La produzione di auto elettriche richiede disponibilità a gestire la varietà e la complessità. Le tecnologie digitali per l’automotive e l’automazione avanzata abilitano le aziende a trovare la necessaria flessibilità e a rispondere adeguatamente alle richieste di un mercato in crescita
di Mario Gargantini
Un rapido sguardo al mondo dell’automotive consente di affermare che gli EPV (Electrified Powertrain Vehicles, cioè le auto a powertrain elettrificato) sono usciti da una fase introduttiva e che sono ormai entrati nella fase di pieno sviluppo, presentandosi di fatto come una alternativa alla pari con i powertrain tradizionali. Quando si parla di EPV ci si riferisce a un insieme di tipologie di motorizzazione degli autoveicoli che comprende le auto elettriche pure (BEV, Battery Electric Vehicles), le auto ibride non ricaricabili (HEV, Hybrid Electric Vehicles), le auto ibride ricaricabili (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicles) e anche le vetture alimentate a idrogeno (FCV, Fuel Cell Vehicles). Da alcuni anni si registra in Europa una crescita significativa degli EPV anche se non in modo uniforme tra i vari Paesi e tra i diversi tipi di powertrain; lo segnalano gli Osservatori sulla componentistica automotive italiana realizzati da ANFIA, Associazione Nazionale Filiera Industria Automobilistica, notando inoltre come alla maggiore diffusione degli EPV in Europa e in Italia faccia riscontro un crescente coinvolgimento della filiera automotive nazionale in questo tipo di tecnologia: già l’Osservatorio 2020 riportava che quasi il 30% delle aziende intervistate dichiarava che la propria attività era principalmente posizionata su powertrain elettrificati. Ancor più significativo è quanto indicato nel Rapporto 2021: “Gli effetti della pandemia sul mercato europeo, l’evoluzione di alcuni fattori strutturali, uniti a una pioggia di incentivi che per intensità e diffusione non ha precedenti, hanno spinto le auto elettriche ed ibride a quote di mercato record: oltre un terzo delle autovetture immatricolate nel primo semestre del 2021 in Europa1 era un EPV. Ancor più significativo è il fatto che in un mercato europeo che nell’anno della pandemia è calato del 24%, le vendite di auto elettrificate siano cresciute dell’85% (più 122% nel primo semestre 2021 rispetto allo stesso periodo dell’anno precedente)”.
Gestire la varietà
A fronte di questi trend, si deve peraltro osservare che le tecnologie di prodotto (del powertrain, ma non solo) sono ancora in una fase di relativa fluidità e vale la pena approfondire gli scenari tecnologici nei quali si inquadra questo sviluppo della mobilità elettrica per poi tratteggiare il nuovo volto dell’industria automotive e capire quali possono essere le tecnologie abilitanti che determineranno la produzione del futuro. Può essere utile a tal fine seguire l’analisi e le indicazioni contenute nel Rapporto Flexing for the Future – Global vehicle production forecast by powertrain to 2035, realizzato in collaborazione tra Automotive Manufacturing Solutions (AMS) e ABB Robotics & Discrete Automation.
La citata varietà nel mix dei powertrain e quella delle tariffe nell’elettrificazione hanno forti implicazioni nei sistemi e nella gestione della produzione, portando verso livelli più elevati di flessibilità, controllo qualità e collaborazione. Anche se le piattaforme per i veicoli puramente elettrici in genere richiedono meno componenti e consentono una maggiore standardizzazione, i maggiori volumi di produzione nei prossimi anni richiederanno adeguate piattaforme per ospitare le produzioni di EPV.
L’elettrificazione comporta anche nuovi parametri per materiali, per le custodie delle batterie e per l’elettronica. “In molti casi gli stessi OEM produrranno più motorizzazioni sulla stessa linea di produzione, aumentando la complessità nei tempi di fornitura, programmazione e ciclo; per gestire tale complessità, OEM e fornitori stanno accelerando l’implementazione della digitalizzazione, dell’automazione e della connettività tra le fabbriche. Si stanno orientando, in particolare, verso tecnologie di automazione più flessibili, come i robot autonomi (AMR) e collaborativi (Cobot): ciò offre l’opportunità di spostare i processi di assemblaggio dalla produzione lineare a una più modulare, combinando anche un mix di compiti umani e robotici”.
Alta velocità, connettività Internet e Edge Computing – in particolare attraverso reti 5G – saranno essenziale per l’attuazione di processi più autonomi nella produzione e la logistica. I produttori stanno anche aumentando la connettività tra strutture e apparecchiature nel cloud, sfruttando i Data Analytics, il Machine Learning e i Digital Twins per ridurre i tempi di fermo macchina e fare manutenzione predittiva.
L’aumento della variabilità della produzione e la sua gestione saranno quindi un fattore chiave per gli investimenti in automazione e per determinare modifiche dei processi produttivi, con ruoli sempre più centrali per tecnologia e i partner di robotica.
Tecnologie abilitanti per produzioni flessibili
La produzione di motori elettrici richiede tecnologie e processi diversi rispetto a quella dei tradizionali propulsori a combustione interna. Gli OEM hanno investito, ad esempio, nella produzione di batterie elettriche, anche attraverso accordi con produttori di batterie o con acquisizioni e operazioni di integrazione verticale negli impianti di produzione esistenti.
