo un sistema di refrigerazione molto più potente di quello necessario per le normali rampe di temperatura controllate fino a 2° C/min. Una spesa maggiore per un sistema così efficiente in questo caso verrebbe assorbita solo dalla diminuzione del tempo di abbattimento veloce della temperatura durante il rientro alla temperatura di inizio ciclo. Per i nostri clienti e per i tipi di cicli medi questo costo non sarebbe stato quasi più riassorbito considerando che queste macchine hanno comunque bisogno di una manutenzione ordinaria.
Attualmente in commercio i sistemi più utilizzati per questo tipo di prove, generalmente in laboratorio, sono i bagni termostatici o criotermostati. Questi hanno anche la possibilità di eseguire cicli di temperatura impostabili manualmente direttamente sul pannello del bagno stesso. I nostri clienti hanno quindi inizialmente pensato di usare semplicemente un bagno termostatico per le prove su pezzi con rampe controllate di temperatura.
Questo sistema ha però presentato i seguenti problemi:
1) Difficoltà nel discriminare e selezionare i cicli di temperatura accoppiati ai prodotti
2) Difficoltà nell’adattare l’eventuale sistema di rilievo per l’esito del collaudo
3) Guasti o manutenzioni frequenti al sistema di raffreddamento
1) Difficoltà nel discriminare e selezionare i cicli di temperatura accoppiati ai prodotti
Spesso i cicli di temperatura impostabili su un bagno termostatico sono limitati a un centinaio mentre i prodotti in produzione possono essere diverse centinaia, specie per i clienti con molti tipi di prodotti come ad esempio nell’after market automobilistico. Non è pensabile riscrivere ogni volta il ciclo di temperatura considerando i tempi di immissione dei dati e i possibili errori di immissione. Inoltre il personale addetto alle prove dovrebbe prevedere un sistema di reperimento delle informazioni relative al ciclo di temperatura sicuro, efficiente e veloce.
2) Difficoltà nell’adattare l’eventuale sistema di rilievo per l’esito del collaudo
Normalmente il sistema di collaudo ha il compito di emettere un esito relativo al pezzo in prova valutando alcune caratteristiche del pezzo che devono essere rilevate durante il ciclo di temperatura. I sensori per questo rilievo devono essere accoppiati al pezzo prima di ogni ciclo. Questo richiede una integrazione di attrezzature manuali da impostare prima del ciclo o integrazioni tra bagno termostatico e macchine automatiche sulle quali questo accoppiamento è automatico. Nel caso di macchine automatiche i costi di produzione delle stesse aumentano per adattarle meccanicamente alle geometrie del bagno in commercio mentre nel caso di attrezzature manuali si aggiungono pericolosità di scottature entrando a contatto con il liquido in temperatura e tempi lunghi di posizionamento delle attrezzature con possibili incertezze o imprecisioni nel posizionamento.
3) Guasti o manutenzioni frequenti al sistema di raffreddamento
I sistemi di raffreddamento di questi bagni sono generalmente costituiti da speciali sistemi di refrigerazione simili a quelli dei chiller ma adatti a temperature di lavoro decisamente più estese. Questi sistemi fondamentalmente ideati per i laboratori, almeno per alcune marche di bagni termostatici, si sono rivelati fragili ad un uso continuo e con cicli di temperatura diversi tra loro. Il tentativo di utilizzare macchine da laboratorio per andare incontro alla necessità di avere macchine fisicamente piccole e mantenere un assetto economico basso con temperature non estreme, ha evidenziato la necessità di una manutenzione maggiore con tempi di attesa di riparazione dei guasti, da parte dei fornitori dei bagni, troppo lunghi per le necessità dei nostri clienti.
