Il progetto Braking Well è stato sviluppato presso l’azienda MBB ascensori srl nel contesto del bando Learning by Doing sponsorizzato da Confindustria Ancona che ha la finalità di:
L'azienda MBB di Falconara Marittima è leader nel campo dell’ascensoristica. Le sue attività si rivolgono allo studio, costruzione, installazione e assistenza tecnica di impianti elevatori con l’obbiettivo di creare prodotti personalizzati, esteticamente validi e tecnologicamente sicuri. I prodotti principali sono: ascensori, servoscala e piattaforme elettriche; il loro prodotto di punta è la piattaforma LEA. Tali prodotti vengono rivenduti in tutta Italia, in Polonia e in Egitto. Tra gli obbiettivi più prossimi dell’azienda vi è quello di consolidare gli attuali mercati e quello di aprirne nuovi in paesi come Russia, Germania, Svizzera, Regno Unito e Singapore.
L’obbiettivo del progetto è ideare una nuova tipologia di sistema frenante di sicurezza di tipo meccanico per sostituire l’attuale che presenta svantaggi a livello di ingombro nel vano ascensore, di montaggio, perché risulta laborioso ed estetico. Il sistema deve intervenire sulle guide metalliche in cui scorre la piattaforma. Dello stesso è necessaria una valutazione e uno studio di fattibilità economica. Il committente si è rivolto all’università individuando ed elencando una serie di punti fermi da cui il progetto aziendale doveva partire, ovvero:
Essendo la tematica complessa lo sviluppo del progetto aziendale che si è effettuato, che verrà di seguito descritto, è da intendersi come realizzazione di una prima fase di lavoro. Il progetto aziendale ha contenuti empirici e applicativi.
Caratteristiche del progetto aziendale
Poiché il progetto si riferisce a qualcosa di reale allora il sistema da progettare deve essere:
LEA viene mosso da un gruppo motore argano posizionato in alto in testata, che trasmette il moto ad una puleggia di frizione. La puleggia trasmette il movimento alla cabina mediante le funi di trazione. Lo spostamento del carico è agevolato dalla presenza di un contrappeso la cui massa è ottimizzata per le dimensioni e la portata dell’ascensore. La sospensione è del tipo diretto. Il bilanciamento è al 40%. L’arcata è del tipo a sbalzo; le guide di cabina e del contrappeso sono ancorate alla stessa guida a C per semplificare il montaggio ed ottimizzare gli spazi.
Seguendo la filosofia aziendale, la piattaforma elettrica LEA è stata dotata negli ultimi anni di un innovativo sistema di sicurezza che garantisce l’arresto della cabina in caso di caduta libera.
Il sistema frenante montato sulle piattaforme della MBB risponde attualmente alle anomalie di velocità che si potrebbero riscontrare nella sola corsa in discesa della piattaforma. L’encoder presente nel motore misura la velocità del solo motore elettrico. Se la piattaforma cambia velocità per ragioni che esulano dal motore elettrico, le pulegge non standard avvertono il cambio di velocità e di tensione sulle funi, avviene quindi un blocco sia elettrico del motore che meccanico attraverso un cuneo. Bloccandosi le pulegge si attiva il freno paracadute.
Quando le sei funi del sistema in questione vengono meno per un qualsiasi motivo, le due pulegge esterne che normalmente ruotano a velocità costante, durante il funzionamento normale, a velocità di 0,15m/s, subiscono una differenza di velocità. La differenza di velocità modifica l’assetto della puleggia nel sistema puleggia+limitatore superiore cambiandone la velocità di rotazione. La rotella del bilanciere del limitatore superiore, percorrendo la guida per dentatura in plastica sagomata subisce gli effetti dovuti all’aumento di velocità e grazie all’azione del pesetto e della molla incomincia a sobbalzare. Una volta che la piattaforma raggiunge 0,20 m/s (velocità d’intervento per il limitatore) le oscillazioni del bilanciere sono così ampie e forti che per inerzia il cane preme l’interruttore. L’interruttore mette in funzione gli elettromagneti che si trovano esternamente al telaio del sistema puleggia+limitatore superiore, che inviano un segnale elettrico al motore per stopparlo, quindi avviene il blocco elettrico del motore (non rilevato in prima battuta dall’encoder perché il sistema di sicurezza e il motore sono indipendenti tra loro). Al contempo la leva del bilanciere con cuneo annesso aggancia la dentatura della puleggia. Avviene il blocco meccanico della puleggia. Così facendo per qualche istante il sistema puleggia superiore diventa elemento rigido, la fune aumenta di tensione. (La fune normalmente è libera di scorrere nella cruna della barra di collegamento). A quel punto genera un momento improvviso nella cruna della barra di collegamento, momento che si trasferisce lungo tutta la sua lunghezza, facendo sollevare e minimamente ruotare il leverismo presente sui freni a paracadute grazie ad un sistema di collegamento costituito da vite e molla che rende il leveraggio solidale con la barra.
