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 sistema di tracciabilità a supporto della reliability system engineering per un produttore di beni strumentali: il caso Sacmi

Questa tesi di laurea è stata redatta presso l’azienda Sacmi Imola S.C. ed in particolare all’interno della divisione Closures, che si occupa della progettazione e della realizzazione di linee per la produzione di varie tipologie di capsule. Lo scopo dell’elaborato è descrivere lo sviluppo di un sistema di tracciabilità di prodotto; sistemi di questo tipo, adottati inizialmente nel settore alimentare, stanno acquisendo sempre maggiore importanza anche in altri campi produttivi, poiché rivestono un ruolo strategico al fine della realizzazione di prodotti caratterizzati da livelli elevati di performance e di qualità, capaci di emergere nel mercato moderno caratterizzato da una concorrenza estesa a livello mondiale e molto attento alle esigenze dei clienti. Nel caso specifico di Sacmi il sistema di tracciabilità si rivolge ad una pressa, la CCM (Continuous Compression Moulder), realizzata dall’azienda per la produzione di capsule in materiale termoplastico tramite la tecnologia dello stampaggio a compressione. In particolare il sistema si concentra sugli stampi della macchina CCM, i quali ne rappresentano gli elementi critici dal punto di vista sia tecnico che economico. A livello generale, un sistema di tracciabilità è costituito da due componenti fondamentali: il primo è un sistema di identificazione che permetta di rendere distinguibili ed individuabili le unità da tracciare, mentre il secondo è un sistema di raccolta dati in grado di raccogliere le informazioni desiderate. Queste sono poi archiviate in un apposito database ed attribuite alle entità corrispondenti sfruttando le proprietà del sistema di identificazione. Il primo passo da compiere quando si intende sviluppare un sistema di tracciabilità all’interno di un contesto produttivo già consolidato è la ricostruzione del processo produttivo presente in azienda: si tratta di individuare tutti gli enti aziendali che concorrono al processo e che saranno interessati dall’introduzione del nuovo sistema. Una volta definiti gli attori, è necessario anche capire come questi siano collegati dai flussi di materiale e di informazioni. Il processo produttivo di Sacmi era caratterizzato dalla quasi totale assenza di un flusso strutturato di informazioni a supporto di quello di materiale, ed il sistema di tracciabilità ha provveduto a colmare proprio questa mancanza. Il sistema deve essere in grado di integrarsi perfettamente nel contesto produttivo aziendale: è necessario trovare il giusto compromesso per quanto riguarda la quantità di informazioni da raccogliere, che devono garantire una corretta copertura di tutto il processo senza però appesantirlo eccessivamente. E’ bene che la raccolta dati sia basata su procedure standard che assicurino la ripetibilità delle operazioni di prelievo delle informazioni. Come è logico immaginarsi, l’introduzione di numerose novità nell’ambito di un contesto già strutturato ha fatto emergere un certo numero di problematiche, come ad esempio difficoltà nello stoccaggio e ritardi di produzione; queste devono essere risolte chiedendo uno sforzo aggiuntivo agli enti interessati o, nel medio/lungo periodo, evolvendo ed affinando il sistema con soluzioni più snelle.

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.

Ottimizzazione del processo di sintesi di microcapsule melammina-formaldeide

Lo scopo di questo elaborato di tesi è sintetizzare microcapsule di dimensioni non superiori ai 20 micron, contenenti un composto termocromico in modo da funzionare come indicatori di temperatura. Le capsule devono essere quindi in grado di variare la propria colorazione in funzione della temperatura del mezzo in cui sono disperse o dell’ambiente circostante, senza degradarsi. Il core è costituito da una miscela contenente un pigmento termocromico il cui colore varia da verde intenso se mantenuto a temperature ambiente, fino ad un verde pallido, quasi bianco, per temperature inferiori ai 10°C. Il core è stato quindi incapsulato in uno shell, costituito da una resina melammina-formaldeide (MF) mediante polimerizzazione in situ. Questo processo prevede la sintesi di un prepolimero MF che viene poi fatto reticolare in presenza di una emulsione del core in soluzione acquosa. Per prima cosa è stato ottimizzata la sintesi del prepolimero a partire da una soluzione acquosa di melammina e formaldeide. Vista la tossicità della formaldeide (H341-H350-H370) è stata studiata anche la possibilità di sostituire questo reagente con la sua forma polimerica (paraformaldeide) che a 45°C circa degrada rilasciando formaldeide in situ. In questo modo il processo risulta molto più sicuro anche in previsione di un suo possibile sviluppo industriale. In seguito è stato ottimizzato il processo di microincapsulazione in emulsione su vari tipi di core e studiando l’effetto di vari parametri (pH, temperatura, rapporto core/shell, tipo di emulsionante ecc.), sulle dimensioni e la stabilità delle microcapsule finali. Queste sono quindi state caratterizzate mediante spettrometria Infrarossa in trasformata di Fourier (FT-IR) e la loro stabilità termica è stata controllata tramite analisi TermoGravimetrica (TGA). Il processo di reticolazione (curing) della resina, invece, è stato studiato tramite Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC). Le microcapsule sono inoltre state analizzate tramite Microscopio Elettronico (OM) e Microscopio Elettronico a Scansione (SEM).

