Innovazione nella meccanizzazione - Macchine da cantiere: il futuro è oggi!

Dai combustibili alternativi all’elettronica, dall’automazione alla sicurezza attiva, dalle architetture ibride alla robotica. L’innovazione nel settore della meccanizzazione edile non è mai stata così vivace come oggi. Tracciando le linee di sviluppo di un futuro che in molti casi è già presente.

L’arte del costruire ha più volte cambiato pelle nel corso della sua lunga storia, e molteplici sono stati i driver della sua evoluzione, dal miglioramento di metodologie e tecniche allo sviluppo di nuovi materiali. Ma se dovessimo indicare il fattore che ha maggiormente inciso sulla realtà del cantiere, il luogo in cui progetto e opzioni tecnologiche e costruttive prendono corpo e trovano il loro reale banco di prova, il posto d’onore spetterebbe senza dubbio alle macchine operatrici. Soprattutto a partire dagli anni 2000 questi strumenti di lavoro, in tutte le loro molteplici declinazioni, hanno vissuto una straordinaria crescita tecnologica che ne ha migliorato tutti gli aspetti chiave, dalla sicurezza alla produttività, dai consumi alle emissioni, con importanti ricadute in termini di riduzione dei costi, efficienza operativa e qualità del costruito. Un’evoluzione, questa, che sembra non conoscere soste, e che in particolare nell’ultimo decennio si è dispiegata lungo una serie di direttrici tecnologiche, alcune focalizzate sull’ottimizzazione di soluzioni già esistenti, altre più orientate all’esplorazione e all’innovazione di nuove frontiere, alcune delle quali stanno radicalmente trasformando sia le macchine che il loro utilizzo. Vediamo come.

Le linee di tendenza 

Chiunque abbia seguito la parabola delle macchine movimento terra nell’ultimo decennio è in grado di individuare con facilità esempi della loro crescita tecnologica riguardanti specifici aspetti, dal motore alle trasmissioni, dall’idraulica all’elettronica. Ma la complessità, le reciproche interazioni e, non ultimo, l’ottica di sistema con cui oggi i costruttori affrontano l’innovazione delle macchine per le costruzioni rende necessario un inquadramento preventivo di questi sviluppi per parole chiave e aree di intervento. Parole e aree che possiamo sommariamente individuare in Energia, Automazione, Sicurezza e Efficienza, ognuna con le proprie specifiche declinazioni e allo stesso tempo, soprattutto in alcuni campi, collegata in stretta interazione alle altre.

Energia 

La prima e più ovvia direttrice di sviluppo di questa macroarea riguarda i propulsori in ogni loro aspetto, dall’aumento del loro rendimento e densità di potenza tramite soluzioni di ottimizzazione della combustione all’abbattimento delle emissioni inquinanti, dalla progressiva riduzione delle cubature al miglioramento della loro ingegnerizzazione a bordo macchina, per arrivare alla sperimentazione di carburanti alternativi come il biodiesel e alimentazioni alternative come quella elettrica e, naturalmente, quella a idrogeno. Se da un lato l’evoluzione motoristica a livello di componenti e architettura prosegue con regolarità e in modo poco appariscente, dall’altro quella delle fonti di energia attrae ormai da anni i riflettori su di sé, mostrando vantaggi e criticità. Di alimentazione “full electric” si è parlato molto, nel bene e nel male, con esperienze positive nel segmento mini e maggiori complessità in quelli di classe superiore, che però hanno avuto il merito di indirizzare positivamente la ricerca. Si è in particolare lavorato su autonomia, tempi e logistica di ricarica; i modelli attualmente in produzione di serie garantiscono tutti almeno un ciclo di lavoro di otto ore e un equivalente tempo di ricarica, mentre per gestire l’alimentazione anche in cantieri privi di punti di alimentazione adeguati stanno avendo una certa diffusione le stazioni di ricarica mobili. L’area di sviluppo più interessante, tuttavia, è quella degli accumulatori. In questo ambito, alla crescente diffusione delle batterie al litio si stanno affiancando sperimentazioni molto promettenti come quelle riguardanti gli accumulatori a stato solido, a elettrolita ceramico e al grafene. Altro grande capitolo è quello dei combustibili alternativi, un fronte particolarmente vivace cui dedichiamo uno specifico approfondimento. In questa macroarea troviamo sia soluzioni di transizione rispetto al tradizionale motore termico come il biodiesel e l’HVO, un diesel sintetico prodotto per idrotrattamento di grassi e oli di scarto, sia radicali innovazioni come le motorizzazioni a idrogeno, attualmente uno dei fronti più promettenti, non ultimo perché una delle sue possibili declinazioni potrebbe consentire il mantenimento del tradizionale motore termico richiedendo la sola sostituzione di alcuni dei suoi componenti. 

