Un produttore di cuscinetti riesce a soddisfare rigorosi requisiti di precisione e al tempo stesso aumentare la produttività

Supportare la mobilità

Per secoli si è tentato di migliorare la mobilità di persone e materiali riducendo l'attrito fra le parti. Per costruire le piramidi e Stonehenge è stato necessario spostare strutture enormi, posizionando rulli di legno sotto i carichi pesanti per ridurre il coefficiente di attrito e, di conseguenza, la forza necessaria per lo spostamento. Le meraviglie del mondo sono state realizzate utilizzando alcune delle applicazioni più antiche dei cuscinetti.

La prima traccia dei moderni cuscinetti con piste e sfere è stata documentata nel XXV secolo da Leonardo da Vinci, per il suo modello di elicottero. Da allora il design, la mobilità e la precisione dei cuscinetti si sono enormemente sviluppati in vari campi di applicazione. Nei settori dei semiconduttori e dei dispositivi medici, la miniaturizzazione e il continuo aumento della complessità dei prodotti hanno rivoluzionato i sistemi di movimento e i relativi componenti. La precisione e l'accuratezza dei sistemi di movimento dipendono notevolmente dagli assiemi di cuscinetti e da come vengono integrati nei sistemi. Precisie Metaal Bearings (PM-Bearings) è uno dei pochi produttori al mondo a offrire cuscinetti lineari di precisione.

Un leader nel campo dei cuscinetti di precisione

PM-Bearings è specializzata nella progettazione e nella fabbricazione di cuscinetti lineari, sistemi di movimento e fasi di posizionamento, destinati ai settori dei semiconduttori, dei dispositivi medici e delle macchine utensili di fascia alta. L'azienda è nata nel 1966 come produttore di cuscinetti lineari e successivamente si è espansa fino a includere la progettazione, la produzione e l'assemblaggio di fasi di posizionamento multiasse, personalizzate con integrazione meccatronica completa. L'azienda, che si trova a Dedemsvaart (Paesi Bassi), conta 140 dipendenti e serve clienti di tutto il mondo. I suoi prodotti variano dai cuscinetti molto piccoli (lunghi 10 millimetri) a sistemi con superficie da 1,2 a 1,5 metri quadrati e corse lunghe un metro. Il portfolio include componenti di moto lineare quali slitte di precisione, tavole di posizionamento e fasi con cuscinetti. PM-Bearings fa parte del gruppo PM, insieme ad altre aziende specializzate in lavorazione High-Tech. La clientela globale si estende dalla Silicon Valley a Shenzhen.

Massima attenzione alle esigenze dei clienti

Per i produttori di cuscinetti, la diversità delle esigenze dei clienti comporta una serie di problematiche, come richieste di personalizzazione (fino all'80% del progetto del sistema nella maggior parte dei casi), time-to-market brevi e precisione estrema (ad esempio, movimento fluido con una tolleranza di due micron per metro). I clienti richiedono anche cuscinetti con dimensioni ridotte e materiali particolari, come le ceramiche utilizzate negli ambienti non magnetici o in vuoto ultra alto.

"Quando il cliente invia una specifica, la scadenza teorica è spesso per il giorno precedente", spiega Jan Willem Ridderinkhof, Manager of Research & Development (R&D) and Engineering, presso PM-Bearings. "Le modifiche più semplici, come lo spostamento di un foro, possono essere implementate con poche operazioni. Ma i clienti presentano sempre più spesso specifiche di sistema completamente nuove. Nel settore dei semiconduttori c'è la tendenza a realizzare chip sempre più piccoli, e questo complica anche il nostro lavoro."

"Per una macchina di ispezione dei wafer con un sistema a 5 assi, avevamo una specifica che prevedeva un tempo di assestamento di 500 millisecondi e vibrazioni entro 50 nanometri durante uno spostamento lineare", continua Ridderinkhof. "Questi requisiti di precisione estrema producono un notevole impatto sul nostro modello di business. Ci stiamo trasformando da fornitore di cuscinetti di precisione a integratore di sistemi di movimento."

PM-Bearings sapeva che, per mantenere un vantaggio competitivo, era essenziale controllare completamente la realizzazione del prodotto, dalla progettazione alla consegna. Proprio per questo, l'azienda ha scelto una serie di soluzioni di Siemens Digital Industries Software, specialista nei sistemi di gestione del ciclo di vita del prodotto (PLM). La suite include il software CAD (Computer-Aided Design) NX™, il software Simcenter™ per la previsione delle prestazioni, NX CAM per la produzione assistita (Computer-Aided Manufacturing) e il software Teamcenter® per il sistema PLM, allo scopo di garantire che tutte le parti interessate prendano decisioni basate sugli stessi dati e workflow. PM-Bearings usava queste soluzioni da oltre dieci anni con il supporto di cards PLM Solutions, un rivenditore Siemens Digital Industries Software. "Avere un contatto locale è molto importante per noi", spiega Ridderinkhof. "Il rivenditore ha fatto un ottimo lavoro di implementazione e personalizzazione di Teamcenter. Inoltre, per Simcenter è costantemente in contatto con gli esperti di Siemens Digital Industries Software."

"L'obiettivo di cards PLM Solutions è aiutare i clienti a realizzare i migliori prodotti possibili", dichiara Erik Burghoorn, CEO di cards PLM Solutions. "Sfruttiamo la nostra esperienza per aiutare le aziende a implementare soluzioni software che includono le best practice per soddisfare le proprie esigenze. cards PLM Solutions aiuta aziende come PM-Bearings a incrementare l'efficienza digitalizzando i processi di produzione."

Dare vita alle idee con NX

Il cuscinetto di moto lineare deve scorrere o rotolare? Lo scorrimento è puramente lineare o anche circolare? La forza motrice della slitta è motorizzata o meno? Per le condizioni operative del cuscinetto è meglio il metallo o la ceramica? Walter Meijerink, Mechatronic Engineer presso PM-Bearings, prende decisioni informate quotidianamente, utilizzando NX per progettare slitte e sistemi di posizionamento lineari, che tengono conto di specifiche di precisione, ripetibilità, carico e ambiente operativo. “Il mio compito è quello di trasformare i requisiti del cliente nel disegno finale", spiega Meijerink. "Grazie allo strumento CAD NX posso sviluppare l'idea di un progetto in modo rapido ed efficiente".

Anziché classificare la parti in base a codici alfanumerici, PM-Bearings può utilizzare codici basati su criteri predefiniti grazie alla funzione di Teamcenter per le famiglie di parti. In questo modo può integrare le varianti consentite delle parti, oltre ad applicare metriche e standard di progettazione prestabiliti. Ad esempio, le parti simili con lunghezza diversa possono essere raggruppate in una singola famiglia di parti. "La funzionalità per le famiglie di parti è molto utile", dichiara Meijerink. "Mi permette di assemblare rapidamente parti diverse, risparmiando molto tempo". Il modello completo può essere facilmente condiviso con analisti di progettazione e progettisti CAM, accelerando e abbreviando lo sviluppo dei prodotti. "Un'altra caratteristica di NX CAD, importante per il mio lavoro, è costituita dalla possibilità di leggere dati di progettazione inviati da clienti che utilizzano piattaforme CAD diverse", aggiunge Meijerink.

Accelerare le iterazioni di analisi

"La piattaforma integrata NX CAD e Simcenter 3D CAE ci permette di accelerare le attività quotidiane", spiega Mathys te Wierik, R&D Engineer di PM-Bearings. "Una volta completati i progetti, dobbiamo analizzarne rigidità e prestazioni. Simcenter lo fa in modo eccellente. Posso facilmente preparare la geometria per la simulazione, se necessario introdurre semplificazioni della geometria, come le superfici intermedie, applicare una mesh, inviare l'attività al solutore NX Nastran e analizzare i risultati calcolati."

"Se necessario, posso modificare la geometria, ad esempio spostando le nervature di rinforzo sul momento, direttamente da Simcenter", aggiunge te Wierik. "Poiché tutte le parti associate vengono aggiornate automaticamente, posso risolverle e confrontare le analisi, risparmiando molto tempo. Dopo alcune iterazioni di progettazione e analisi, il progetto validato viene inviato direttamente al progettista CAM, senza esportare dati in un formato diverso. "

"In passato, esternalizzavamo il calcolo a elementi finiti", racconta Wierik. "Prima ci volevano due settimane per ottenere i risultati. Ora, con Simcenter bastano pochi minuti o poche ore, a seconda della complessità dell'analisi. Questo ci permette di accelerare molte cose. Eseguendo la simulazione internamente, possiamo ottenere moltissimi insight sui nostri prodotti."

Precisione nanometrica

Con requisiti di precisione estrema e l'esigenza di ridurre a nanometri l'entità delle vibrazioni, PM-Bearings si trova di fronte a problematiche di produzione uniche. La precisione, che dipende in modo sostanziale dal processo di lavorazione, influisce sull'estetica e sulle prestazioni del prodotto. Per lavorare con precisione le parti mobili sulla base dei progetti 3D, le persone e i macchinari del reparto produzione hanno bisogno di istruzioni di lavorazione esatte. Le funzionalità di programmazione NC e di simulazione dei macchinari offerte da NX CAM, con il suo CAD integrato, consentono a PM-Bearings di definire un piano di fabbricazione completo molto prima di iniziare la produzione.

Kenny Prins, CAM Engineer (Computer-Aided Manufacturing) responsabile pianificazione e controllo della produzione presso PM-Bearings, sa per esperienza che, per configurare correttamente i cicli di produzione al primo tentativo, è necessario pianificarli digitalmente. "All'inizio tutte le attività di programmazione venivano eseguite sulla macchina", racconta Prins. "Per ogni cambiamento dovevamo controllare e modificare l'intero programma, ma questa attività richiedeva molto tempo e presentava un'elevata probabilità di errore. I downtime imposti al personale e alle macchine utensili del reparto produzione ci costavano molto tempo e denaro. "Ora, con la soluzione NX CAM possiamo ridurre fino all'80% il tempo necessario per la programmazione, utilizzando un Digital Twin del pezzo in lavorazione, delle attrezzature e della macchina, e questo migliora la nostra competitività".

Come molte altre aziende manifatturiere, PM-Bearings ha l'esigenza di accelerare le operazioni di fresatura, tornitura e finitura dei prodotti di alta qualità, prolungando al tempo stesso la vita utile dell'utensile. "Quando ricevo un modello per la produzione dal team di progettazione, mi assicuro innanzitutto che i nostri utensili e i nostri macchinari siano in grado di gestire il lavoro", spiega Prins. "Una rapida verifica delle operazioni nel software NX CAM ci mostra se le attrezzature e i macchinari fisici potrebbero avere problemi nella gestione della parte progettata. Questa funzionalità è molto utile, poiché ci permette di eliminare agevolmente ogni potenziale problema di fabbricazione fin dall'inizio del processo di pianificazione. Quando identifichiamo un problema di fabbricazione, collaboriamo con i team di progettazione alla modifica del progetto. I nostri team utilizzano il software Teamcenter per la collaborazione e la condivisione dei dati. Utilizzando un processo a ciclo chiuso, le modifiche al progetto si propagano automaticamente alle fasi di analisi e pianificazione, per arrivare alla fabbricazione nel reparto produzione."

"Uso quotidianamente anche le strategie di lavorazione flessibile disponibili in NX CAM", continua Prins. "I tagli con le macchine non sono tutti uguali. La precisione della parte finale è direttamente collegata alla tensione generata dalle operazioni di taglio. A seconda che si debba fresare un ampio blocco di metallo o piccole parti con uno spessore di cinque millimetri, le strategie di lavorazione sono diverse. Il software propone automaticamente un percorso utensile per la rimozione del materiale, ma offre anche la flessibilità di utilizzare il nostro know-how per modificare la strategia di lavorazione in modo da garantire risultati ottimali. Acquisendo e riutilizzando la nostra esperienza, applichiamo efficienti processi di lavorazione per ottenere parti di qualità eccellente e, al tempo stesso, prolungare la vita utile dell'utensile."

Garantire la precisione attraverso la digitalizzazione

"La condivisione dei modelli 3D e la possibilità di accedere alle informazioni più recenti costituiscono i principali vantaggi di Teamcenter", afferma Ridderinkhof. "Il formato JT rende accessibile il modello all’intera azienda, non solo al team CAM, incluso il personale che si occupa di pianificare la fabbricazione e quello del reparto produzione. Tutti hanno la possibilità di vedere i modelli, esplorarli, visualizzare i componenti nascosti e comprenderne la struttura. Queste informazioni vengono utilizzate anche dagli ingegneri in fase di assemblaggio. Sono utili a tutte le parti interessate, dai venditori che dimostrano i prodotti ai clienti, al personale interno, che deve capire come costruirli. Gli attributi associati agli elementi, come il nome del fornitore e il part number, vengono utilizzati per generare automaticamente la distinta base nel sistema ERP, estendendo il processo di digitalizzazione dei prodotti al reparto acquisti e riducendo gli eventuali errori umani."

"Siamo intenzionati a rimanere un produttore di parti meccaniche di precisione, pertanto dobbiamo battere la concorrenza", continua Ridderinkhof. "Per continuare a offrire i cuscinetti e le slitte di posizionamento più precisi sul mercato, abbiamo digitalizzato l'intero processo di progettazione e produzione utilizzando le soluzioni Siemens Digital Industries Software. Più tempo utilizziamo il software nella fase iniziale del processo di produzione, migliori sono i prodotti che riusciamo a realizzare. L'efficienza complessiva dell'azienda sta aumentando. Siamo in grado di fornire una vasta gamma di cuscinetti in meno tempo, eliminando anche gli errori e migliorando la qualità, e questo ci permette a sua volta di aumentare i profitti."