Non sempre la robotica serve a produrre più velocemente: nel caso di Modine CIS Italy, specializzata da oltre un secolo in soluzioni per la gestione termica, l'integrazione di due robot di verniciatura forniti da CMA Robotics è nata dall'esigenza di garantire maggiore uniformità, ripetibilità e controllo del ciclo di applicazione del topcoat UV sugli scambiatori di calore caratterizzati da geometrie altamente complesse e requisiti prestazionali severi, trattati con il processo brevettato ElectroFin®.
Gli scambiatori di calore sono dispositivi essenziali per la gestione delle temperature in un’ampia gamma di applicazioni industriali, commerciali e civili. Progettati per trasferire energia termica tra due fluidi a temperature differenti senza consentirne la miscelazione, questi sistemi - le cui dimensioni possono variare notevolmente in funzione dell’applicazione finale - permettono di ottimizzare i processi di riscaldamento, raffreddamento e refrigerazione, migliorare l’efficienza energetica e ridurre i consumi. Il trasferimento di calore avviene generalmente attraverso una superficie metallica che mantiene separati i fluidi ma ne favorisce il contatto termico, garantendo uno scambio controllato e continuo.
Dal punto di vista progettuale, questi elementi sono caratterizzati da geometrie spesso molto complesse, sviluppate per massimizzare la superficie di scambio e incrementare le prestazioni termiche. Alette, microcanali, collettori e tubazioni devono operare in condizioni che possono risultare particolarmente gravose, soprattutto quando i componenti sono esposti ad ambienti corrosivi, agenti atmosferici, salsedine o radiazione ultravioletta. In questi casi, la durabilità del sistema non dipende soltanto dall’efficienza dello scambio termico, ma anche dalla capacità delle superfici di resistere nel tempo al degrado inevitabile.
La protezione superficiale degli scambiatori rappresenta oggi una sfida non meno complessa della loro stessa progettazione e realizzazione. Rivestire in modo uniforme strutture caratterizzate da fitte reti di alette e cavità interne richiede infatti processi altamente specializzati, in grado di garantire non solo la copertura delle superfici più accessibili, ma anche la penetrazione del trattamento nelle zone più critiche. È proprio da questa esigenza che nasce ElectroFin®, la tecnologia sviluppata da Modine Manufacturing Company – azienda fondata nel 1916 e specializzata in soluzioni per la gestione termica – per incrementare la resistenza alla corrosione degli scambiatori di calore destinati alle applicazioni più gravose. In questa ottica, lo stabilimento italiano del Gruppo Modine ha recentemente introdotto un sistema di verniciatura robotizzata sviluppato in collaborazione con CMA Robotics, azienda specializzata nella progettazione, produzione e installazione di robot antropomorfi e sistemi di verniciatura industriale, in grado di fornire soluzioni complete chiavi in mano. L’investimento non è stato guidato soltanto da esigenze di efficienza produttiva, ma soprattutto dalla necessità di rendere ripetibile un’applicazione particolarmente complessa, nella quale spessore, angolo di spruzzatura e capacità di penetrazione del rivestimento influenzano direttamente le prestazioni del prodotto finale.
L’area di carico dei componenti sul trasportatore. ©ipcm
L’esterno della cabina per l’applicazione del topcoat UV. ©ipcmOltre un secolo di innovazione e la visione 80/20
“Modine Manufacturing Company nacque negli Stati Uniti nel secondo decennio del Novecento, su iniziativa di Arthur Modine, con l’obiettivo di progettare soluzioni avanzate per lo scambio termico” – racconta Cristian Michelin, Marketing & Advertising Specialist di Modine CIS Italy. “Fin dalle origini, l’azienda si distinse per un approccio fortemente innovativo, arrivando a collaborare con Henry Ford per la fornitura dei radiatori del celebre Modello T e contribuendo così allo sviluppo del settore automotive. Questo DNA tecnologico è rimasto immutato nel tempo ed ha permesso all'azienda di affermarsi come produttore e partner industriale di riferimento nel campo del thermal management”.
Nel corso di oltre un secolo di storia, l’azienda ha seguito un percorso di crescita costante, espandendosi a livello globale a partire dagli anni Ottanta e consolidando progressivamente la propria presenza nei mercati HVAC-R e industriali. Contemporaneamente, Modine ha continuato a evolvere la propria proposta tecnologica, orientandola sempre più verso l’efficienza energetica e la sostenibilità. Negli anni più recenti ha inoltre intrapreso un importante percorso di orientamento strategico basato sul principio di Pareto, o regola 80/20[1], che prevede la concentrazione delle risorse sulle attività e sui prodotti in grado di generare il maggiore valore per l’azienda e per i clienti. Oggi Modine è una realtà globale presente in oltre 20 Paesi, con una forte diversificazione sia dal punto di vista geografico che dei settori di riferimento.