Ma, come abbiamo detto, le evoluzioni collocabili nell’area Energia non coinvolgono le sole motorizzazioni ma anche due ambiti non meno rilevanti, l’idraulica e le architetture di distribuzione e uso della potenza. Quanto al primo, le sperimentazioni più innovative attualmente in corso puntano a una progressiva riduzione dell’uso degli impianti idraulici, sia tramite soluzioni ibride elettriche, sia attraverso l’introduzione di nuovi componenti come i cilindri a ricircolo di sfere in sostituzione dei tradizionali martinetti idraulici. Circa il secondo, nel quadro di un concetto evoluto di elettrificazione come architettura, ovvero di un ecosistema di componenti elettrici che compongono e gestiscono tutta la catena di controllo e operatività della macchina, iniziano a diffondersi sul mercato di retrofit per la sostituzione di powertrain da tradizionale a elettrico in modo agevole e nel rispetto di dimensioni e connessioni grazie a unità complete e integrate

Automazione

È forse uno dei campi più affascinanti perché apre una finestra su un futuro che fino a pochi anni or sono appariva fantascientifico. Riservando anche in questo caso l’approfondimento di alcuni aspetti specifici, individuiamo qui alcune tendenze generali, segnalando innanzitutto come questa macroarea risponda innanzitutto a un problema sempre più sentito nei cantieri edili, ovvero la difficile reperibilità di personale adeguatamente formato e qualificato. È evidente infatti che la possibilità di automatizzare una serie di lavorazioni e, in uno step più avanzato, di poter contare su macchine con un crescente livello di robotizzazione attenua la dipendenza dall’esperienza e capacità degli operatori, oltre a garantire risultati più costanti e prevedibili. Traslato nella concretezza delle tecnologie applicate alle macchine operatrici, questa tendenza vede ormai già da alcuni anni una diffusione crescente dei sistemi di assistenza allo scavo, livellamento e compattazione, cicli di lavoro di per sé ripetitivi e nel cui quadro è quindi richiesto un livello di automazione relativamente semplice. Il passo successivo, già oggetto di alcune interessanti sperimentazioni, è quello della parziale guida autonoma o assistita da remoto, in cui la macchina è in grado di operare in maniera automatizzata in specifici contesti e l’operatore svolge essenzialmente una funzione di supervisione (oltre che decisionale). Uno degli ambiti in cui le esperienze sono più avanzate è non a caso quello del mining, dove le macchine eseguono lavorazioni molto specifiche e ripetitive e seguono percorsi costanti e vincolati. C’è poi l’ampia area dell’integrazione uomo - macchina incarnata nella sua versione più futuribile dai cosiddetti “cobot”, definizione derivata dalla fusione delle parole “collaborazione” e “robot” utilizzata per i robot progettati per la collaborazione diretta con l’uomo, spesso in operazioni di assistenza alla macchina principale. Ma l’automazione in questo caso non significa solo maggiore produttività, costanza di risultati e migliore controllo dei processi. Rilevanti sono le ricadute anche nella terza area di sviluppo della meccanizzazione nelle costruzioni, la sicurezza.