Deep Learning Architectures for time of arrival detection in Acoustic Emissions Monitoring

Acoustic Emission (AE) monitoring can be used to detect the presence of damage as well as determine its location in Structural Health Monitoring (SHM) applications. Information on the time difference of the signal generated by the damage event arriving at different sensors is essential in performing localization. This makes the time of arrival (ToA) an important piece of information to retrieve from the AE signal. Generally, this is determined using statistical methods such as the Akaike Information Criterion (AIC) which is particularly prone to errors in the presence of noise. And given that the structures of interest are surrounded with harsh environments, a way to accurately estimate the arrival time in such noisy scenarios is of particular interest. In this work, two new methods are presented to estimate the arrival times of AE signals which are based on Machine Learning. Inspired by great results in the field, two models are presented which are Deep Learning models - a subset of machine learning. They are based on Convolutional Neural Network (CNN) and Capsule Neural Network (CapsNet). The primary advantage of such models is that they do not require the user to pre-define selected features but only require raw data to be given and the models establish non-linear relationships between the inputs and outputs. The performance of the models is evaluated using AE signals generated by a custom ray-tracing algorithm by propagating them on an aluminium plate and compared to AIC. It was found that the relative error in estimation on the test set was < 5% for the models compared to around 45% of AIC. The testing process was further continued by preparing an experimental setup and acquiring real AE signals to test on. Similar performances were observed where the two models not only outperform AIC by more than a magnitude in their average errors but also they were shown to be a lot more robust as compared to AIC which fails in the presence of noise.

Manutenzione su condizione e analisi dei ricambi per macchine automatiche nell’ottica industria 4.0. Il caso SACMI S.C.

In questo elaborato di tesi si affronta uno studio inerente alla Manutenzione su Condizione (CBM), applicata ad una macchina automatica adibita alla produzione di capsule in plastica, in collaborazione con il gruppo SACMI S.C. di Imola. Nel Capitolo 1 viene fornita una introduzione sul tema della manutenzione e sulla sua evoluzione dalla prima rivoluzione industriale ad oggi. Nel Capitolo 2 vengono descritti i principi teorici della manutenzione predittiva e se ne analizza lo stato dell’arte. Nel Capitolo 3 viene fornita una introduzione sull’azienda SACMI S.C. e in seguito vengono descritte nel dettaglio le macchine sulle quali si sono concentrate le successive analisi. Nel Capitolo 4 viene approfondito l’estrusore, uno dei componenti principali delle macchine analizzate. Nel Capitolo 5 viene presentato un esempio di valutazione dell’efficienza di alcune macchine collegate in serie attraverso il calcolo di un indicatore chiamato Overall Equipment Effectiveness (OEE). Il Capitolo 6 rappresenta il cuore della tesi e contiene tutte le analisi di CBM effettuate durante il periodo di tirocinio. Vengono analizzati i principali gruppi funzionali della macchina a partire da quelli più critici per tempi o costi di manutenzione. Le analisi sono state condotte ricercando all’interno di tutto il parco macchine quelle che presentavano delle condizioni di funzionamento sospette. Nel Capitolo 7 vengono presentate alcune analisi relative ai tempi di fermo macchina dovuti alle manutenzioni preventive e ai costi dei ricambi previsti dal manuale di manutenzione. Queste analisi vengono poi declinate su un caso reale nel quale si calcola il costo dei ricambi negli ultimi cinque anni distinguendo tra costi dovuti ad azioni preventive o correttive. Nel Capitolo 8 vengono presentate le conclusioni, mentre nel Capitolo 9 sono presentati gli sviluppi futuri di questo lavoro.

Spiro Inalatore tascabile con camera di espansione incorporata

Spiro è un inalatore ibrido che semplifica e migliora la fruizione e il mantenimento della terapia inalatoria nei pazienti asmatici mediante l’integrazione di una camera di espansione. Nasce da un brief aziendale legato allo studio del generico settore capsule in ambito packaging, ma si sviluppa per inaspettate vie biomedicali sfruttando un’opportunità di progetto emersa dall’analisi dati del contesto pharma e dalle caratteristiche di utilizzo delle capsule. Spiro non è soltanto un piacevole prodotto di design, ma è un cambiamento radicale nella percezione di un dispositivo medico.