Il processo di rivestimento brevettato ElectroFin®
ElectroFin® è un processo di rivestimento per elettrodeposizione che consente di proteggere completamente le superfici, garantendo una copertura uniforme anche nelle aree più complesse e difficili da raggiungere (v. box di approfondimento tecnico qui sotto). Questa tecnologia offre una protezione estremamente efficace contro la corrosione, anche in ambienti particolarmente aggressivi, e consente di preservare le performance termiche degli scambiatori nel tempo, prolungandone la vita utile. Il suo valore sta proprio nella capacità di combinare efficienza termica e durabilità lungo tutto il ciclo di vita del prodotto.
“Il processo è stato studiato per assicurare una copertura uniforme e completa dell’intero scambiatore, mantenendo uno spessore di rivestimento estremamente ridotto, tipicamente nell’ordine di pochi micron” - spiega Claudio Mazzariol, Manufacturing Engineer di Modine CIS Italy – “così da preservarne l’efficienza originaria, evitando accumuli localizzati e fenomeni di bridging tra le alette”.
Il ciclo prevede una sequenza controllata di fasi che prendono avvio dal lavaggio alcalino per la rimozione dei contaminanti superficiali e proseguono con l’immersione dei componenti nel bagno di cataforesi.
Dopo la deposizione, il pezzo viene risciacquato e trasferito in forno per la fase di essiccazione, che consolida il rivestimento in un film epossidico uniforme, aderente e resistente alla corrosione.
“In funzione delle condizioni applicative” – prosegue Mazzariol – “il ciclo può essere completato con un topcoat UV per migliorare la resistenza all’esposizione solare. Proprio per ottimizzare questa operazione sono stati integrati i due robot forniti da CMA Robotics, in sostituzione della precedente applicazione a spruzzo manuale, che abbiamo comunque mantenuto sui pezzi di grandi dimensioni”.
ElectroFin®: l’alta precisione di una tecnologia applicativa innovativa
Grazie allo sviluppo della tecnologia ElectroFin®, l’azienda tratta scambiatori di calore destinati non solo al settore HVAC-R, ma anche ai comparti Power Generation, fino ad applicazioni ad alta specializzazione come l’offshore e l’aerospace. “Si tratta di ambienti in cui la protezione dalla corrosione assume un ruolo determinante nel garantire continuità operativa e durata degli asset”, interviene Michelin. “Gli elevati livelli di resistenza alla corrosione ottenibili con il processo ElectroFin® consentono di raggiungere prestazioni assimilabili a quelle richieste dalla classe di corrosività più severa (CX). L’elemento distintivo di questo trattamento è proprio l’elevato livello di precisione che riusciamo ad ottenere con questa tecnologia ed è questa esigenza di precisione estrema che ha reso evidente l’importanza dell’automazione. La scelta di rivolgerci a CMA Robotics è nata così dalla necessità di migliorare la qualità costante del trattamento, aumentare la produttività e ridurre la variabilità legata ai processi manuali, soprattutto in caso di lavorazioni complesse”.
Una soluzione robotizzata per risultati ripetibili
L’obiettivo principale dell’integrazione di un sistema robotizzato per l’applicazione del topcoat UV, attualmente a base acqua, era quindi quello di garantire una ripetibilità del risultato non ottenibile con il precedente processo manuale. “Fattori come l’azione dell’operatore, la postura e la durata dei turni di lavoro possono influire in modo significativo sulla qualità finale del rivestimento”, spiega il team di Modine CIS Italy.
CMA ha quindi sviluppato una stazione robotizzata composta da due dispositivi antropomorfi contrapposti, perfettamente calibrata sulle esigenze produttive della linea.
La soluzione proposta da CMA ha permesso di mantenere l’attuale sistema di trasporto, garantendo l’automazione del processo senza ricorrere a un intervento così invasivo. “I risultati ottenuti hanno confermato l’efficacia della soluzione,” - ribadisce Michelin - “favorendone la progressiva estensione agli altri impianti del Gruppo.”
“Il sistema è costituito da due robot antropomorfi contrapposti della serie GR680 installati a soffitto con il settimo asse posizionatore, ciascuno gestito da un proprio quadro di controllo” - interviene Marco Zanor, CEO di CMA Robotics. “Completano l’impianto un sistema di scansione anch’esso installato su di un settimo asse e una zona di parcheggio chiusa per proteggere i sensori dall’overspray, in modo che non vengano intaccati dal prodotto spruzzato. Il sistema è, inoltre, dotato di un quadro CPR-S per la gestione delle scansioni”.