In seguito a questo sollevamento, il monorullo del freno paracadute entra in contatto con la guida. A questo punto, autoalimentato dalla forza peso del cabinato+piattaforma in caduta libera, il monorullo è in grado di generare una grande forza d’attrito. L’attrito generato porta all’arresto immediato della piattaforma entro la lunghezza della guida del freno paracadute. Da normativa il sistema si deve fermare in 150mm. L’azione del monorullo sulla guida rende la stessa deformata e da sostituire. Per sbloccare il sistema, il manutentore deve invertire (far salire) il senso di marcia della piattaforma, sostituire la guida che si è deformata, ricaricare l’interruttore ed eventualmente sostituire la fune di collegamento.
Il sistema presenta però delle problematiche, legate all’installazione, agli ingombri delle pulegge ed estetici della barra di torsione.
Nel tentativo di ideare una nuova tipologia meccanica di sistema frenante di sicurezza in grado di sopperire alle criticità della soluzione attuale, si è proceduto con un approfondito studio normativo e all’identificazione dei vincoli di progettazione del sistema LEA. Partendo da oggetti di uso comune, e tramite schizzi preliminari si è avuto modo di sviluppare dei modelli CAD 3D. Dalla valutazione dell’azienda MBB e del tutor accademico di tali modelli, si è giunti alla scelta della soluzione finale.
La nuova soluzione BW, come l’attuale, ha lo scopo di arrestare il cabinato in caso di rottura delle funi e quindi di caduta libera della stessa. Nello specifico si tratta del sistema di azionamento del freno paracadute. BW è montato sulla piattaforma elettrica LEA. Collocato sul telaio della cabina, è imbullonato allo stesso in posizione mediana ed è a contatto con la guida verticale. Durante il moto della piattaforma la ruota conduttrice che insiste sulla suddetta guida rivela le variazioni di velocità della cabina. L’albero di trasmissione trasmette la velocità ad ogni componente che insiste sullo stesso. Con velocità a regime di 0,15 m/s, la frizione centrifuga appositamente studiata per BW non si attiva. In caso di anomalie, ovvero per velocità superiori a 0,20 m/s, invece, la frizione centrifuga si attiva. Con l’azionamento di quest’ultima i suoi pesetti entrano in contatto con la ruota condotta che a sua volta entra in rotazione. Il suo moto e il filo che collega quest’ultima alla copiglia del monorullo del freno paracadute, azionano il freno. Il freno paracadute insistendo sulla guida arresta la cabina.
In breve le caratteristiche tecniche generali di BW sono:
Inoltre il sistema risulta essere:
Si è proceduto alla realizzazione del modello CAD definitivo, e a seguito di calcoli preliminari, all’analisi dinamica tramite software multibody MSC ADAMS e di calcolo numerico MATLAB, al dimensionamento seguendo metodologie didattiche e normative implementandole su fogli di calcolo Excel e infine all’analisi agli elementi finiti FEM tramite ANSYS Workbench. Inoltre è stato utilizzato il software 3ds Max per animazioni e renderizzazioni.
Modello CAD definitivo: distinta componenti
Il modello definitivo di BW è stato realizzato in SolidEdge. In questa fase si sono individuati di conseguenza i componenti da dimensionare e quali invece da acquistare.
