Piccoli, ma robusti e resistenti

Gamma prodotti Wika per applicazioni idrauliche.

Nonostante passino tutta la loro vita lavorativa respingendo ogni difficoltà ambientale, i sensori di pressione che sopportano le condizioni estreme sono molto attraenti.

Le condizioni ambientali estreme alle quali sono esposti i veicoli industriali sono ben note. Sporco, polvere, umidità, urti e vibrazioni, oltre alle temperature estreme, sono una realtà quotidiana. Tuttavia, i sensori di pressione OEM dedicati all’automazione e nelle applicazioni idrauliche di tipo mobile si confrontano con la necessità di trovare un trasmettitore di pressione in grado di garantire un’alta qualità prestazionale con un rapporto qualità prezzo eccellente. Il miglior modo per affrontare questo complicato problema è quello di scegliere un partner competente che abbia le giuste soluzioni per la misura della pressione; uno che abbia la maggior esperienza possibile e che offre allo stesso tempo il sensore e il tipo di tecnologia più completi. Questo garantisce che si possa utilizzare la miglior tecnologia disponibile per ogni applicazione.

Il processo di innovazione

La base per un prodotto di successo si genera all’inizio del suo ciclo di vita: la prima fase di sviluppo. In questa fase, nelle caratteristiche tecniche vengono fissate le richieste di mercato e poi implementate nel seguente processo di innovazione. Non sono solo le caratteristiche tecniche a giocare un ruolo importante, ma anche le complesse richieste dell’ambiente a cui il sensore dovrà successivamente resistere.

I sensori “standard”, con caratteristiche confrontabili, sono stati spesso trattati per uso idraulico mobile, ma questi non sono solitamente progettati e testati per condizioni ambientali così severe. Il problema è, quindi, prima o poi, inevitabile.

In Wika, il processo di innovazione per i sensori di pressione si basa sui requisiti ISO/TS 16949. Il processo è monitorato per mezzo di diverse vere e proprie pietre miliari che concorrono nella fase di sviluppo (State-Gate Process) con  riesame della direzione corrispondente.

Sulla base dei requisiti del foglio di specifica, nella fase di progetto saranno sviluppate diverse opzioni. Il migliore sarà implementato nella fase successiva: l’effettivo sviluppo di prodotto. Questa fase è di solito uno dei passaggi sorprendentemente più brevi dell’intero processo. Nella fase successiva, una volta che è chiaro come dovrà essere costruito il sensore di pressione, può iniziare lo sviluppo del processo della linea di produzione. L’ultimo obiettivo in questo punto è quello di evitare errori, il che è assicurato, tra le altre misure prese, dal Failure Mode and Effects Analysis (FMEA). Tutto il processo e gli step di prova vengono definiti in un Piano di Controllo.

La linea di produzione completamente automatizzata assicura alti volumi a elevati livelli di qualità.

Siccome la differenza tra i prodotti per idraulica mobile è in genere relativamente piccola, mentre la dimensione dei lotti degli articoli ordinati dai clienti OEM varia principalmente da medie a grandi quantità, il grado di automazione per ogni linea di produzione richiede un notevole aumento del livello di investimenti. i brevi tempi di ciclo macchina di 10-15 secondi e una capacità annuale di diverse centinaia di migliaia di trasmettitori sono perciò fattibili e comuni. E’ quindi assicurato un eccezionale rapporto prezzo-prestazioni con una sufficiente e duratura capacità produttiva: un punto importante per tutti i clienti OEM che hanno un regolare incremento di produzione nella direzione dei grandi volumi, con prestazioni di consegna ben definite.

Nella fase finale, prima quindi del lancio ufficiale di mercato e del SOP (Start of Production), la validazione di processo/prodotto viene effettuata all’interno dei laboratori delle aziende. Tutte le caratteristiche rilevanti del bollettino tecnico per i “C samples”, costruiti nell’impianto di produzione di serie, saranno individualmente riviste. Questo include, ad esempio, prove di compatibilità elettromagnetica, di protezione sugli ingressi, di accuratezza, di campo, di cicli di carico, di urti e vibrazioni.

Le prove estese sono condotte presso i laboratori Wika.

In aggiunta a questi test individuali, Wika ha, per alcune applicazioni, ulteriori procedure di prova per esigenze specifiche di mercato e quindi basate sull’applicazione stessa. La maggior parte sono sequenze di prova (ad esempio subite da un definito numero di campioni di prova). Questo prova a simulare il carico che ci si attende in campo, in modo da indentificare e risolvere potenziali debolezze del SOP.

Per i gruppi di prove che riguardano l’idraulica mobile Wika definisce tre principali punti; prove di tipo meccanico, elettrico e ambientale. Con quelle di tipo ambientale, il pezzo deve resistere, ad esempio, a una serie di prove di cicli di shock termico con acqua bollente e acqua ghiacciata, seguite da singoli/continui shock e successivamente soggetti al test dello spruzzo con sale. Un dispositivo sarà validato solo al termine della serie completa di prove che abbia dato risultati positivi.