Il robot GR-680 è una macchina elettronica dotata di 6 assi di movimento per eseguire automaticamente tutti i processi necessari al trattamento superficiale, come verniciatura a liquido o rivestimento a polvere su superfici come metallo, legno, plastica, ceramica e applicazioni in resina. “Una maggiore flessibilità” – prosegue Zanor – “si ottiene grazie all'eccezionale progettazione del braccio del robot, che consente una rotazione di 360° di ciascun asse, raggiungendo ogni punto dell'elemento da trattare”.
I due robot antropomorfi installati da CMA Robotics. © ipcm
Durante la fase applicativa, il braccio robotizzato replica con precisione i movimenti dell’operatore, garantendo la stessa sequenza di gesti in modo costante e ripetibile. © ipcmLe sfide del progetto di automazione
L’introduzione del sistema automatizzato con i due robot contrapposti ha rappresentato un’evoluzione significativa del processo applicativo, innescata dal passaggio a un rivestimento UV a base acqua. Una transizione dal rivestimento al solvente che ha modificato il sistema di gestione del processo e il controllo delle condizioni ambientali.
“L’utilizzo di vernici a base acqua ha introdotto nuove variabili nella fase di essiccazione, rendendo necessario un lavoro di ottimizzazione congiunto con CMA per la regolazione di temperatura e umidità”, spiega Mazzariol. A differenza dei sistemi a solvente, più flessibili nella fase di asciugatura, le formulazioni all’acqua richiedono infatti un bilanciamento dei parametri estremamente preciso: un’essiccazione troppo rapida può generare difetti superficiali, mentre un processo eccessivamente lento compromette la qualità finale del film. “In questo caso, la collaborazione con CMA ha permesso di mettere a punto un sistema di applicazione capace di garantire la massima precisione della deposizione, anche su geometrie complesse come quelle degli scambiatori a microcanale. L’inclinazione delle pistole e la regolazione della pressione di spruzzatura consentono infatti al rivestimento di penetrare all’interno delle alette per alcuni millimetri, assicurando una protezione uniforme sull’intera superficie. L’obiettivo è quello di massimizzare la capacità di penetrazione della vernice: maggiore è la copertura nelle zone interne dello scambiatore, maggiore è il livello di protezione complessivo”, sottolinea Michelin.
L’attuale configurazione semi-automatica della linea rappresenta una fase intermedia di sviluppo: l’obiettivo è evolvere progressivamente verso un sistema completamente automatizzato, in funzione dell’aumento dei volumi produttivi. “Questa impostazione consente comunque già oggi un’elevata flessibilità operativa” – conferma Michelin – “poiché permette di gestire diverse tipologie di prodotto con caratteristiche dimensionali e geometriche differenti. Un aspetto particolarmente rilevante in un contesto di mercato caratterizzato da forte variabilità della domanda e dalla necessità di adattare rapidamente la produzione ai settori più svariati”.
Quando robotizzare non significa velocizzare
L'introduzione della robotica nello stabilimento italiano ElectroFin® non è stata quindi finalizzata ad aumentare la velocità di applicazione del rivestimento, quanto a garantire costanza e ripetibilità dei parametri operativi. La deposizione del topcoat UV richiede parametri di processo molto precisi: una velocità eccessiva comprometterebbe la capacità della vernice di penetrare tra le alette e raggiungere le superfici interne dello scambiatore. Per questo motivo i robot operano con tempi ciclo sostanzialmente analoghi a quelli dei migliori operatori specializzati, replicando però con assoluta costanza traiettorie, angoli di spruzzatura e distanze di applicazione. “Nel processo manuale” – precisa Mazzariol – “l'operatore era chiamato a eseguire una sequenza articolata di passaggi, orientando la pistola secondo diverse inclinazioni per garantire una copertura completa del componente. Un'attività articolata, resa ancora più complessa dalle condizioni operative tipiche della cabina di verniciatura. L'automazione ha consentito di trasferire queste procedure al robot, che le ripete in modo identico su ogni pezzo, eliminando le variabili legate alla soggettività, assicurando una migliore qualità del trattamento”.
I benefici si sono tradotti non solo in una maggiore costanza applicativa, ma anche in una significativa riduzione delle rilavorazioni. Il colore del rivestimento rende infatti particolarmente difficile individuare eventuali differenze di copertura durante l'applicazione; eventuali difetti emergono spesso soltanto dopo l'essiccazione. “La maggiore precisione e ripetibilità garantite dal sistema sviluppato con CMA hanno decisamente contribuito a ridurre questi interventi correttivi”.
Unità di controllo con PLC di comando dei due robot antropomorfi. © ipcm
Il pannello mobile. © ipcmAlcuni accorgimenti tecnici avanzati
Oltre all'automazione dell'applicazione, il progetto sviluppato con CMA Robotics ha integrato una sensoristica avanzata destinata al monitoraggio continuo dei principali consumi, con l'obiettivo di costruire nel tempo un database sempre più completo a supporto dell'ottimizzazione delle ricette. “La nostra intenzione è quella di estendere progressivamente questo sistema anche ad altre fasi del processo ElectroFin®, così da ridurre ulteriormente le variabili operative e migliorarne il controllo”, afferma Michelin.
Un ulteriore aspetto particolare di questo progetto è rappresentato dal sistema di scansione tridimensionale: a differenza di una soluzione basata su scanner bidimensionali, in grado di rilevare esclusivamente la presenza del componente, il sistema implementato è stato progettato per riconoscere anche la geometria tridimensionale dei pezzi e le eventuali sporgenze presenti. “La programmazione delle sequenze di verniciatura viene effettuata utilizzando un sistema di scansione con un set di sensori Wenglor” – precisa il CEO di CMA Robotics. “I singoli punti vengono registrati e, con l'aiuto di software proprietario, calcolati in un processo di spruzzatura continuo e coordinato. Correzioni a punti, velocità di movimento, elementi di collegamento o parametri di processo possono essere impostati in qualsiasi momento. Il sistema di visione è in grado di rilevare eventuali aree sporgenti e il robot modificherà il programma per mantenere una distanza di sicurezza dai tubi, aumentando la distanza di spruzzatura se necessario”.
“Questa funzionalità risulta particolarmente utile nel caso di scambiatori dotati di collettori, raccordi o altri elementi che fuoriescono dal profilo principale del componente” – sottolinea Mazzariol. “Lo scanner genera infatti una mappa tridimensionale che consente al robot di adattare automaticamente le traiettorie di applicazione, evitando possibili collisioni e concentrando l’applicazione esclusivamente sulle superfici da trattare”.
La soluzione si è rivelata particolarmente vantaggiosa anche nella gestione di differenti tipologie di prodotto caricate contemporaneamente sulla stessa barra. Il sistema è infatti in grado di identificare la posizione e la geometria di ciascun componente, modulando automaticamente il percorso delle pistole e ottimizzando la deposizione del rivestimento senza richiedere modifiche sostanziali alla programmazione della linea. L'aggiunta di un asse dedicato alla rilevazione della profondità ha inoltre consentito di gestire con maggiore precisione componenti caratterizzati da geometrie tridimensionali particolarmente articolate.
Conclusioni
Polmone di accumulo dei pezzi in attesa di essere scaricati per l’imballaggio e la spedizione finale. © ipcm“Questo progetto ad elevata automazione è ancora in evoluzione” – dichiara Michelin. “Stiamo infatti già valutando ulteriori sviluppi volti ad introdurre nuove funzionalità e aumentare progressivamente il livello di integrazione del sistema. Tra le prospettive future rientrano l'automazione delle fasi di carico, l'estensione del trattamento UV ad altre tipologie di scambiatori e l'eventuale implementazione di apparecchiature per il cambio colore, nel caso vengano introdotte ulteriori tinte, per rispondere alle specifiche esigenze di personalizzazione richieste dal mercato”.
“Guardando al futuro” – conclude il Marketing & Advertising Specialist – “Modine continuerà a investire nello sviluppo di tecnologie sostenibili e ad alto valore, con una particolare attenzione al mondo del cooling avanzato e ai settori più evoluti. Allo stesso tempo, crescerà l’integrazione tra automazione e processi produttivi, in una visione orientata a guidare la transizione sostenibile dell’intero settore HVAC-R. In questo percorso, la collaborazione con partner tecnologici come CMA Robotics sarà sempre più centrale, perché consente di rendere i processi più rapidi, efficienti e controllati, riducendo gli sprechi e contribuendo agli obiettivi di sostenibilità che sono in linea con la nostra visione, riassunta nel motto: ‘Engineering a Cleaner, Healthier World’”.