Sicurezza

Si è molto parlato, e molto si continua a parlare, di questo delicato tema in rapporto alle pratiche degli operatori e del cantiere. L’evoluzione tecnologica delle macchine ha tuttavia introdotto un nuovo salto di qualità in quest’ambito. La sempre più massiccia presenza dell’elettronica nel controllo e gestione delle funzioni principali delle macchine ha infatti permesso l’integrazione a bordo macchina di sensori e dispositivi orientati a due grandi ambiti applicativi, la già citata automazione e, per l’appunto, la sicurezza. Sicurezza attiva, nello specifico, definizione che indica le soluzioni volte a impedire il verificarsi di un incidente, con una funzione quindi soprattutto preventiva. Ad aprire la diffusione di questi sistemi nelle macchine operatrici sono stati i sistemi di visione avanzata basati su telecamere, spesso integrate da sensori di rilevamento, utilizzati per offrire all’operatore una visuale a 360° dell’area operativa della macchina inclusi i punti ciechi, tradizionalmente critici soprattutto nei cantieri che comportano un’importante presenza di personale. Le soluzioni attualmente disponibili, previste come optional o direttamente integrate in fabbrica nella macchina, hanno raggiunto livelli di efficienza sensibilmente superiori rispetto alle prime rudimentali implementazioni. Il prossimo step è quello del rilevamento selettivo per l’identificazione e il superamento o aggiramento degli ostacoli; una delle caratteristiche più interessanti di questi sistemi è l’elevato livello di selettività, che permette di distinguere la figura di un operatore rispetto a quella di altri oggetti presenti in cantiere e suggerire o mettere direttamente in atto la manovra più appropriata.

Efficienza

È un termine dalle molte declinazioni, ma che nell’ambito delle macchine operatrici si traduce soprattutto nel concetto di produttività. Il quale, a sua volta, ha acquisito significati e livelli di complessità che hanno inevitabilmente inciso sugli indirizzi di sviluppo della tecnologia. Il primo e più naturale aspetto affrontato è stato quello del miglioramento delle performance della macchina, ambito nel quale i miglioramenti sono stati senza dubbio rilevanti come testimoniato anche dagli aspetti fin qui evidenziati. 

Tuttavia, oggi, questo non basta per molteplici ragioni. Le perdite di efficienza si distribuiscono infatti lungo l’intero arco di processi di cantiere che oggi, nonostante i netti miglioramenti nella resa ed efficienza operativa delle macchine, sono paradossalmente meno profittevoli rispetto al passato, cosa che evidenzia la necessità di un approccio più complesso e sistemico. La risposta, ancora una volta, è nella tecnologia. Anche a bordo macchina. Parliamo in questo caso delle soluzioni telematiche di raccolta e rilevamento dati, che non solo forniscono indicazioni puntuali sull’andamento delle lavorazioni ma soprattutto consentono di apportare le necessarie ottimizzazioni e, cosa ancor più importante, di elaborare scenari previsionali. Le già citate tecnologie di controllo automatico delle operazioni di scavo e livellamento, ad esempio, oltre a massimizzare l’accuratezza delle lavorazioni permettono un computo preciso delle quantità, la documentazione dell’avanzamento lavori in tempo reale, una riduzione al minimo degli errori e dei conseguenti costi e una riduzione dell’impatto del fattore umano. In più, i sistemi telematici a bordo macchina possono integrarsi con soluzioni esterne come rover, stazioni totali e sistemi di scansione digitale per aumentare ulteriormente la precisione delle lavorazioni. 

Ultimo ma non ultimo aspetto, la telematica ha un importante potenziale non solo sulla gestione della singola macchina, ma anche dell’intera flotta di mezzi presenti in cantiere. Portando la sua logica a una scala più alta, infatti, è possibile monitorare organicamente le attività di tutti i mezzi d’opera, rilevare eventuali inefficienze e colli di bottiglia, procedere tempestivamente a una riorganizzazione di compiti e funzioni e, non ultimo, procedere anche in via preventiva ai necessari interventi di manutenzione per prolungare il tempo di servizio delle macchine.

Verso il futuro

Intervista all’Ing. Massimiliano Ruggeri 

Ricercatore Istituto STEMS - CNR, Istituto di Scienza e Tecnologia per l’Energia e la Mobilità Sostenibili

“Stiamo vivendo una fase di grande vivacità nel settore della ricerca, e come sempre in queste fasi è difficile prevedere quali fra le tante spinte innovative avrà il maggiore impatto sull’architettura delle macchine edili di domani. Quello che possiamo dire con certezza è che il loro futuro sarà molto diverso dal presente”. 

