Il componente critico

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Perché i produttori di veicoli elettrici fanno a gara nell’automatizzare i cablaggi elettrici?

Secondo l’Autorità Internazionale per l’Energia (IEA), le vendite di auto elettriche (EV) dovrebbero superare i 14 milioni di unità nel 2023, con una crescita annuale del 35% e una tendenza all’accelerazione. Non sorprende che la concorrenza globale sia agguerrita e che i costruttori siano alla costante ricerca di vantaggi in termini di costi e prestazioni rispetto ai concorrenti. Il cablaggio di un veicolo, l’insieme dei cavi che collegano tutti i circuiti elettrici ed elettronici, è uno dei sottosistemi più grandi e pesanti acquistati dai produttori di veicoli elettrici. È anche l’ultimo grande ostacolo da superare per raggiungere il traguardo di una produzione completamente automatizzata, con tutti i vantaggi che ne potrebbero derivare. Ecco perché il problema viene affrontato con tanta urgenza. I cablaggi dei veicoli sono componenti critici per la sicurezza delle automobili, a maggior ragione per i veicoli elettrici equipaggiati con sistemi Adas per l’assistenza alla guida o per la guida autonoma. Le auto si affidano sempre più all’elettronica e i veicoli elettrici sono dotati di sensori e attuatori che regolano e proteggono ogni aspetto della guida. Inoltre, i cablaggi trasportano i segnali e l’alimentazione elettrica necessaria per le funzioni di comfort del conducente, come i sedili riscaldati, così come per i sistemi di infotainment, navigazione e comunicazione.

I problemi del cablaggio manuale

Quali possono essere i problemi che derivano da un cablaggio manuale? Innanzitutto il processo manuale stesso: realizzati a mano, i cablaggi sono sempre più complessi e costosi da produrre. Ma anche la complessità e il rischio della catena di fornitura: poiché la realizzazione è ad alta intensità di manodopera, i cablaggi vengono prodotti in Paesi con bassi costi di manodopera. Tuttavia, l’assemblaggio finale avviene in genere a migliaia di chilometri di distanza; pertanto, si aggiungono costi di trasporto, complessità e rischi alla catena di fornitura. In particolare, la guerra in Ucraina, paese dove si producono molti cablaggi per i mercati automobilistici europei, ha devastato le catene di fornitura e frenato le vendite complessive di veicoli. La necessità di un collaudo al 100%: ogni circuito deve essere collaudato in ogni cablaggio prodotto manualmente. Il collaudo sistematico è necessario perché il processo manuale è particolarmente incline agli errori. I cablaggi automatizzati necessitano generalmente solo di test a campione, grazie alla qualità più costante che è possibile ottenere. La necessità di ordinare più del necessario: i problemi di qualità sono così comuni che alcuni dirigenti di case automobilistiche hanno dichiarato di dover ordinare più dello stretto necessario per assicurarsi di avere scorte sufficienti di cablaggi di qualità accettabile. Poiché ogni cablaggio costa circa 1.000-2.000 dollari per un tipico veicolo elettrico di fascia media, il materiale in eccesso rappresenta uno spreco significativo. La necessità di sovra-specificare: ogni cablaggio convenzionale deve utilizzare fili isolati per evitare cortocircuiti, aggiungendo peso e costi di isolamento. Inoltre, spesso i fili devono essere più pesanti di quanto sia necessario per rispettare i soli requisiti elettrici, in modo da poter sopportare le pressioni fisiche incontrate durante l’assemblaggio e la guida del veicolo. L’aggiunta di peso non necessario a un veicolo elettrico ne riduce l’autonomia, e un’autonomia inferiore significa che i consumatori si aspettano di pagare meno i veicoli. Rilavorazione durante l’assemblaggio: molto spesso si riscontrano problemi di qualità quando i cablaggi vengono piegati e attorcigliati manualmente durante l’assemblaggio finale. Riparazioni in garanzia e richiami del veicolo: i reclami in garanzia sono costosi da affrontare e i richiami del veicolo lo sono ancora di più. Nel 2022, Cnet ha riportato che Nissan ha richiamato quasi 700.000 SUV Rogue 2014- 2016 per il rischio di incendio. Il problema era stato causato da un cablaggio assemblato con un connettore mal sigillato. Nello stesso anno, la National Highway Traffic Safety Administration (Nhtsa) statunitense ha citato i problemi dell’impianto elettrico come responsabili del 20% di tutti i richiami di auto. E infine la reputazione del marchio: il costo dei richiami dei veicoli per la reputazione del marchio è incalcolabile con certezza, ma può facilmente raggiungere l’ordine delle decine di milioni di dollari. Tenendo conto di tutti questi aspetti, una ricerca finanziata dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale e pubblicata nel marzo 2023 ha concluso che “l’automazione dei cablaggi costituisce ancora il principale fattore di debolezza. Nonostante i risultati delle attività di ricerca e i brevetti registrati, a nostra conoscenza nessuna di queste soluzioni è stata adottata sul campo, mentre anche il processo di produzione dei cablaggi più all’avanguardia è ancora ad alta intensità di lavoro”.

