Applicazione di tecniche di Reliability, Availability e Maintainability analysis in un’azienda produttrice di macchine automatiche. Il caso Ima S.p.A.

Il seguente lavoro di tesi è nato durante un’attività di stage della durata di 7 mesi svolto all’interno della divisione Tea&Coffe di IMA S.p.A., azienda leader mondiale nella produzione di macchine automatiche per il confezionamento di prodotti farmaceutici, cosmetici, alimentari, tè e caffè. Le attività svolte si collocano all’interno di un progetto avviato da IMA per promuovere il passaggio ad un modello di industria necessariamente più evoluta, facendo leva sull’attitudine ad integrare e sviluppare nuove conoscenze e nuove tecnologie interdisciplinari e, allo stesso tempo, di massimizzare la sinergia tra le dimensioni tecnica ed economica, comportando una reale riduzione di sprechi nella filiera produttiva, commerciale ed ambientale. I moderni impianti di produzione devono infatti affrontare una sfida che li vede alla continua ricerca della produttività, ovvero di una produzione che remuneri velocemente e con ampi margini gli investimenti effettuati, della qualità dei prodotti e dei processi di produzione, ovvero della garanzia di soddisfacimento delle aspettative espresse ed inespresse del cliente, e della sicurezza per la salvaguardia della collettività e dell’ambiente. L’obiettivo di questo elaborato è stato quello di effettuare lo studio affidabilistico di una macchina automatica per la produzione di bustine di tè al fine di poterne studiare il suo comportamento al guasto e di elaborare in un secondo momento le politiche manutentive ottimizzate che ne permettano una gestione più efficiente. In questo ambito la macchina è stata scomposta in gruppi e sono stati esaminati tutti i pezzi di ricambio che sono stati richiesti in un arco temporale di durata pari a dieci anni, il fine è quello di poter individuare ed effettuare un’analisi affidabilistica dei componenti critici per poi procedere, attraverso l’uso di piattaforme software quali Weibull++ e Blocksim, col modellarne le distribuzioni statistiche e simulare il funzionamento del sistema nel suo complesso.

Applicazione degli strumenti di lean production alla logistica di magazzino: il caso Ima Tea&Herbs

L'elaborato valuta i benefici per un'azienda derivanti dall'introduzione di una flotta di AMR, di tray di movimentazione e di un sistema di tracciamento degli utensili tramite RFID

digitalizzazione del flusso informativo a supporto della gestione dei ricambi - il caso IMA S.p.A.

Il presente elaborato propone un progetto di digitalizzazione e ottimizzazione del flusso informativo a supporto della gestione dei ricambi dell'azienda IMA S.P.A. In particolare, l'obiettivo principale è quello di rendere più efficiente e priva di sprechi la modalità di richiesta del prelievo dei componenti commerciali, che ad oggi risulta essere troppo fragile e onerosa. Essa infatti, viene eseguita attraverso la stampa di un buono di prelievo cartaceo, che costituisce il supporto all’informazione e l’input per dare il via all’attività di prelievo. La proposta sviluppata in questa tesi è quella di attuare un processo di dematerializzazione, eliminando il cartaceo a favore di una completa gestione dei dati a sistema. Per farlo è stata pensata una modifica al flusso attualmente esistente, attraverso l’implementazione di una nuova transazione sul software gestionale SAP, che consenta la creazione di una lista di ricambi da prelevare. Questa lista sarà il nuovo input necessario all’attivazione del picking nel magazzino centralizzato.

Ottimizzazione del processo di gestione delle modifiche della distinta base prodotto il caso IMA S.p.A.

A seguito di un’esigenza esplicitata della Divisione IMA Ilapak Lugano, il team del PaLM Entreprise ha creato il Modulo Segnalazione Modifiche (MSM) con lo scopo di standardizzare e strutturare il flusso informativo relativo alle modifiche della distinta base dagli uffici tecnici a quelli della logistica e produzione. La prima analisi effettuata è stata incentrata sulla situazione AS-IS e sul primo applicativo che utilizzava Ilapak Lugano, il Segnalazione Modifiche (SM). Dopo aver appreso il funzionamento del vecchio SM, sono emerse diverse criticità come la scarsa integrazione con la piattaforma PaLM e con gli altri sistemi che conducevano a problemi di trasmissione di informazione tra gli uffici e ad errori nel recupero delle modifiche corrette. Dopo differenti riunioni tra i due team sono state concordate le prime specifiche. Successivamente l’elaborato procede con un’analisi della situazione TO-BE, descrivendo le caratteristiche ed i vantaggi del MSM. Uno dei principali benefici è che il Modulo è perfettamente integrato all’interno del PaLM e con tutti i sistemi PDM e CAD. Tutto ciò permette di migliorare la comunicazione e la collaborazione tra i vari dipartimenti, in special modo tra gli uffici tecnici e la logistica e con i fornitori. La terza ed ultima analisi è, invece, una valutazione economica: vengono calcolati i costi della situazione AS-IS, quelli della TO-BE e, in seguito, viene fatta un’analisi costi/benefici, confrontando i due scenari. Attraverso l’implementazione del MSM, si ottengono i seguenti risultati: non solo si ottiene una riduzione dei costi, ma anche un risparmio importante di tempo per gli operatori. Ilapak Lugano è risultata essere la portavoce di un progetto che, in realtà, molte altre Divisioni IMA desiderano. Senza dubbio, il fine ultimo del progetto del MSM è quello di introdurlo in quante più Divisioni possibili, rendendolo un modulo indispensabile all’interno dell’azienda.

Applicazione ROS 2 di un robot antropomorfo in esecuzione su container VxWorks in architettura IMA

L’elaborato di tesi discute del progetto di integrazione tra ROS 2, framework open-source per lo sviluppo di applicazioni robotiche, e VxWorks, sistema operativo in tempo reale (RTOS), attraverso l’utilizzo di container OCI compliant su VxWorks. L’integrazione è stata svolta all’interno dello stack software di IMA (Industria Macchine Automatiche). Il progetto ha dunque integrato ROS 2 Humble e VxWorks 7 permettendo l’utilizzo di costrutti software di ROS 2 su dei container in esecuzione a livello User su VxWorks. Successivamente è stata creata una applicazione di pick and place con un robot antropomorfo (Universal Robots Ur5e) avvalendosi di ROS 2 Control, framework per l’introduzione e gestione di hardware e controllori, e MoveIt 2, framework per incorporare algoritmi di motion-planning, cinematica, controllo e navigazione. Una volta progettata l’applicazione, il sistema è stato integrato all’interno dell’architettura di controllo di IMA. L’architettura a container VxWorks di IMA è stata estesa per il caso ROS 2, la comunicazione tra campo e applicazione ROS 2 è passata tramite il master EtherCAT e il modulo WebServer presenti nell’architettura IMA. Una volta eseguito il container ROS 2 posizione e velocità dei servo motori sono stati inviati tramite al WebServer di IMA sfruttando la comunicazione VLAN interna. Una volta ricevuto il messaggio, il WebServer si è occupato di trasferirlo al master EtherCAT che in aggiunta si è occupato anche di ottenere le informazioni sullo stato attuale del robot. L’intero progetto è stato sviluppato in prima battuta in ambiente di simulazione per validarne l’architettura. Successivamente si è passati all’installazione in ambiente embedded grazie all’ausilio di IPC sui quali è stato testato l’effettivo funzionamento dell’integrazione all’interno dell’architettura IMA.

Studio, verifica ed ottimizzazione di una macchina automatica opercolatrice

“Perdita di fase tra il gruppo riempimento polvere/cronoidi con LVDT ed il gruppo piattello durante la fase di arresto a causa della mancanza imprevista di corrente elettrica”. La perdita della fase tra differenti gruppi può avvenire per due ragioni: 1) a causa della cedevolezza di alcuni elementi della catena cinematica 2) per problemi relativi al software che comanda gli assi elettronici e che è responsabile del movimento coordinato dei vari gruppi. La prima ipotesi è molto improbabile in macchine come l’ADAPTA, dove non sono presenti elementi cinematici con elevata cedevolezza (come ad esempio delle cinghie) essendo i movimenti guidati da camme scanalate (che, contrariamente, sono molto rigide) e/o da camme elettriche (motori Brushless). Il secondo caso invece avviene ogni volta che viene a mancare la corrente elettrica in maniera accidentale (ad esempio a causa di un black-out). La mancanza di energia elettrica impedisce al computer a bordo macchina di continuare a monitorare e controllare il funzionamento dei vari assi elettronici della macchina, che sono comandati da motori brushless, che quindi continuano per inerzia il loro moto fino a fermarsi. Siccome ogni gruppo ha un’inerzia e una velocità/accelerazione istantanea diversa e variabile in funzione della posizione assunta all’interno del proprio ciclo nel momento della mancanza di corrente elettrica, i tempi di arresto risultano differenti, e questo causa la perdita di fase. I gruppi riempimento polvere/cronoidi e spingitori fondelli presentano interferenza meccanica col gruppo piattello per una certa durata del suo ciclo; in questa fase gli elementi entrano nelle boccole porta fondelli delle slitte mobili del piattello. È l’unico caso in tutta la macchina in cui parti meccaniche di gruppi diversi, vanno a “intersecare” i propri spostamenti. La progettazione di macchine che presentano interferenze di questo genere è generalmente sconsigliabile poiché si potrebbe presentare il rischio di uno scontro nel caso avvenga una perdita di fase tra i gruppi. Si sono cercate diverse soluzioni mirate a evitare un urto, derivato dall’interferenza meccanica, in caso di black-out oppure di ridurre il più possibile i danni che questa casualità può portare alla macchina. Il gruppo piattello è definito master rispetto a tutti gli altri gruppi; ha un’inerzia molto piccola e questo fa si che, in caso di black-out, il suo arresto avvenga praticamente istantaneamente, al contrario di ciò che avviene per tutti gli altri gruppi slave dotati di inerzia maggiore. Siccome l’arresto del piattello è istantaneo, il pericolo per tastatori e punzoni sollevatori di urto può avvenire solamente per compenetrazione: se gli elementi sono già all’interno della boccola, e restando fermo il piattello, l’inerzia del gruppo che fa proseguire il moto per alcuni istanti non farebbe altro che portarli fuori dalla boccola, non provocando alcun danno. Non vi è perciò il pericolo di “taglio” di questi elementi da parte del piattello. Perciò l’unica possibilità è che il black-out avvenga in un istante del ciclo dove gli elementi si stanno muovendo per entrare nelle boccole mentre anche il piattello è in rotazione.

Ottimizzazione di un gruppo di una macchina automatica etichettatrice.

Progetto di tesi sviluppato in collaborazione con l'azienda GIMA TT S.r.l. di Ozzano dell'Emilia (gruppo IMA), focalizzato su un gruppo di una macchina automatica etichettatrice da essa prodotta, con l'obiettivo di ottenerne un incremento di produttività del 50%. Per il raggiungimento dell'obiettivo, ci si è concentrati sulla ricerca di soluzioni tecniche per la modifica e l'ottimizzazione del gruppo di applicazione del sigillo di stato ai pacchetti, al fine di ridurre sensibilmente la coppia massima e RMS rilevate sul motore.

Studio dell'energy saving negli impianti farmaceutici: soluzioni ottimali per il ricircolo dei fluidi di processo

Questa tesi si pone il problema di studiare lo stato dell’arte degli impianti di produzione farmaceutici e di formulare, in base ai risultati ottenuti, uno o più possibili ipotesi di recupero d’energia, con particolare attenzione ai fluidi termo-vettori: in altri termini, questa tesi si prefissa l’obiettivo di realizzare un sistema utile e concreto per recuperare parte dell’energia termica, che nell'attuale concezione dell’impianto e dei suoi macchinari andrebbe smaltita e persa nei fluidi in uscita dal processo, e convertirla in energia riutilizzabile. Come modello per lo studio del problema, si fa riferimento a un tipico layout di produzione del farmaco, progettato e dimensionato dalla ditta IMA S.p.A. , settore Active, il quale entra come “materiale grezzo” ed esce come prodotto finito. L’azienda concepisce e progetta tipicamente le sue macchine e, di conseguenza, i suoi impianti in base alla quantità di prodotto che mediamente ogni ciclo produttivo lavorerà: in parole povere, gli impianti della divisione Active di IMA S.p.A. sono dimensionati e suddivisi per “taglie”.

Modellazione elettromeccanica di una macchina automatica opercolatrice

Nella tesi si è studiata una macchina automatica per l'industria farmaceutica: l'Adapta 100, un'opercolatrice (macchina riempi-capsule) prodotta da IMA SpA. Gli scopi della tesi erano chiarire il flusso di potenza dei vari assi e valutare un possibile risparmio energetico. La macchina infatti ha diversi motori: uno, collegato all'asse master, che comanda i gruppi non rimovibili e gli altri che comandano i gruppi di dosaggio. Tali motori in generale, per qualche tratto del ciclo della macchina, potranno lavorare come generatori, anche considerando il solo funzionamento a regime: si avrà cioè, in qualche istante, che le forze esterne tendono ad accelerare il motore, che così assorbe energia meccanica e produce energia elettrica. Attualmente tale energia viene dissipata in apposite resistenze collegate ai motori; ci si è chiesti se non si potesse invece immagazzinare l'energia prodotta, ad esempio per usarla in caso di black-out, per frenare delicatamente la macchina senza che gli assi perdano la fase. Un'alternativa è quella di ridistribuire la potenza generata istante per istante collegando i motori a un comune bus DC. Prima però è necessario conoscere gli andamenti di coppia e velocità di ciascun motore: per questo ci si è ricondotti al modello della macchina a 1 gdl, riducendo tutte le coppie e le inerzie all'asse motore. Si sono studiati i due assi più importanti in termini di coppie e potenze di picco: questi sono l'asse master e l'asse di dosaggio della polvere farmaceutica. Il modello è stato concretamente implementato con degli script MATLAB. Il modello risulta flessibile, per considerare le varie modalità di funzionamento della macchina, e considera i principali termini di coppia, inclusi attriti (inseriti sotto forma di rendimenti) e forze esterne di lavorazione. Tra queste è particolarmente importante la forza di compattazione della polvere, che è stata modellata con la formula di Kawakita, nota dalla letteratura.