Comincia così la nostra conversazione con Massimiliano Ruggeri, Ricercatore istituto STEMS - CNR, Istituto di scienza e tecnologia per l’energia e la mobilità sostenibili, a cui abbiamo chiesto di tracciare un sintetico panorama su quanto si sta attualmente sviluppando nel mondo della meccanizzazione edile. “Il punto di partenza è inevitabilmente quello dei sistemi di alimentazione, con un’elettrificazione affiancata oggi da alcune alternative credibili come l’alimentazione diretta a idrogeno. Possiamo dire con una certa sicurezza che questi sviluppi avverranno comunque in parallelo a una vita ancora lunga del tradizionale motore termico, che mostra a sua volta una notevole vivacità, dall’utilizzo di combustibili alternativi – biodiesel, HVO – alla ricerca di una sempre maggiore efficienza e produttività. Un altro tema chiave, quest’ultimo, oggi declinato non solo in termini di ottimizzazione di costi e prestazioni ma anche di affidabilità in esercizio tramite soluzioni anche molto sofisticate di manutenzione predittiva basate su tecnologie digitali. A questo proposito, uno degli sviluppi più interessanti e recenti è quello della modularizzazione della macchina, ovvero la sua scomposizione in sistemi funzionali pilotati da moduli dedicati che, oltre a gestire gli azionamenti con un eccellente livello di precisione e fornire informazioni sullo stato di salute della macchina, possono essere facilmente sostituiti in caso di guasto, con evidenti vantaggi in termini di riduzione dei tempi di fermo e gestibilità degli interventi senza necessità di personale altamente specializzato”. 

Un’altra grande linea di sviluppo è quella dell’ibridazione dell’architettura della macchina: “Svariate motivazioni, da quelle ecologiche ad altre più legate alla gestione della macchina, spingono verso l’integrazione fra tecnologie idrauliche ed elettriche”, afferma Ruggeri. “Attraverso componentistica dedicata, sistemi di recupero dell’energia e soluzioni in grado di migliorare precisione ed efficienza della macchina superando alcuni tradizionali problemi degli impianti idraulici (perdite di carico, inquinamento, costi)”. 

Un terzo grande trend di sviluppo, quello dell’automazione, presenta a sua volta molteplici sfaccettature: “Precisione, sicurezza ed efficienza sono le aree destinate ad essere più influenzate dalle sempre più numerose soluzioni oggi in campo. Se l’ibridazione uomo – macchina dei sistemi di guida e controllo consente già oggi di velocizzare e rendere più precise una serie di lavorazioni, con vantaggi non solo di tipo economico ma anche sulla qualità e reperibilità delle risorse umane, altrettanto importanti sono i riflessi sul fronte della sicurezza, soprattutto attiva, grazie a sensoristica e sistemi di rilevazione presenza estremamente sofisticati”. 

INNOVAZIONE 1 / JCB: alternativo, per davvero

Accanto all’elettrico, è il più quotato concorrente nella corsa al superamento dei combustibili fossili. Ma la lunga marcia dell’idrogeno non è una novità in assoluto e data anzi ormai qualche anno, avendo preso avvio nel settore automotive all’inizio degli anni 2000 focalizzandosi in particolare sulla tecnologia a celle a combustibile. Rispetto alle tradizionali batterie il loro rendimento non è influenzato da cicli di carica/scarica e sono quindi in grado di generare energia in modo costante fintanto che sono alimentate dal combustibile, nel nostro caso l’idrogeno. Un sistema “fuel cell” è quindi sostanzialmente un powertrain interamente elettrico, e come tale esente al 100% da emissioni. Nelle soluzioni a iniezione diretta al contrario il propulsore, alimentato a idrogeno previa parziale modifica di alcuni componenti (essenzialmente testata e sistema di iniezione), brucia direttamente il carburante all’interno della camera di scoppio come un motore tradizionale; ovviamente in questo caso senza produrre idrocarburi incombusti ma, in linea teorica, solo una bassissima percentuale di NOx. L’utilizzo diretto dell’idrogeno come carburante in un motore termico richiede alcuni accorgimenti, principalmente per ottimizzarne il rendimento; fra questi, in particolare, l’utilizzo di sistemi a iniezione diretta e della sovralimentazione a geometria variabile, soluzioni che sempre in linea teorica consentono di raggiungere rendimenti in termini di erogazione di potenza persino superiori  a quelli offerti dai combustibili fossili semplicemente incrementando la percentuale di idrogeno nella camera di combustione. L’ultimo biennio è stato particolarmente vivace su questo fronte, con la presentazione da parte di alcuni grandi costruttori (JCB, Volvo e Agco fra gli altri) dei rispettivi prototipi e, non ultimo, soluzioni di rifornimento in cantiere. La strada verso la produzione di serie è certamente ancora lunga, ma il futuro stavolta potrebbe davvero essere dietro l’angolo. 

INNOVAZIONE 2 / FBR – Fischer: passo dopo passo

Automazione e robotizzazione sono un vecchio sogno del settore. Ma quanto è lontano il giorno in cui vedremo lavorare in cantiere macchine operatrici completamente autonome? Realismo impone di rispondere: molto, ma meno di quanto si pensi. Certo alcuni contesti come l’industria estrattiva, grazie alla ripetitività di operazioni e percorsi, sono piuttosto avanti, e alcuni grandi costruttori hanno già sviluppato soluzioni proprietarie (un esempio per tutti, Caterpillar con il suo sistema MineStar Command, che permette di rendere completamente autonomi i dumper impiegati in questi contesti). Nell’ordinario cantiere edile, al contrario, le sue mille variabili e profili di rischio inducono a una maggiore prudenza e a considerare più realistiche, almeno nel breve periodo, soluzioni intermedie come l’introduzione di “smart machines” dotate di funzioni automatizzate dedicate a specifiche lavorazioni. Fra gli esempi già in campo, l’Adrian X dell’australiana FBR, un mezzo d’opera dotato di un braccio robotizzato da 32 m in grado di posizionare fino a 500 blocchi all’ora e di completare le pareti esterne e interne di una casa standard in un solo giorno; o ancora, il BauBot Fischer, un robot progettato per l’installazione completamente automatizzata degli ancoranti che, grazie alla gestione digitalizzata e all’integrazione con i modelli BIM, consente una totale automazione del processo di cantiere. Per tradurre in numeri le applicazioni già oggi possibili, un’analisi del Construction Industry Institute stima in circa il 30% il risparmio di tempo garantito dall’utilizzo di sistemi robotizzati rispetto alle tecniche di posa tradizionali.

INNOVAZIONE 3 / Excess Engineering: non solo idraulica

Quello fra meccanizzazione e idraulica è un binomio che ha segnato la stagione della grande fioritura delle macchine edili e tuttora appare inscindibile. Ma le evoluzioni attualmente in atto, e in particolare l’adozione dell’elettrificazione non intesa come semplice generazione di potenza da sorgente elettrica quanto piuttosto come architettura complessiva, potrebbero in parte mutare la situazione. Del resto l’olio idraulico è inquinante, i componenti non facili da gestire e la precisione non sempre impeccabile, tutti fattori che spingono verso una progressiva ibridazione della macchina attraverso l’introduzione di nuova componentistica, dai sistemi di attuazione e controllo a quelli di recupero dell’energia fino ad arrivare alla sostituzione di soluzioni da sempre presenti a bordo macchina. Uno degli esempi più interessanti è quello dei cilindri a ricircolo di sfere ad azionamento elettrico, in cui il movimento lineare è generato non idraulicamente ma tramite l’utilizzo di questa tecnologia. Già ampiamente adottata in altri settori industriali, il suo potenziale è decisamente interessante; basti pensare che uno degli specialisti del settore, Excess Engineering, ha recentemente sviluppato un modello in grado di sollevare fino a 80 tonnellate con dimensioni comparabili a quelle dei tradizionali martinetti idraulici e corsa fino a 3 m.

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