Il colore assume una funzione precisa nella fabbrica Subaru
Subaru of Indiana Automotive (SIA) ha introdotto nello stabilimento statunitense di Lafayette una serie di utensili, dime e attrezzature stampati in 3D con Onyx GF, il nylon caricato con fibra di vetro sviluppato da Markforged. Il progetto utilizza colori differenti per consentire agli operatori di riconoscere con maggiore facilità lo strumento destinato a ciascun modello o variante di veicolo. Nelle linee automobilistiche multimodello, infatti, utensili quasi identici possono differire soltanto per pochi millimetri, per un punto di appoggio o per un piccolo particolare geometrico. La selezione della dima corretta non può quindi dipendere esclusivamente dalla lettura di un codice o dalla memoria dell’addetto. Associando un colore a una determinata applicazione, Subaru of Indiana Automotive introduce un’indicazione visiva immediata che affianca i normali sistemi di identificazione e controllo.
Il colore non è stato aggiunto per migliorare l’aspetto degli utensili, ma per ridurre la possibilità di impiegare una dima non compatibile con il componente in lavorazione. Un operatore può riconoscere lo strumento prima ancora di leggerne il numero identificativo, mentre un’attrezzatura collocata nella postazione sbagliata diventa più semplice da individuare. Subaru of Indiana Automotive produce questi componenti sulle stampanti Markforged già disponibili nello stabilimento, senza doverli verniciare, rivestire o contrassegnare dopo la fabbricazione. Il colore è incorporato nel materiale e rimane quindi parte della struttura dell’oggetto, evitando i problemi legati a vernici che possono graffiarsi e ad adesivi che possono deteriorarsi durante l’impiego.
Uno stabilimento progettato per assemblare più modelli
Subaru of Indiana Automotive appartiene alla famiglia di società controllate da Subaru Corporation e gestisce uno dei principali siti produttivi nordamericani del costruttore giapponese. Lo stabilimento di Lafayette, nell’Indiana, produce i modelli Subaru Ascent, Crosstrek e Forester e impiega più di 6.500 persone. Il complesso industriale occupa un’area di circa 820 acri, equivalenti a oltre 330 ettari, e comprende reparti di stampaggio, assemblaggio delle scocche, verniciatura, montaggio finale, produzione di componenti meccanici e collaudo. La capacità dichiarata supera le 32.000 vetture al mese, calcolate su un turno di otto ore.
Nel reparto di assemblaggio della carrozzeria operano più di 1.600 robot, mentre nelle fasi di finitura vengono montati oltre 2.000 componenti su ciascun veicolo. La possibilità di costruire modelli e allestimenti diversi sulla stessa infrastruttura aumenta la flessibilità produttiva, ma rende più complessa la gestione delle attrezzature. Paraurti anteriori e posteriori, finiture, componenti meccanici e configurazioni differenti possono richiedere dime dedicate. Alcuni strumenti hanno un aspetto molto simile pur non essendo intercambiabili. Un errore nella selezione può obbligare il personale a fermare l’operazione, verificare il componente, recuperare la dima corretta e controllare che il pezzo non sia stato posizionato in modo scorretto.
I limiti delle precedenti attrezzature in ABS
Subaru of Indiana Automotive aveva già sperimentato componenti stampati in 3D con ABS di colori diversi. L’ABS è un materiale diffuso nei sistemi a estrusione di filamento perché presenta costi contenuti, una discreta resistenza e una vasta scelta cromatica. Le esigenze di un’attrezzatura di produzione, però, sono diverse da quelle di un prototipo destinato a poche verifiche. Una dima utilizzata sulla linea può essere afferrata, appoggiata, urtata e caricata migliaia di volte. Deve conservare le proprie dimensioni, non deformarsi nei punti di contatto e resistere alle sollecitazioni generate dall’uso continuativo.
Alcune parti in ABS impiegate da SIA non garantivano la durata richiesta e potevano lesionarsi dopo numerosi cicli. La sostituzione con un composito industriale nero avrebbe migliorato le prestazioni meccaniche, ma avrebbe eliminato la distinzione cromatica tra le attrezzature. Subaru e Markforged hanno quindi individuato in Onyx GF una soluzione capace di combinare colore, rigidità e resistenza in un unico materiale. In questo modo l’azienda non è costretta a scegliere tra una parte colorata ma meno durevole e una parte più robusta ma difficile da distinguere dalle altre.
Onyx GF unisce nylon, fibra di vetro e colore integrato
Onyx GF è un nylon rinforzato con fibre di vetro corte e viene proposto da Markforged in sei colori: rosso, giallo, blu, verde, grigio e bianco. Il materiale è stato sviluppato per applicazioni quali utensili di produzione, dime di montaggio, dispositivi di posizionamento, sistemi di prevenzione degli errori e indicatori destinati alla gestione visiva della fabbrica. La fibra di vetro aumenta la rigidità della matrice polimerica e rende il materiale più adatto a componenti sottoposti a manipolazioni e carichi ripetuti rispetto ai normali filamenti utilizzati per prototipi.