Analisi delle necessità dei clienti
Modificando in positivo i problemi rilevati dai nostri clienti si evincono le seguenti necessità:
1) avere un sistema di pianificazione del ciclo di temperatura, impostazioni e parametri direttamente correlato al prodotto in produzione
2) avere un sistema di caricamento del prodotto sulla macchina di collaudo semplice, veloce e fisso o comunque da intercambiare e regolare solo una volta per ogni cambio del tipo di prodotto in produzione
3) avere una macchina che lavori in sicurezza con il personale di produzione malgrado le temperature del bagno siano, in fase di attesa dell’avvio del ciclo, spesso molto al di sopra delle temperature di sicurezza
4) avere un sistema di impostazione e raccolta dati che limiti al massimo gli errori umani e sia il più possibile univoco e intuitivo
5) avere un sistema in grado di coprire temperature da 20 a 150°C che non comportasse troppe manutenzioni ordinarie o peggio guasti e relative manutenzioni straordinarie, con un costo che sia giustificabile considerando un gradiente termico, sia di salita che di discesa della temperatura, intorno al massimo ai 2°C/min ma che permettesse un abbassamento di temperatura molto più veloce, non controllato, in caso di rientro veloce alla temperatura iniziale del ciclo.
È chiaro che chi ha bisogno di eseguire tanti tipi diversi di cicli di temperatura, acquisendo una o più caratteristiche del pezzo durante il ciclo, in un ambiente di produzione o di controllo qualità in produzione, ha bisogno di una macchina almeno semiautomatica con un’interfaccia utente che liberi il più possibile la produzione dalla possibilità di errori umani e con una affidabilità che duri il più possibile nel tempo permettendo di preventivare una manutenzione programmata minima.
Per venire incontro a queste esigenze BNC Automazione ha prodotto delle macchine che avessero un archivio di “ricette” che mettono insieme rampe di temperatura, tempi e acquisizioni e tutti i parametri richiesti dal cliente dedicati ad ogni codice prodotto da richiamare a inizio produzione (su alcune linee richiamate in automatico al momento della selezione del prodotto sulla macchina della linea di produzione direttamente dal database aziendale). Questa soluzione limita gli errori di immissione della “ricetta” in quanto il personale che introduce i valori è un personale qualificato ed esegue questa immissione una volta sola e anche per questo la può controllare attentamente.
Si è poi integrato il sistema a bagno termostatico con una macchina costruita ad-hoc intorno al bagno stesso che fornisse una attrezzatura di caricamento dei pezzi da provare semplice e veloce da sostituire al cambio del codice di produzione. Inoltre il sistema isola completamente l’operatore dal liquido del bagno durante le fasi di cambio prodotto, caricamento del prodotto e collaudo.
Il sistema genera un report che viene salvato direttamente sul sever del cliente (Industria 4.0).
Con queste soluzioni BNC Automazione ha così soddisfatto le prime 4 necessità.
Per la quinta ed ultima necessità individuata, in un momento di urgenza, un nostro cliente ha scelto di avere un bagno termostatico sostitutivo da scambiare con quello integrato nella macchina al momento del sopraggiungere di un guasto. Questa scelta è stata compiuta dal nostro cliente per semplificare e velocizzare il sistema in un momento appunto di urgenza, considerando anche che i tempi di approvvigionamento o riparazione dei componenti del bagno termostatico sono generalmente troppo lunghi per le necessità del cliente. Questa scelta comporta in realtà un costo manutentivo abbastanza importante anche se limita decisamente il fermo macchina ad un tempo evidentemente più accettabile per questo cliente. Il costo manutentivo non comprende solo la spesa iniziale di acquisto di un bagno termostatico in più ma comporta anche una spesa in manutenzione della macchina ogni volta che bisogna sostituire il bagno che, essendo integrato nella macchina stessa, necessita di diverse operazioni meccaniche prima di poter essere estratto, sostituito e reinstallato. C’è inoltre il costo della taratura della macchina da eseguire ad ogni sostituzione del bagno per certificare la correttezza di rilievo e impostazione della temperatura del bagno. In ultimo il costo della riparazione del bagno da parte del fornitore.
Soluzione per il sistema di termostatazione del bagno
La BNC Automazione per venire incontro alla quinta esigenza dei clienti ha poi ideato un sistema alternativo di gestione della temperatura efficace e veloce per la regolazione della temperatura del liquido durante i cicli.
Ricapitolando le caratteristiche relative all’ultima esigenza rilevata sono:
1) gradienti controllati di salita e discesa di temperatura intorno al massimo ai 2°C/min
2) range di temperatura dai 15 ai 150°C
3) velocità di abbattimento di temperatura in caso di rientro alla temperatura di inizio ciclo con gradiente non controllato
4) precisione nel gradiente termico di salita e discesa di temperatura
5) facile manutenibilità
6) minimizzazione della manutenzione ordinaria e straordinaria
Il problema maggiore in realtà sembra essere quello della necessaria manutenzione dovuta forse al fatto di usare un sistema già di per sé molto costoso ma ancora non sufficientemente robusto per essere usato in modo pesante. Un sistema più adeguato ad un uso molto più simile ad un uso industriale che ad un uso di laboratorio sarebbe stato quello di macchine più potenti e più grandi, molto più capaci, molto di più di quanto necessario in questo caso, e molto più costose e ingombranti. Inoltre queste macchine usano spesso il raffreddamento ad acqua (possibilità presente anche per i bagni termostatici) che però per i nostri clienti introduceva una serie di controlli, manutenzioni e sicurezze decisamente non graditi. Neanche l’uso di un chiller aggiuntivo esterno poteva sopperire a questa necessità in quanto i chiller hanno generalmente temperature di lavoro che non superano i 40-50°C a meno che non vengano anch’essi raffreddati ad acqua. In quest’ultimo caso comunque non superano generalmente i 90°C, temperatura non sufficiente a coprire il range di temperatura richiesto.
In commercio un sistema di termostatazione mediano tra i due sistemi, più adeguato alle esigenze di questi nostri clienti, che non utilizzasse acqua per il raffreddamento e che non fosse eccessivamente più performante, e quindi costoso, non è stato trovato.
La soluzione che propone BNC Automazione è quella di progettare un sistema di raffreddamento misto, controllato da un software ed un firmware creati ad-hoc, che gestisce tramite dispositivi commerciali alternativi e sufficientemente economici la progressione di raffreddamento. Un primo circuito raffreddato unicamente ad aria gestisce le temperature troppo alte per essere gestite dal chiller mentre un secondo circuito con chiller (anch’esso raffreddato ad aria), mediante scambiatore di calore, gestisce le temperature nel range di gestione del chiller. Il sistema gestisce e mischia in maniera automatica mediante valvole proporzionali e diversi PID, il liquido del circuito di raffreddamento ad aria e quello del chiller. In questo modo viene permesso l’uso del chiller, al quale si garantisce che il liquido in circolo verso di esso non superi mai la temperatura massima accettabile, e del raffreddamento ad aria che permette anche di compensare velocemente l’abbattimento di temperature alte dove il chiller può intervenire solo in minima parte. Il raffreddamento ad aria è anch’esso controllato in modo tale da permettere sia l’abbattimento veloce di temperature alte, senza controllo di gradiente termico, sia rampe di temperatura con un gradiente termico di raffreddamento controllato tra gli 0,3 e i 2 °C/min alle temperature dove il chiller non può essere efficiente.
I componenti del sistema vengono usati al di sotto delle loro potenzialità, anche per questo garantiscono una durata maggiore. Sono inoltre componenti commercialmente comuni, più economici e di facile reperimento.
Il risultato sarà quello di avere un sistema composto dalla sola vasca di un bagno, privo di un sistema di gestione proprietario, costruito in base alle dimensioni dei pezzi in prova e in base alle esigenze di spazio del cliente. Un bagno commerciale invece avrebbe avuto un sistema di gestione che avrebbe richiesto una comunicazione rigida studiata apposta sulla base di istruzioni proprietarie del fornitore e spesso non completamente adattabili alle esigenze del cliente. La gestione del liquido del bagno è stata pensata tutta demandata allo stesso sistema di controllo (PLC o PC a seconda delle esigenze del cliente) che tramite PID software gestisce l’interazione tra raffreddamento ad aria, raffreddamento tramite chiller e riscaldamento tramite resistenze ad immersione.
Il sistema di raffreddamento ad aria mediamente è in grado di avere da solo una efficienza di raffreddamento di circa 4°C/min con 20 litri di liquido in bagno termostatico (per tutte le temperature superiori a quella ambiente di almeno 20°C). Tale efficienza viene poi aumentata dal sistema di raffreddamento mediante chiller. Il sistema di riscaldamento è lievemente sovradimensionato soprattutto per permettere tempi stretti di raggiungimento di temperatura quando la macchina è stata appena accesa e il bagno si trova a temperatura ambiente.