Qualità in produzione

Questa è comunque lontana da raggiungere. In modo particolare, nella fase di crescita di un prodotto, è importante controllare sistematicamente i processi produttivi. Ogni passo della produzione ha parametri di processo definiti che vengono metodicamente registrati durante l’andamento della produzione. La valutazione è quindi eseguita con i diagrammi di controllo qualità (SPC – Statistic Process Control) tramite il software di controllo della macchina. Eventuali anomalie dovute alla deviazione del materiale o a guasti macchina possono essere immediatamente identificate e le cause analizzate e corrette in modo tempestivo. Anche per i sensori già consegnati e installati è assicurato il 100% della tracciabilità. Essi sono tutti etichettati con un numero di serie univoco, il quale indica che tutti i parametri di produzione possono anche essere visualizzati successivamente e attribuiti alla unità specifica.

I processi che non forniscono i risultati desiderati vengono esaminati in dettaglio per mezzo del processo CIP (Continuous Improvement Process). Un team di esperti della qualità promuove dei workshop Kaizen per identificare i problemi e implementare i relativi miglioramenti.

Quando un cliente effettua un reclamo, è comunque possibile rendere il prodotto al fornitore per una analisi tecnica. Per arrivare alla “root cause” e per notificare al cliente che sono state apportate tutte le appropriate azioni correttive, viene utilizzato un’accurato rapporto 8D.

Un reclamo di tipo comune non è a volte sulla qualità stessa del prodotto, ma sulla non corretta spedizione dei prodotti, derivante da procedure manuali nel processamento ordini. Wika dispone anche alcune interessanti soluzioni per automatizzare questi processi, in base alle quali il dato dell’ordine e la conferma d’ordine sono gestite elettronicamente tramite EDI (Electronic Data Interface). Idealmente, lo stock può essere generato automaticamente (Kanban/VMI – Vendor Managed Inventory).

Tecnologia del sensore a film sottile metallico

Wika è un costruttore globale per le tre principali tecnologie di sensori.

Come componente essenziale per la misura di pressione elettronica è richiesto un sensore. Non ci sono principi sui sensori ideali, ma ogni tecnologia ha certi vantaggi e svantaggi. Wika è un costruttore globale per le tre tecnologie di sensore più importanti: film spesso di tipo ceramico, film sottile di tipo metallico e tecnologia piezoresistiva. Questo ha il considerevole vantaggio di poter selezionare la miglior soluzione per ogni esigenza specifica.

Date le severe condizioni ambientali nell’idraulica mobile, la tecnologia a film sottile metallico ha dei chiari vantaggi per la resistenza alle severe condizioni operative. Il sensore a film sottile metallico è essenzialmente un supporto in acciaio inossidabile con una membrana. Sul lato della membrana che si affaccia internamente rispetto al fluido di contatto sono collegate, oltre agli strati isolanti, delle resistenze in modo da formare un ponte di Wheatstone, e vengono sovraimpresse le resistenze e i conduttori per la compensazione della temperatura. Il complesso processo di produzione che sta alle dietro alla realizzazione di queste strutture viene effettuato sotto le condizioni di una camera sterile e viene utilizzata una combinazione di processi chimici (CVD) e fisici (PVD) fotolitograficamente strutturati per incisione.

L’ottimizzata tecnologia del film sottile metallico di Wika ha la caratteristica di avere un’eccellente stabilità nel tempo. Durante il processo PVD la superficie metallica del sensore, lo strato di isolamento e la resistenza applicata vengono impilati e legati insieme a livello atomico. Questo legame garantisce le prestazioni più elevate, anche in condizioni estreme, entro ampi campi di temperatura e nel tempo.

Grazie alla sua struttura monolitica, che è poi saldata e sigillata ermeticamente direttamente alla connessione di pressione, il sensore a film sottile metallico è insensibile a urti e vibrazioni. Grazie ai materiali utilizzati, il sensore ha inoltre un’ottima resistenza al sovraccarico con carichi di pressione dinamica e una pressione di rottura molto elevata, che sono il risultato derivante dall’elevata duttilità dell’acciaio speciale utilizzato.

In generale, i cambiamenti di temperatura incidono sulla misura della pressione con tutte le tecnologie di sensori, pertanto è necessario compensare questi effetti della temperatura non voluti. Grazie alla tecnologia a film metallico sottile di Wika, la compensazione di temperatura è effettuata direttamente sul sensore: ulteriori resistenze per la temperatura sulla membrana del sensore vengono direttamente regolate utilizzando un laser. Non sono quindi richieste regolazioni complesse e costose, che utilizzano complicati circuiti elettronici.

Trasmettitori di pressione di nuova generazione

Il trasmettitore di pressione MHS-1, con il suo sensore di pressione a due canali integrato sviluppato appositamente per le applicazione di sicurezza critica e di sicurezza nell’idraulica mobile, è la più recente innovazione Wika. Sviluppato e testato consultando il TUV (servizio di prove e valutazione indipendente), l’MHS-1 è progettato per soddisfare gli standard di sicurezza richiesti dalle norme ISO 13849-1 (performance Level – PL) e la IEC 61508 (Safety Integrity Level – SIL). La misura di pressione a due canali, l’elaborazione del segnale elettrico separato e i segnali in uscita indipendenti 4-20 mA permettono il controllo ridondante dei punti di misura della pressione. Tuttavia, l’OEM necessita di una connessione di pressione singola con solo una tenuta e un solo connettore con cavo.

Il controller della macchina permette di individuare un guasto casuale, hardware o software, sul sistema di controllo del carico di sicurezza critico controllando i segnali dei due sensori: se viene identificata una situazione pericolosa l’attuatore può essere messo in stato di sicurezza. Viene quindi sostanzialmente ridotta la probabilità di un pericoloso guasto di sistema. Questa soluzione aumenta la sicurezza del processo ed è anche vantaggiosa a livello di costi perché le installazioni meccaniche ed elettriche hanno un costo inferiore rispetto all’uso di due sensori di pressione individuali. Le caratteristiche di sicurezza rilevanti del sensore di pressione fornito da Wika, contiene anche i valori MTTF (Meat Time To Failure). L’utilizzatore può quindi valutare facilmente e velocemente un completo sistema di controllo di sicurezza (sensore, controller e attutatore). L’MHS-1 è conforme alla sicurezza funzionale SIL 2 in accordo con la norma IEC 61508 e Categoria 3 Performance Level come per ISO 13849-1.

Segnale di uscita CANopen

Sempre più di frequente i sensori digitali o analogici vengono rimpiazzati da dispositivi a bus compatibili. Siccome le reti CANbus sono già disponibili per il controllo dei generatori elettrici nei veicoli commerciali e nei macchinari da costruzione, questo sistema bus è spesso la soluzione preferita.

Realizzata sulla base di questo robusto sistema, l’organizzazione non profit CiA (CAN in Automation) ha stato definito un protocollo standardizzato CANopen higher-layer. Questo consente all’utente di fare funzionare i dispositivi di diversi OEM. Con il CANopen, la compatibilità richiesta delle funzioni base per i diversi tipi di dispositivo è assicurata dal CIA e dalle corrispondenti definizioni degli standard (draft standards – DS).

Il costo inferiore di collegamento è il motivo principale per l’utilizzo di sensore di pressione CANopen rispetto ai sensori analogici tradizionali. Questo significa che non solo si riducono i cavi di collegamento ma è anche possibile espandere il sistema con facilità. Le linee dati e di alimentazione sono unite in un singolo cavo schermato CAN che può correre da un bus a un altro.

Il connettore a Y integrato ha il vantaggio di essere più robusto e compatto.

In modo specifico nell’idraulica mobile, Wika ha dimostrato il concetto di un dispositivo distributore a Y integrato, implementato con il D-20-9. Un connettore a Y integrato, al contrario della versione montata esternamente, offre il maggior vantaggio di essere più robusto (EMC, urti e vibrazioni) e considerevolmente più compatto.

Nelle applicazione per idraulica mobile è anche richiesto un funzionamento duraturo in condizioni EMC severe, con forza di campo elettromagnetico fino a 100V/m. Per assicurare che venga fornita elevata immunità ai campi elettromagnetici, la schermatura del cavo è collegata al guscio del sensore tramite una spina.

Grazie alla trasmissione digitale dei valori misurati con CANopen, l’utilizzatore può non preoccuparsi riguardo alle interferenze sul valore analogico, che potrebbe accoppiarsi con il segnale lungo la linea.

 Scegliere il giusto fornitore

Non sono solo il prezzo e le caratteristiche accanto alla corrispondente tecnologia del sensore di pressione i fattori significativi nella selezione di fornitore di sensori adeguato. Le competenze nei processi di sviluppo/costruzione, la gestione della logistica e della qualità sono anche molto importanti per cercare strumenti affidabili e di alta qualità, sia robusti nel lungo termine sia dotati di un attraente rapporto prezzo/prestazioni.

L’MHS-1 è un nuova e innovativa soluzione di misura della pressione che è stata appositamente sviluppata per applicazioni di sicurezza critica nell’hydraulic mobile. I prodotti che hanno già dimostrato se stessi in questo mercato sono l’MH-2 (per volumi OEM a un eccellente rapporto qualità/prestazioni) e il D-20-9 (CANopen standardizzato con interfaccia digitale). Wika è in grado di offrire sempre il prodotto giusto in funzione delle specifiche richieste del cliente.

La propria configurazione flessibile dello strumento e l’avanzato sistema di produzione supporta la possibilità di soluzioni adatta a clienti specifici, come anche a prodotti con etichette personalizzate con loghi dei clienti. Per assicurare la più alta qualità, la gamma di sensori è certificata in accordo con la norma ISO/TS 16949:2002, lo standard mondiale per l’industria automotive.

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