Sicurezza CNC tramite Digital Twin

Due studenti di master della KU Leuven hanno sviluppato un sistema anticollisione in tempo reale per macchine CNC come parte del loro lavoro di tesi. Questa soluzione promettente utilizza un digital twin per prevedere e prevenire automaticamente le collisioni delle macchine durante la produzione, con un impatto diretto sul controllo dei costi, sulla sicurezza e sulla continuità della produzione.

ASCO è un nome affermato nel settore aerospaziale internazionale dal 1954. L'azienda belga fa parte del Montana Aerospace Group dal 2022, che impiega circa 6.000 persone in tutto il mondo. Con circa 1.100 dipendenti in Belgio in quattro siti, inclusa la sede centrale a Zaventem, ASCO sviluppa e produce componenti meccanici complessi per ali e carrelli di atterraggio degli aeromobili. Questi componenti sono prodotti su macchine CNC all'avanguardia controllate dalla tecnologia Siemens, dove precisione e affidabilità sono fondamentali.

Collisioni: una realtà industriale

Nella produzione aerospaziale, i programmi NC vengono regolarmente simulati in un digital twin prima di essere trasferiti dal CAM alla macchina. Eppure il rischio di collisioni rimane. Le variazioni nella lunghezza dell'utensile, le deviazioni nei punti zero del pezzo o gli errori umani durante l'immissione possono causare arresti anomali durante la lavorazione. Le conseguenze sono significative, con potenziali danni alla macchina, al pezzo o ai programmi di produzione che possono comportare costi che possono raggiungere decine di migliaia di euro.

«Gli errori umani sono inevitabili in un ambiente di produzione complesso», afferma Mohamed El Hatri, Senior Lead Engineer presso ASCO. «Una lunghezza dell'utensile inserita in modo errato o un funzionamento manuale tramite la modalità jog possono essere sufficienti a causare un grave incidente. Abbiamo quindi cercato un modo per gestire attivamente tale rischio, non solo prima, ma anche durante il processo di lavorazione stesso. Nella produzione aerospaziale, lavoriamo con macchine CNC estremamente costose e complesse. Un mandrino da solo in una macchina CNC di questo tipo può costare più di 100.000 euro. Nonostante le numerose simulazioni precedenti, le collisioni rimangono possibili a causa di lievi variazioni o errori umani. Volevamo non solo limitare tale rischio, ma controllarlo attivamente durante il processo di lavorazione stesso».

Due secondi avanti

Questa sfida concreta è diventata il punto di partenza per una collaborazione tra Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy e ASCO, con due studenti del master della KU Leuven che hanno sviluppato una soluzione innovativa. Il progetto, che si è svolto da ottobre 2023 fino alla fine dell'anno accademico 2024-2025, si è concentrato sullo sviluppo di un sistema che simula il processo di lavorazione in tempo reale con due secondi di anticipo. Innanzitutto, è stato creato un digital twin della macchina utilizzando Siemens NX CAM e NX MCD, che comunicano continuamente con il controller della macchina Siemens 840D sl. Se il sistema rileva una potenziale collisione, invia automaticamente un segnale di arresto alla macchina, più velocemente di quanto qualsiasi operatore possa mai intervenire. Il processo è stato testato anche con SinuTrain, il pacchetto software Siemens per la programmazione, la progettazione e la simulazione CNC. Questo approccio alla fine si è rivelato il più efficiente.

La scelta della regola dei due secondi è intenzionale. È responsabile sia del tempo di reazione estremamente rapido del controller Siemens che del fattore umano. Se è presente un operatore, l'immagine simulata si allinea strettamente con lo stato effettivo della macchina nel momento in cui sposta la sua attenzione dallo schermo all'installazione fisica. Allo stesso tempo, il sistema fornisce un livello di sicurezza cruciale per le macchine senza pilota che funzionano autonomamente o durante la notte.

Sebbene il sistema anticollisione non sia ancora operativo in produzione oggi, ASCO vede chiare opportunità future. La soluzione affronta un problema diffuso nel settore aerospaziale, dove molte macchine non sono di ultima generazione e dove i danni da collisione hanno un impatto significativo.

Combinazione di tecnologie

Per lo sviluppo, gli studenti hanno utilizzato un ampio stack software Siemens, tra cui NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain e il gateway Brown Field Connector, che consente l'integrazione di macchine più vecchie. «La forza, e anche la sfida, di questo progetto risiedeva nella possibile combinazione di queste tecnologie Siemens», afferma Jan Vereecke, Service Operations Team Leader MC MTS di Siemens. «Collegando direttamente NX CAM/Sinutrain, il digital twin e il controller 840D sl, siamo stati in grado di simulare il processo di lavorazione in tempo reale. Ciò significa che il digital twin funziona non solo come strumento di progettazione, ma anche come livello di sicurezza attivo durante la produzione. È stato proprio questo approccio innovativo a rendere il progetto particolarmente impegnativo e, allo stesso tempo, molto rilevante per gli studenti: hanno lavorato con tecnologie all'avanguardia e hanno visto come la sua combinazione può risolvere un problema industriale concreto».

Co-creazione all'interno della Siemens Industry Academy

Il progetto è perfettamente in linea con la filosofia della Siemens Industry Academy, che enfatizza la co-creazione attorno a sfide industriali reali. Gli studenti hanno l'opportunità di lavorare in un contesto professionale, guidati sia da esperti accademici che da ingegneri del settore. Per ASCO, il valore aggiunto andava oltre il risultato puramente tecnico. L'iniziativa ha fornito lo spazio per esplorare e valutare tecnologie innovative senza influire sulla produzione in corso, acquisendo allo stesso tempo preziose conoscenze interne.

«Questo progetto dimostra perfettamente come la nostra collaborazione con Siemens e il mondo accademico ci aiuti a guardare al futuro», afferma Mohamed El Hatri. «Gli studenti offrono una nuova prospettiva, noi portiamo esperienza industriale e, all'interno della Siemens Industry Academy, possiamo esplorare idee innovative senza influire sulla nostra produzione in corso. Sviluppando insieme una prima dimostrazione del concetto, acquisiamo conoscenze, acquisiamo informazioni sulle nuove tecnologie e possiamo affrontare l'innovazione in modo graduale e ponderato. Questa collaborazione conferma come i partner industriali, educativi e tecnologici si rafforzino a vicenda e insieme costruiscano una produzione più sicura e intelligente nel settore aerospaziale».

Per gli studenti stessi, il progetto è stato altrettanto prezioso. «Abbiamo lavorato con lo stesso software e le stesse condizioni di un ambiente industriale reale. Ciò ha reso il progetto tecnicamente impegnativo, ma anche particolarmente educativo. La guida di ASCO e Siemens ci ha fatto sì che dovessimo pensare costantemente a ciò che è fattibile e pertinente nella pratica», conclude lo studente di master Rohan Vits.