[1] Il principio di Pareto, noto anche come regola 80/20, afferma che in molti fenomeni circa l'80% degli effetti deriva dal 20% delle cause. In ambito industriale viene spesso utilizzato per identificare i prodotti, i clienti o i processi che generano la quota più significativa dei risultati, consentendo di concentrare risorse e investimenti sulle attività a maggiore impatto.
Un approfondimento tecnico sul processo e-coat ElectroFin®
Il processo di elettrodeposizione catodica ElectroFin® differisce dai processi tradizionali di verniciatura a spruzzo o per immersione perché garantisce il deposito di un film protettivo, sottile ma uniforme, anche sulle geometrie più complesse, garantendone la completa copertura senza compromettere le prestazioni di scambio termico.
Ogni componente viene ispezionato; le unità approvate vengono quindi identificate mediante un codice univoco che ne garantisce la completa tracciabilità durante tutte le fasi del processo e per l’intero ciclo di vita operativo.
Prima dell’avvio del trattamento, tutti i collettori, i tubi e le connessioni vengono accuratamente mascherati per impedire l’ingresso di vernice o prodotti chimici all’interno del sistema.
Gli scambiatori vengono quindi sottoposti a un lavaggio alcalino finalizzato alla rimozione di oli, polveri, particelle metalliche e altri contaminanti derivanti dalle lavorazioni e dalle operazioni di movimentazione e trasporto. Seguono due stadi di risciacquo.
Durante il processo, le particelle di resina, caricate positivamente, migrano sotto l’azione di un campo elettrico verso la superficie metallica del componente, collegata al polo negativo. Il sistema sviluppato da ElectroFin® è stato specificamente progettato per garantire una distribuzione omogenea del campo elettrico e una copertura completa dell’intera batteria. A differenza delle tecnologie convenzionali, il processo di elettrodeposizione presenta un comportamento autolimitante: man mano che il film si forma, la superficie rivestita diventa elettricamente isolante e rallenta progressivamente l’ulteriore deposizione. Questo fenomeno consente di ottenere spessori estremamente uniformi, evitando accumuli localizzati di materiale, difetti superficiali e fenomeni di bridging tra le alette. Ne deriva una protezione continua anche nelle zone più difficili da raggiungere, come cavità, bordi e aree estremamente alettate.
L’intero processo è gestito da un sistema di controllo digitalizzato che monitora costantemente i parametri operativi e consente agli operatori di verificare la corretta deposizione del film. Questa operazione permette di garantire una copertura pressoché totale della superficie esterna dello scambiatore e una ripetibilità qualitativa difficilmente ottenibile con sistemi di applicazione manuale.
Terminata la fase di deposizione, il componente è sottoposto a un risciacquo finale e trasferito nella camera di essiccazione. Qui il rivestimento viene progressivamente riscaldato fino alla temperatura di reticolazione, consentendo il completo indurimento della resina epossidica. Il risultato è un film continuo, compatto e omogeneo, caratterizzato da elevata adesione al substrato metallico, notevole resistenza alla corrosione, agli agenti chimici, alla nebbia salina, all’umidità e ai fenomeni di pitting. La reticolazione controllata elimina inoltre il rischio di colature, gocciolamenti o cedimenti del film, garantendo una finitura superficiale liscia e uniforme.
Uno degli aspetti distintivi della tecnologia ElectroFin® è il ridottissimo spessore del rivestimento, progettato per mantenere inalterata la capacità di scambio termico e favorire il massimo passaggio dell’aria attraverso il pacco alettato. Il film protettivo, pur essendo estremamente sottile, possiede una combinazione di durezza, flessibilità e resistenza meccanica che gli consente di proteggere efficacemente sia le batterie tradizionali a tubi e alette sia gli scambiatori a microcanali (MCHE).
Per applicazioni installate in ambienti soggetti a forte irraggiamento solare, il ciclo può essere completato mediante l’applicazione di un topcoat UV. Questo strato aggiuntivo contribuisce a preservare nel tempo l’aspetto estetico e la stabilità cromatica del film epossidico, riducendo gli effetti dello scolorimento dovuti all’esposizione prolungata ai raggi ultravioletti.
Grazie alle sue caratteristiche, il rivestimento ElectroFin® trova impiego in applicazioni particolarmente severe, quali installazioni costiere e offshore, centrali elettriche, raffinerie, impianti di trattamento delle acque reflue e contesti industriali o urbani caratterizzati da elevata umidità, presenza di contaminanti atmosferici e atmosfere corrosive. In queste condizioni il rivestimento contribuisce ad aumentare significativamente la vita utile degli scambiatori di calore, riducendo gli interventi di manutenzione e i costi operativi lungo tutto il ciclo di vita dell’impianto.