Una delle tecnologie più significative per supportare la necessaria flessibilità è quella che consente una autonomia nella logistica e nella movimentazione dei materiali negli stabilimenti. Molti OEM stanno integrando i già menzionati AMR che permettono di spostare i materiali in modo flessibile. Nel Rapporto ABB, Joerg Reger di ABB Robotics osserva che questo sviluppo ha poco a che fare specificamente con i veicoli elettrici ma supporta un più personalizzato approccio alla produzione dei veicoli stessi. “Come consumatori stiamo arrivando al punto in cui possiamo specificare e ordinare un prodotto da casa: fai clic e il tuo ordine viene eseguito in una fabbrica altamente flessibile che è in grado di fabbricare prodotti in lotti di dimensioni molto ridotte. Riteniamo che gli AMR e la logistica intelligente faranno da super driver per la fabbrica automotive del futuro”.
Secondo ABB, i cobot sono progettati in modo che i clienti non debbano ricorrere a specialisti di programmazione interni e che quindi anche organizzazioni che hanno storicamente bassi livelli di automazione saranno in grado di far funzionare il loro cobot in pochi minuti dall’installazione; l’obiettivo è rendere i robot più facili da usare, non solo per i grandi OEM ma anche per fornitori più piccoli. “Il punto critico per produttori e specialisti dell’automazione è che questo non potrà essere un cambiamento semplicemente sulla robotica ma dipenderà molto dalla disponibilità di soluzioni di automazione complete, concepite considerando il processo di fabbricazione nella sua globalità. Solo con questo approccio olistico gli OEM ei fornitori saranno in grado di sviluppare quella produzione che offre la flessibilità di cui i clienti hanno bisogno”.
Un’altra condizione essenziale per abilitare la produzione flessibile è la connettività di rete unitamente all’Internet ad alta velocità. Produttori come Volkswagen, BMW e Ford stanno sperimentando in locale reti 5G per abilitare, ad esempio, l’high data Edge Computing; la connettività sarà essenziale anche per aumentare l’uso di AMR e per la robotica intelligente, come pure per tracciare apparecchiature e processi in aree quali il controllo qualità. È noto che i componenti dei veicoli elettrici non possono essere rilavorati come gli equivalenti tradizionali e quindi gli OEM si affidano ai dati in tempo reale per monitorare i cambiamenti. Allo stesso modo con i pacchi batteria, i produttori devono verificare l’integrità delle connessioni e dei fissaggi, l’installazione dei materiali per la gestione termica, i sistemi di controllo e monitoraggio e la sigillatura del vano batteria. Il tracciamento dei processi di produzione con questo livello di analisi non è un compito semplice: richiede di poter raccogliere dati da ogni azione e da ogni sensore sulla linea di produzione, e anche di considerare i fattori ambientali.
Risulta perciò fondamentale la tecnologia dei Big Data, che le grandi aziende tendono ad introdurre gradualmente, iniziando da progetti pilota relativamente limitati: come ha fatto Volkswagen con lo stabilimento Transparent Factory di Dresda, il primo a produrre solo veicoli elettrici; o anche Ford col progetto E:Prime per il quale ha costruito una struttura pilota presso il suo campus di ricerca e sviluppo a Dunton, fuori Londra, che produce statori, rotori e array di batterie.
Il ruolo del software
Proprio come i veicoli, anche lo sviluppo futuro della fabbrica sarà definito dal software. La pandemia ha illustrato l’importanza vitale della visibilità delle operazioni di produzione per quanto riguarda le carenze di forniture e le possibili interruzioni. La capacità dei produttori di visualizzare i sistemi di produzione e identificare i potenziali problemi in anticipo sarà una questione di sopravvivenza aziendale. Un “gemello digitale” delle operazioni dell’impianto, ad esempio, consente ad OEM e fornitori di esaminare gli effetti di qualsiasi cambiamento nello spazio virtuale, prima che venga implementato, aiutandoli a ottimizzare i prodotti e ad accelerare lo sviluppo dei processi, il che può ridurre drasticamente il time-to-market per un nuovo prodotto. Con i progressi nella connettività, nelle comunicazioni 5G, nella gestione dati, nei Data Analytics e nell’Artificial Intelligence, diventa possibile un approccio più predittivo alla produzione, utilizzando il Machine Learning e la manutenzione predittiva per prevenire potenziali interruzioni. Nelle linee di assemblaggio definita dal software, i produttori sfrutteranno il potenziale di raccolta e analisi dei dati, anche da microservizi e applicazioni. Tali App devono integrarsi nel software esistente, nei sistemi legacy e di altri fornitori, il che può risultare problematico senza standard comuni o anche quando le App si aggiornano su scale temporali diverse. In risposta, i produttori stanno sviluppando piattaforme più aperte, come con i fornitori di servizi cloud che i fornitori possono utilizzare con standard comuni aperti.
“Tuttavia, è necessario trovare un equilibrio. Da un lato, qualsiasi piattaforma comune deve essere personalizzabile per soddisfare le esigenze specifiche di un particolare impianto; dall’altro, deve essere abbastanza generica per consentire a nuove App e sistemi di integrarsi rapidamente e senza soluzione di continuità”.
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