Il materiale può essere impiegato sulle piattaforme Markforged compatibili senza introdurre lavorazioni cromatiche successive. Per le parti che richiedono prestazioni strutturali superiori, alcune configurazioni consentono anche di aggiungere rinforzi in fibra continua di carbonio attraverso il processo Continuous Fiber Reinforcement di Markforged. Questo non significa che qualsiasi componente stampato possa sostituire automaticamente una parte metallica. Le prestazioni dipendono dalla geometria, dall’orientamento di stampa, dalla quantità e dalla disposizione del rinforzo, dai punti di applicazione del carico e dalle condizioni di utilizzo. Ogni attrezzatura destinata alla produzione deve quindi essere progettata, controllata e validata in relazione alla funzione che dovrà svolgere.
Le dime per applicare i codici QR sui paraurti
Una delle applicazioni sviluppate da Subaru of Indiana Automotive riguarda il posizionamento delle etichette con codice QR sui paraurti. Nel reparto di verniciatura, queste etichette vengono applicate manualmente e lette da scanner collocati sopra la linea. I paraurti non disponevano di riferimenti specifici per indicare all’operatore il punto esatto nel quale collocare l’etichetta. Il posizionamento poteva quindi variare e, se il codice QR finiva fuori dall’area di lettura, lo scanner non riusciva ad acquisirlo.
Una lettura mancata non rappresentava soltanto un problema relativo all’etichetta. Il personale doveva rintracciare il paraurti, verificare il codice, ripetere l’acquisizione e riallineare le informazioni con il veicolo corretto. In una linea nella quale ogni componente deve procedere secondo una sequenza definita, anche un’anomalia apparentemente limitata può generare attività manuali aggiuntive e rallentamenti. Subaru of Indiana Automotive ha quindi progettato una famiglia di dime che si appoggiano alla geometria esterna del paraurti e guidano l’applicazione dell’etichetta nella posizione stabilita.
Le dime consentono di collocare il codice QR con una precisione dichiarata di 0,1 millimetri. Sono state realizzate versioni differenti per i vari modelli, per gli allestimenti e per i paraurti anteriori e posteriori. La forma della dima determina la posizione fisica dell’etichetta, mentre il colore permette all’operatore di capire a quale paraurti appartiene lo strumento. Le due funzioni lavorano insieme: la geometria assicura la ripetibilità dell’operazione e la codifica cromatica riduce il rischio di scegliere la variante sbagliata.
La produzione additiva offre anche un vantaggio nella gestione delle modifiche. Se Subaru cambia la geometria di un paraurti, la dimensione dell’etichetta o la posizione del codice, il reparto tecnico può intervenire sul modello digitale e stampare una nuova versione della dima. Non è necessario ricostruire l’attrezzatura con un lungo ciclo di lavorazioni meccaniche, né ordinare piccoli lotti a un fornitore esterno. Il file aggiornato può inoltre essere conservato in un archivio digitale e ristampato quando una dima si danneggia o quando occorre aumentare il numero di postazioni.
Un componente più resistente per la movimentazione dei cam cap carrier
Una seconda applicazione interessa il componente di base di una dima utilizzata per sostenere o movimentare i cam cap carrier, elementi collegati all’assemblaggio della parte superiore del motore. La precedente versione in ABS aveva manifestato rotture dovute all’impiego ripetuto. Subaru of Indiana Automotive l’ha sostituita con una parte stampata in Onyx GF di colore giallo, che durante il periodo di utilizzo descritto dall’azienda non ha presentato lo stesso tipo di cedimento.
In questo caso il colore giallo svolge anche una funzione organizzativa. Permette di collegare la dima alla sua postazione e rende più facile notare se è stata lasciata in un’area diversa. La soluzione integra quindi tre elementi: una geometria personalizzata per il componente da movimentare, un materiale selezionato per resistere ai cicli di lavoro e un colore che comunica la destinazione dell’utensile. La stampa 3D consente inoltre di incorporare direttamente nella parte impugnature, appoggi, scritte, riferimenti e incastri, riducendo il numero di elementi da assemblare dopo la produzione.
Dal colore al poka-yoke e alla gestione visiva
La codifica cromatica rientra nei principi del visual management e del poka-yoke, cioè nella progettazione di processi che rendano l’errore difficile da commettere o facile da individuare. Un utensile verde può essere associato a un modello, uno blu a una variante diversa e uno giallo a una specifica postazione. Il colore non sostituisce i codici identificativi, le istruzioni operative e i controlli di qualità, ma introduce un ulteriore livello di verifica che può essere compreso senza interrompere l’attività.