L'elemento chiave per il funzionamento del sistema è il pesetto. Il suo dimensionamento è strettamente legato alla geometria del disco, della ruota condotta e quindi dall’escursione Δx tra pesetto e ruota condotta. In primo luogo si è imposto il numero dei pesetti collegati al disco, pari a 4. In secondo luogo si è cercato di rendere ogni pesetto il più voluminoso possibile per generare la maggiore inerzia possibile. Sono state individuate due funzioni ai pesetti:
Il contatto tra pesetto e disco al momento in cui la piattaforma è ferma, è garantito dalla forza elastica generata dalla molla in precompressione. Per limitare i gradi di libertà del pesetto sono stati predisposti 2 fori non passanti, che fungono da guida per due spine (alloggiate in parte nel disco in parte nel pesetto). Per evitare attriti con elementi circostanti e per motivi realizzativi, è stato dimensionato ogni pesetto con uno spessore limitato (B=12 mm) (tenendo anche conto della disponibilità degli spessori di lamiera fornibili dall’azienda (10mm, 12mm, 15mm), adattato su una profondità del disco pari a 16 mm , con un’altezza e un angolo di sviluppo dell’arcata superiore del pesetto pari a ϒ= 88°, per evitare strisciamenti dei 4 pesetti che insistono sul disco. Maggiore è lo spessore, più è difficile ottenere geometrie come quella richiesta, con taglio laser. Per garantire la giusta massa del pesetto, lo stesso verrà realizzato in acciaio AISI 304. Ipotizzando il materiale, e quindi conoscendo la densità dello stesso, dalla geometria usufruendo della simulazione CAD si è ottenuto il volume di ogni pesetto. Con il volume e la densità è stato così possibile calcolare la massa di ogni pesetto.
Con questi dati si è proceduto alla simulazione del moto dei pesetti in MATLAB così da arrivare tramite un processo iterativo alla corretta progettazione funzionale e meccanica. Infine l'intero sistema è stato simulato tramite il software multibody MSC ADAMS, in modo da validare la bontà delle scelte progettuali effettuate.
I dimensionamenti di tutti gli altri componenti (escluso il carter) sono stati realizzati mediante implementazione MATLAB e MS Excel di metodologie estrapolate dal libro "progetto e costruzione di macchine" (Shigley) e normative in vigore.
Analisi agli elementi finiti tramite Ansys Workbench
L’analisi FEM è stata effettuata tramite software ANSYS WORKBENCH.
Importato il modello CAD dell’assieme del carter *.step si sono imposti i vincoli e le forze agenti sullo stesso:
Si è quindi proceduto all’analisi lanciando il programma.
Prototipazione con stampante 3D
Poiché questa progettazione non deriva da dati certi derivanti da esperienze precedenti, si è ricorso alla realizzazione di un prototipo.
La scelta del materiale con cui un oggetto deve essere realizzato è una fase fondamentale della progettazione. Dal materiale dipendono non solo le caratteristiche di resistenza e durata del pezzo, ma anche il procedimento tecnologico per produrlo, e l’aspetto con cui si presenta all’utilizzatore: tutti elementi che ne influenzano in ultima analisi il costo. Si è allora organizzato nei tempi brevi a disposizione la realizzazione del prototipo per lasciare la possibilità di effettuare test funzionali ed estetici prima della sua più costosa produzione su larga scala. Grazie alla disponibilità sul mercato di sistemi di costruzione rapida dei prototipi basata sulla tecnica della stratificazione, cioè di deposito strato per strato a partire dal modello 3D, si è ricavato l’apparecchio progettato. La tecnica utilizzata è quella dei filamenti di materiali termoplastici che solidificano una volta deposti.
Il prototipo
Si è proceduto alla realizzazione di un prototipo in PLA, prodotto fornito a JCube sotto forma di composto solido polimerico di forma filamentosa per stampanti 3D. I componenti realizzati in PLA sono:
Per garantire il funzionamento di BW i pesetti devono essere realizzati dall’azienda INCOM S.r.l di Belvedere Ostrense in acciaio AISI 304 come da specifiche presenti nel dimensionamento, ma per i brevi tempi disponibili sono anch’essi stati realizzati in PLA da stampa 3D presso JCube. Le molle sono state realizzate dal mollificio PSP di Osimo. La minuteria è stata invece acquistata presso la Ferramenta Centrale di Monte San Vito.
Strategia di business
A questo punto per valutare la vendibilità della nuova soluzione si è proceduto con la definizione di una strategia di business. La stessa prevede la realizzazione di un prototipo destinato al collaudo in azienda e di un successivo modello commerciale. Nello specifico il prototipo affronterà il collaudo, la certificazione e verrà pubblicizzato. Il modello commerciale affronterà invece il collaudo, la certificazione, sarà pubblicizzato e verrà effettuata la richiesta di brevetto. Per prevedere il costo del prototipo e del modello commerciale si è proceduto con la richiesta di preventivi a potenziali fornitori tutti in un raggio di 15 km dall’azienda MBB. ascensori s.r.l. Inoltre si è utilizzato un innovativo software di preventivazione rapida LeanCost.