Analisi e applicazione dei processi di data mining al flusso informativo di sistemi real-time: Implementazione e analisi di un algoritmo autoadattivo per la ricerca di frequent patterns su macchine automatiche.

Analisi e applicazione dei processi di data mining al flusso informativo di sistemi real-time. Implementazione e analisi di un algoritmo autoadattivo per la ricerca di frequent patterns su macchine automatiche.

Analisi e applicazione dei processi di data mining al flusso informativo di sistemi real-time: Adattamento di un algoritmo di apprendimento automatico per la caratterizzazione e la ricerca di frequent patterns su macchine automatiche

La tesi da me svolta durante questi ultimi sei mesi è stata sviluppata presso i laboratori di ricerca di IMA S.p.a.. IMA (Industria Macchine Automatiche) è una azienda italiana che naque nel 1961 a Bologna ed oggi riveste il ruolo di leader mondiale nella produzione di macchine automatiche per il packaging di medicinali. Vorrei subito mettere in luce che in tale contesto applicativo l’utilizzo di algoritmi di data-mining risulta essere ostico a causa dei due ambienti in cui mi trovo. Il primo è quello delle macchine automatiche che operano con sistemi in tempo reale dato che non presentano a pieno le risorse di cui necessitano tali algoritmi. Il secondo è relativo alla produzione di farmaci in quanto vige una normativa internazionale molto restrittiva che impone il tracciamento di tutti gli eventi trascorsi durante l’impacchettamento ma che non permette la visione al mondo esterno di questi dati sensibili. Emerge immediatamente l’interesse nell’utilizzo di tali informazioni che potrebbero far affiorare degli eventi riconducibili a un problema della macchina o a un qualche tipo di errore al fine di migliorare l’efficacia e l’efficienza dei prodotti IMA. Lo sforzo maggiore per riuscire ad ideare una strategia applicativa è stata nella comprensione ed interpretazione dei messaggi relativi agli aspetti software. Essendo i dati molti, chiusi, e le macchine con scarse risorse per poter applicare a dovere gli algoritmi di data mining ho provveduto ad adottare diversi approcci in diversi contesti applicativi: • Sistema di identificazione automatica di errore al fine di aumentare di diminuire i tempi di correzione di essi. • Modifica di un algoritmo di letteratura per la caratterizzazione della macchina. La trattazione è così strutturata: • Capitolo 1: descrive la macchina automatica IMA Adapta della quale ci sono stati forniti i vari file di log. Essendo lei l’oggetto di analisi per questo lavoro verranno anche riportati quali sono i flussi di informazioni che essa genera. • Capitolo 2: verranno riportati degli screenshoot dei dati in mio possesso al fine di, tramite un’analisi esplorativa, interpretarli e produrre una formulazione di idee/proposte applicabili agli algoritmi di Machine Learning noti in letteratura. • Capitolo 3 (identificazione di errore): in questo capitolo vengono riportati i contesti applicativi da me progettati al fine di implementare una infrastruttura che possa soddisfare il requisito, titolo di questo capitolo. • Capitolo 4 (caratterizzazione della macchina): definirò l’algoritmo utilizzato, FP-Growth, e mostrerò le modifiche effettuate al fine di poterlo impiegare all’interno di macchine automatiche rispettando i limiti stringenti di: tempo di cpu, memoria, operazioni di I/O e soprattutto la non possibilità di aver a disposizione l’intero dataset ma solamente delle sottoporzioni. Inoltre verranno generati dei DataSet per il testing di dell’algoritmo FP-Growth modificato.

Ottimizzazione topologica di componenti per macchina automatica da produrre mediante manifattura additiva

L'azienda IMA S.p.a., leader nel settore delle macchine automatiche per il packging, intende approfondire la conoscenza sui processi di manifattura additiva con l'obiettivo futuro di riuscire a realizzare il 5% di componenti che compongono le macchine della gamma dell'azienda mediante l'utilizzo di queste nuove tecnologie. Il raggiungimento di tale obiettivo comporta un radicale cambio di mentalità rispetto al passato e la creazione di nuove figure professionali e procedure di progettazione dei componenti totalmente nuove ed innovative. In questo contesto, vengono in aiuto i metodi numerici di ottimizzazione topologica. Noti carichi, vincoli, materiali e geometria d'ingombro del particolare, questi metodi vanno a determinare l'ottimale distribuzione del materiale per ottenere un incremento delle prestazioni del componente, andando a collocare il materiale solo in corrispondenza delle zone dove è strettamente necessario. L'ottimizzazione topologica strutturale, ottenimento della massima rigidezza specifica, è stato proprio l'argomento di questo elaborato. E' stato impiegato il software COMSOL Multiphysics 5.2 per implementare il problema di ottimizzazione. Inizialmente abbiamo affrontato problemi semplici, i cui risultati sono reperibili in letteratura. Dopo aver validato la correttezza della nostra implementazione, abbiamo infine esteso il problema a un caso di studio di un componente di una macchina IMA. Il caso di studio riguardava un componente che esegue l'estrazione della fustella piana dal magazzino in cui l'intero pacco fustelle viene riposto dall'operatore. I risultati ottenuti su questo componente sono stati positivi ottenendo un miglioramento della rigidezza specifica di quest'ultimo. L'obiettivo primario dell'elaborato è stato quello di realizzare una panoramica dei metodi di ottimizzazione topologica e riuscire ad applicare questi ad un caso concreto per valutare se tale tipo di progettazione potesse essere adeguato alle esigenze di IMA. L'obiettivo è stato largamente raggiunto.

Le Facce del Coating

Studio degli elementi frontali, posteriori e di collegamento di una macchina per il coating continuo di prodotti farmaceutici.

Acquisition of Vibration Signals for Predictive Maintenance: a Practical Case

As predictive maintenance becomes more and more relevant in industrial environment, the possible range of applications for this maintenance strategy grows. The progresses in components technology and their reduction in price, together with the late years' advances in machine learning and in computational power, are making the implementation of predictive maintenance possible in plants where it would have previously been unreasonably costly. This is leading major pharmaceutical industries to explore the possibility of the application of condition monitoring systems on progressively less and less critical equipment. The focus of this thesis is on the implementation of a system to gather vibrational data from the motors installed in a pre-existing machine using off-the-shelf components. The final goal for the system is to provide the necessary vibration data, in the form of frequency spectra, to a machine learning system developed by IMA Digital, which will be leveraging such data to predict possible upcoming faults and to give the final client all the information necessary to plan maintenance activity according to the estimated machine condition.

Analisi sperimentale e riprogettazione di un sistema di pesatura IPC per il controllo di qualità

Il presente elaborato descrive il percorso effettuato sulla macchina XTREMA, prodotta dalla divisione Life del gruppo IMA. Il progetto ha come fine il miglioramento delle prestazioni della macchina, quantificate principalmente in termini di accuratezza del prodotto dosato e di prodotti processati in un arco di tempo. Il Capitolo 1 fornisce un iniziale studio delle caratteristiche e del funzionamento della macchina, con successiva focalizzazione sul sistema di controllo peso. Con l’obiettivo di definire le prestazioni del sistema di controllo peso, nel Capitolo 2 è impostata una campagna sperimentale di test che permette di studiare lo stato attuale del sistema, identificando l’influenza dei vari parametri di funzionamento sulle perfomances, portando alla luce le criticità della macchina. Viene quindi analizzato il gruppo, individuando le cause delle problematiche e identificando su quali campi agire per incrementare velocità di funzionamento e accuratezza del sistema. All’interno del Capitolo 3 entrambi i componenti del sistema di controllo peso, discensore e gruppo di bilance, sono quindi riprogettati per risolvere le criticità rilevate. Nel Capitolo 4 viene affrontato il montaggio del prototipo in una macchina dedicata alle prove, dove viene impostata una nuova campagna di test con l’obiettivo collaudare il sistema e validarne le prestazioni. Confrontando le prove si dimostrerà che il nuovo prototipo, oltre ad aumentare il numero di flaconi pesati al minuto, permette di risolvere le problematiche del precedente sistema, consentendo di ottenere un’accuratezza del controllo peso superiore a quanto riscontrato nella campagna iniziale di prove svolta inizialmente.