Lo stesso sistema può sostenere l’organizzazione 5S della fabbrica. Se ogni postazione utilizza strumenti di un determinato colore, un utensile mancante o collocato nel luogo sbagliato diventa più evidente. La logica può essere estesa alla segnalazione delle zone di pericolo, alla separazione delle attrezzature per reparti differenti e alla prevenzione della presenza di oggetti estranei nelle aree produttive. Nell’industria alimentare e farmaceutica, ad esempio, utensili di colori diversi possono essere riservati a zone separate per ridurre il rischio di contaminazione incrociata. Nell’automotive e nell’aerospazio, colori ad alto contrasto possono facilitare l’individuazione di una parte dimenticata in una cella o all’interno di un componente.
La stampa 3D degli utensili nell’industria automobilistica
Il progetto di Subaru of Indiana Automotive si inserisce in un processo più ampio di diffusione della produzione additiva per dime, calibri e attrezzature. Subaru of America, società distinta da SIA e responsabile anche dello sviluppo degli accessori destinati al mercato statunitense, utilizza una stampante Stratasys F770 per produrre internamente strumenti dedicati all’installazione degli accessori originali Subaru. Prima dell’introduzione della stampa 3D, molte di queste attrezzature venivano realizzate assemblando elementi metallici e plastici lavorati con sistemi convenzionali.
Secondo i dati comunicati da Subaru of America e Stratasys, l’impiego della produzione additiva ha ridotto di oltre il 50% il tempo necessario per sviluppare alcune linee di utensili e ha consentito di stimare una diminuzione dei costi vicina al 70% rispetto alla fabbricazione esterna. Il ritorno dell’investimento nella stampante F770 è stato valutato in circa due anni. La successiva adozione della testa di estrusione Stratasys T25 ha inoltre quasi dimezzato il tempo necessario per produrre un utensile lungo 36 pollici, aumentando la capacità disponibile senza installare una seconda macchina per gli stessi lavori.
Un’esperienza analoga è stata sviluppata da Nissan nello stabilimento Nissan Motor Ibérica di Barcellona. Utilizzando una piccola farm di stampanti BCN3D Technologies, il costruttore ha realizzato circa 700 utensili, dime e dispositivi di supporto. Tra le applicazioni figurano calibri per il centraggio del parabrezza, guide per la foratura e dime utilizzate per collocare con precisione la denominazione del modello sul portellone. Nissan e BCN3D Technologies hanno indicato una riduzione da una settimana a un giorno del tempo necessario per ottenere alcune attrezzature e costi fino a venti volte inferiori rispetto alla produzione affidata a fornitori esterni.
Questi risultati non significano che la stampa 3D sia sempre più conveniente della lavorazione meccanica. Acciaio e alluminio rimangono necessari quando sono richieste elevate resistenze, tolleranze strette, temperature operative alte o una vita utile molto lunga. La produzione additiva mostra i vantaggi più significativi per utensili personalizzati, quantità limitate, modifiche frequenti, geometrie complesse e componenti che devono essere prodotti vicino alla linea. La possibilità di realizzare una singola dima senza costruire uno stampo o programmare una lavorazione articolata riduce il costo delle iterazioni e rende più semplice sperimentare soluzioni ergonomiche per gli operatori.
Un modello basato su file digitali e produzione interna
Nel caso di Subaru of Indiana Automotive, il risultato non consiste soltanto nella sostituzione di una dima tradizionale con una parte stampata. Il progetto combina produzione interna, archiviazione digitale, scelta di un materiale rinforzato e gestione visiva delle attrezzature. Quando viene introdotto un nuovo allestimento o cambia la geometria di un componente, l’ufficio tecnico può modificare il modello CAD, associare il colore previsto e produrre la nuova versione senza attendere la consegna di un fornitore.
Se un utensile viene danneggiato, il file può essere ristampato mantenendo dimensioni, caratteristiche e colore della versione approvata. Per ottenere un processo controllato servono però regole precise: gestione delle revisioni, identificazione dei file validi, parametri di stampa definiti, verifiche dimensionali e registrazione delle modifiche. Senza questa organizzazione, il rischio è produrre versioni non aggiornate o parti con caratteristiche diverse da quelle validate.
La convenienza deve essere valutata considerando progettazione, tempo macchina, consumo di materiale, controlli, durata della parte e conseguenze di un possibile cedimento. Per dime di posizionamento, supporti, protezioni e strumenti manuali a rischio contenuto, il modello adottato da Subaru mostra come la stampa 3D possa diventare una componente stabile dell’organizzazione produttiva. L’introduzione di Onyx GF aggiunge la possibilità di utilizzare il colore come informazione incorporata nell’utensile, trasformando una caratteristica visiva in uno strumento operativo per la produzione multimodello.