Preventivazione rapida dei costi del progetto tramite LeanCost
Un problema proprio dei progettisti è avere un costo di produzione di un componente in tempi brevi, per avere questo però è necessario conoscere i cicli produttivi. Il progettista non si occupa di produzione.
LeanCOST è lo strumento per conoscere in maniera immediata il costo di produzione.
Si è deciso di conoscere il manufacturing cost (costo di produzione) di ciò che si è progettato per capire l’impatto che ciascuna scelta progettuale effettuata ha comportato sul costo finale usufruendo per l’appunto, del software LeanCOST, piattaforma che consente di preventivare costi e tempi di lavorazione di componenti semplici e assemblati grazie alla sua integrazione con sistemi CAD come SE, chiedendo supporto all’azienda Hyperlean S.r.l. di Ancona. La piattaforma software ha estratto le caratteristiche geometriche dal modello CAD da noi fornito, ha collegato ad esso specifiche progettuali, alla descrizione geometrica ha collegato le tecnologie produttive di nostro interesse insieme ai dati da database e alle informazioni sulle materie prime fornite, per stimare il costo del progetto e consentire di visualizzare in un report unico e condivisibile tutte le informazioni importanti. Si è in questo modo arrivati alla formulazione di un preventivo rapido completo con il costo stimato di produzione parametrizzato secondo parametri specifici dei componenti (materiale, processo di lavorazione, rugosità minima, lotto produttivo) per l’oggetto da raffrontare a quello standard calcolato manualmente con i preventivi formulati e forniti dalle aziende coinvolte. Di seguito si descrive come si è proceduto in linea di massima alla preventivazione rapida. Decisa la quantità del lotto da produrre (100) si è proceduto con l’assegnazione del materiale ad ogni singolo componente (in questa fase non si sa ancora che materia prima è associata al materiale). A questo punto il software, valuta la quantità del lotto, il materiale e la geometria del singolo componente. Per logiche interne stabilisce tra le tecnologie disponibili, come si potrebbe realizzare il pezzo. Ad esempio, per il carter, visualizzando un lotto alto e come materiale la plastica, suggerisce uno stampaggio ad iniezione, come tecnica produttiva principale, ma anche altre opzioni). L’utente può decidere se accettare il suggerimento del software o optare per altre soluzioni di produzione. Scelta la strategia produttiva, si richiede al software di analizzare il componente in base agli input dati: lotto, materiale, strategia produttiva. Il software è allora in grado di calcolare il costo totale del singolo componente, in euro
Previsione di costo di un BW completo
In definitiva un sistema completo consta di 1 BW (96,50 €), 1 freno paracadute (22,50 €) e di un accelerometro (2,50 €). Prevedendo che su di una cabina vi saranno installati 2 sistemi completi si è stimato un costo complessivo per la nuova soluzione pari a 238, 00 €.
Strategie di investimento e ammortamento
Per quanto concerne il modello commerciale si sono proposte 4 strategie di investimento. Due strategie prevedono la realizzazione del carter in ABS da stampa 3D mentre le altre due prevedono la realizzazione del carter sempre in ABS per asportazione di truciolo o per estrusione. Delle quattro strategie, due prevedono la possibilità per l’azienda, di effettuare richieste di brevetto internazionale condiviso con l’Università Politecnica delle Marche. Nel grafico di seguito sono rappresentate le 4 strategie in diversi colori. I dati di riferimento si riferiscono al valore medio degli utili ottenuto dai bilanci di esercizio dell’azienda per gli anni 2012-2013-2014-2015. Il grafico rappresenta i flussi cumulati, nonché il capitale recuperato mensilmente a seguito dell’investimento iniziale previsto per ognuna delle 4 strategie. Sulla base di queste strategie si è previsto un rientro economico in tre mesi a partire dall’investimento iniziale. Avendo l’azienda richiesto un rientro economico entro 6 mesi, l’obbiettivo può considerarsi raggiunto.
Il progetto ha partecipato al concorso Learnig by Doing University 2017 indetto da Confindustria Marche, classificandosi al 1° posto sia in fase provinciale che regionale
I compiti all'interno del team sono stati così ripartiti: