Il produttore francese di macchine edili utilizza Simcenter Amesim per sviluppare il primo escavatore gommato elettrico

L'innovazione prende forma

Nel 2018, il consiglio comunale di Parigi ha adottato il piano territoriale per l'energia e la qualità dell'aria per ridurre l'inquinamento, proteggere la salute dei cittadini e contrastare i cambiamenti climatici. Attraverso questo piano, Parigi punta a diventare diesel-free entro il 2024 e a eliminare dalla circolazione i motori a benzina entro il 2030, per raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050.

In quest'ottica, il Gruppo Mecalac (Mecalac) ha progettato e costruito macchinari in linea con gli obiettivi della città in materia di qualità dell'aria, e Mecalac e12, un innovativo escavatore gommato completamente elettrico, rappresenta la punta di diamante dell'azienda nell'ambito di questa iniziativa. Presentato in occasione della fiera INTERMAT 2018, Mecalac e12 ha ottenuto il premio Transizione Energetica, che ne riconosce le elevate prestazioni tecnologiche e ambientali.

"Abbiamo raggiunto quello che consideriamo un traguardo cruciale con il lancio del primo escavatore 100% elettrico, che permetterà alla città di diventare diesel-free entro il 2024", afferma Max Boni, direttore di ricerca e sviluppo presso Mecalac. "Con zero emissioni di anidride carbonica e di altri inquinanti nocivi, questo nuovo escavatore annuncia una nuova era nella storia di Mecalac. È perfettamente in linea con la nostra strategia di innovazione volta a ridurre le dimensioni dei cantieri urbani, migliorarne le prestazioni e renderli sempre più sostenibili a livello ambientale".

Tre grandi sfide progettuali, un'innovazione rivoluzionaria

Per sviluppare il proprio escavatore elettrico, Mecalac ha definito un'architettura ottimale in grado di soddisfare tre requisiti fondamentali: autonomia, prestazioni e compattezza. Per raggiungere questo risultato, è stato indispensabile attuare un ridimensionamento accurato della batteria. A tal fine, abbiamo dovuto tenere conto di diversi parametri, senza però trascurare la fattibilità del progetto.

"Si trattava di sviluppare un prototipo iniziale funzionante, anticipando la futura produzione in serie", afferma Thomas Schaep, ingegnere di sistemi meccatronici presso Mecalac. "Non ci interessava sviluppare una soluzione specifica e su misura per la batteria. Al contrario, abbiamo cercato di combinare moduli batteria pronti all'uso ottimizzando al contempo l'autonomia, i costi e l'ingombro complessivi della macchina".

La scelta di adottare Simcenter Amesim

Per lo sviluppo del nuovo modello di escavatore elettrico, il team di ricerca e sviluppo (R&D) di Mecalac ha scelto di adottare una soluzione di modellazione e simulazione in grado di analizzare e prevedere le prestazioni del sistema a livello meccanico, idraulico, termico ed elettrico.

I motivi che hanno spinto l'azienda a optare per il software Simcenter Amesim™ di Siemens Digital Industries Software sono la facilità d'uso, la flessibilità e l'ampia gamma di librerie multifisiche pronte all'uso. Schaep conosceva già questa soluzione ed era pronto a usarla. Il processo di modellazione si è svolto in tre fasi ed è durato circa tre mesi.

Durante la prima fase, quella della modellazione meccanica, le dimensioni acquisite nei piani 2D sono state inserite nei fogli di calcolo Microsoft Excel. Grazie alla connessione bidirezionale sincrona tra Simcenter Amesim ed Excel, i valori immessi sono stati utilizzati come parametri di simulazione per Simcenter Amesim. Quando/se questi parametri vengono modificati in Simcenter Amesim, vengono aggiornati automaticamente in Excel, consentendo l'aggiornamento simultaneo di entrambe le origini di dati. Questo metodo consente a un numero maggiore di utenti di utilizzare le informazioni in Excel senza avere familiarità con Simcenter Amesim. Inoltre, la funzione di importazione CAD (computer-aided design) di Simcenter Amesim consente di generare automaticamente il modello cinematico/meccanico dell'escavatore in pochi clic da qualsiasi file CAD.

La fase successiva del processo è stata la simulazione idraulica. La distribuzione idraulica viene modellata utilizzando super componenti e viene ripetuta continuamente. Considerato l'elevato costo dei componenti idraulici per le macchine da costruzione, questo passaggio ha richiesto una modellazione molto granulare e dettagliata. Per garantire la rappresentatività ottimale del modello, i risultati ottenuti dalla simulazione sono stati confrontati con misurazioni reali e fisiche, ed è stata riscontrata una correlazione approvata.

Durante la fase finale, quella della modellazione elettrica, un modello dettagliato del motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) è stato associato al relativo controller, a un inverter e alla batteria.

Creazione del prototipo perfetto di e12 al primo tentativo

Utilizzando il modello Simcenter Amesim, Mecalac ha simulato varie opzioni per l'architettura e analizzato diversi parametri per dimensionare il sistema di alimentazione elettrica e realizzare il prototipo perfetto al primo tentativo. Ciò ha offerto vantaggi significativi in termini di costi e tempi. Mecalac è convinta che senza Simcenter Amesim sarebbero stati necessari due o tre prototipi per riuscire a realizzare un'architettura ottimizzata in termini di dimensioni, prestazioni e congestione.

"La batteria di Mecalac e12 offre una capacità record di 146 kilowattora con un'autonomia senza pari di 8 ore e una durata di vita tre volte superiore a quella delle batterie convenzionali", afferma Boni. "Queste prestazioni hanno ottenuto un ampio consenso da parte dei professionisti in occasione cella fiera INTERMAT 2018."

Una spinta alla creatività

Semplice da usare e di rapida implementazione grazie alle librerie ampiamente collaudate, alla facilità di adozione e alla robustezza, Simcenter Amesim ha fatto subito un'ottima impressione sul reparto R&D di Mecalac.

"Ora riusciamo a comprendere meglio alcuni fenomeni, quali le perdite di energia, che prima non eravamo in grado di quantificare, mentre ora possiamo analizzare con precisione", dichiara Schaep. "Possiamo eseguire rapidamente diverse simulazioni con un elevato livello di sicurezza nella prevedibilità dei modelli. Questo ci consente di dedicare più tempo allo sviluppo di soluzioni più creative e all'esplorazione di nuove possibilità. In breve, Simcenter Amesim stimola la nostra creatività".

Una porta aperta allo sviluppo di nuove idee

Mecalac sta già utilizzando una versione avanzata del modello Simcenter Amesim mentre lavora alla fase di produzione in serie di e12. Per garantire un comportamento corretto, il reparto tecnico prevede di combinare il modello Simcenter Amesim con i modelli del sistema di controllo. Il prossimo passo per il modello Simcenter Amesim consisterà nella convalida dell'obsolescenza ciclica o programmata della batteria. Infine, l'uso di una soluzione di ottimizzazione come il software HEEDS™ di Siemens Digital Industries Software contribuirà ad automatizzare e accelerare il processo di esplorazione progettuale.

"Simcenter Amesim ci consente di analizzare in modo proattivo nuovi design innovativi", afferma Boni. "Questo primo studio con l'escavatore e12 è come una scatola dei suggerimenti volta a fornire nuovi spunti per gli sviluppi futuri. Siamo una fonte di idee per i team di marketing e acquisti".

Questo approccio è in linea con i valori fondanti del Gruppo Mecalac che, negli ultimi 40 anni, si è adeguato alle esigenze dei cantieri urbani del futuro, fornendo soluzioni innovative.