Con l’integrazione si affrontano le sfide

Sono stati fatti molti tentativi per affrontare le sfide del cablaggio descritte in questo articolo. Le aziende hanno dichiarato di poter offrire sistemi di automazione dei cablaggi, ma a un’analisi più attenta, i limiti di questi processi diventano evidenti. La maggior parte delle macchine automatiche si limita a raggruppare i cavi e, in alcuni casi, ad applicare i connettori alle estremità dei cavi. Il lavoro manuale da svolgere rimane inevitabilmente ancora molto, e la maggior parte degli aspetti problematici, tra cui il peso, la fragilità e la lunghezza delle catene di fornitura, persistono. Tuttavia, un nuovo processo ibrido di produzione additiva e automazione integrale promette di raggiungere un grado di automazione decisamente più elevato. Una cosiddetta cella robotizzata di ‘automazione delle funzioni elettriche’ sta consentendo la sostituzione totale o parziale dei cablaggi tradizionali. Sta eliminando, o almeno riducendo, la necessità di ricorrere a processi manuali per l’aggiunta di conduttori elettrici a qualsiasi cosa, dai pacchi batteria dei veicoli elettrici ai sistemi di infotainment delle automobili. Un robot di precisione a 5 assi con utensili intercambiabili può aggiungere elementi polimerici 3D a superfici metalliche, ceramiche o polimeriche. Può gestire forme complesse, aggiungere fili nudi o isolati e collegare connettori elettrici per rendere funzionale il componente. Il robot può instradare fili con conduttori di diametro fino a 3 mm, pari a circa 13 AWG. Ciò significa che ogni conduttore può trasportare oltre 20 ampere, sufficienti non solo per segnali a bassa tensione, ma anche per funzioni come l’alimentazione di relè o ventole. L’ancoraggio di ciascun filo a un substrato è rapido, economico e flessibile. Il substrato può essere il componente stesso, ad esempio un pacco batterie, o una parte progettata per supportare il cablaggio e a cui viene successivamente collegato il componente. Il cablaggio può essere rigido o flessibile. Poiché ogni filo è fissato singolarmente, può non richiedere l’isolamento, con conseguente risparmio di costi e peso. Inoltre, è molto meno soggetto a danni ambientali e meccanici, perché è posizionato in modo sicuro. I prodotti finiti o i componenti con cablaggio integrato si prestano anche all’assemblaggio finale robotizzato. La conseguente riduzione della manodopera necessaria significa che la realizzazione dei cablaggi può essere effettuata in molti più luoghi. Così facendo, si possono mitigare i rischi della catena di fornitura, effettuando l’integrazione dei conduttori e dei componenti elettrici nello stesso luogo dove avviene l’assemblaggio finale dei veicoli.

È partita la corsa verso l’automazione del cablaggio

Nella produzione di veicoli, in particolare quelli elettrici, l’automazione della gran parte dei cablaggi non solo aumenterà la produttività, ridurrà le dimensioni e il peso dei sottogruppi e dei loro componenti e consentirà la rilocalizzazione dei processi produttivi. Aumenterà l’affidabilità dei veicoli, ridurrà i costi della garanzia post-vendita e dei richiami e proteggerà il valore dei marchi per i quali le case automobilistiche investono così tanto. Le celle robotizzate a 5 assi, qui descritte, sono attualmente in fase di valutazione da parte di alcune importanti case automobilistiche mondiali e si prevede che saranno integrate nelle linee di produzione dei veicoli elettrici entro i prossimi 12-18 mesi. Ci chiediamo: chi conquisterà la pole position?

Q5D – https://q5d.com

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