INNOVAZIONE DI PRODOTTO

ANALISI FUNZIONALE DI UN TELAIO PER TESSITURA

Roberto Nani (1), Daniele Regazzoni (2) e Caterina Rizzi (2)

(1) PROMATECH SPA Centro Ricerca & Sviluppo

Email: roberto.nani@promatech.it

(2) Dipartimento di Ingegneria Industriale Università di Bergamo

Email: caterina.rizzi@unibg.it

daniele.regazzoni@unibg.it

SOMMARIO

In questo articolo viene descritta l’applicazione nel settore meccano-tessile di una metodologia per la formalizzazione della conoscenza e la ricerca di soluzioni innovative utilizzando strumenti per il problem solving e la ricerca semantica/funzionale di brevetti. Il caso industriale considerato riguarda un telaio con trasferimento della trama a getto d’aria prodotto dalla Promatech SpA. con la quale è stato condotto lo studio. Il funzionamento del telaio per tessitura, secondo un modello analitico capace di evidenziare componenti e variabili, azioni ed interazioni, condizioni al contorno e di vincolo, si esprime mediante un modello funzionale in grado di ricostruire le fasi di formazione del tessuto distinguendo specifici scenari di ottimizzazione. L’approccio adottato si basa sulla teoria TRIZ e gli obiettivi di innovazione prefigurati sono stati raggiunti mediante strategie di: eliminazione dei componenti dannosi e successivo bilanciamento funzionale del modello del prodotto, migrazione delle azioni nelle diverse fasi di processo secondo un criterio di minimizzazione della criticità ed analisi brevettuale e patent breaking. Parole chiave: problem solving, knowledge management, teoria Triz, telaio tessile.

ABSTRACT

This article describes the relevance of a structured approach for knowledge formalization and innovative solutions research in textile/mechanical industry, by using problem solving and semantic/functional patent search tools. The described study has been carried out due to the collaboration whit Promatech S.p.A. and is focused on an air jet yarn transfer loom. Textile looms operation is shown through a functional model, an analytic representation that comprehends components and variables, actions and interactions, boundary conditions and borders, able to describe fabric-forming phases characterizing them by different optimisation objectives The approach adopted is based on Triz theory and the strategies engaged to gather innovation targets are: trimming of harmful components and balance of the functional model of the product, action transfer in between different process phases following a less critic path principle, patent analysis and “Patent Beaking” techniques. Key words: problem solving, knowledge management, Triz theory, textile loom.

XIII ADM - XV INGEGRAF International Conference on

TOOLS AND METHODS EVOLUTION IN

ENGINEERING DESIGN

Cassino, June 3rd, 2003 Napoli, June 4th and June 6th, 2003

Salerno, June 5th, 2003

1. Introduzione

Una mentalità innovativa estesa a tutti i dipartimenti aziendali facilita la creazione di un prodotto ottimale dal punto di vista delle funzionalità, dei costi e dell’affidabilità. Nel settore tessile, l’espressione artistica insita nel tessuto, rappresentata dalla combinazione dei colori principali a livello macroscopico, viene raggiunta mediante il telaio per tessitura quale espressione della funzione principale che tale macchina deve assolvere: intrecciare, a velocità elevata, un colore principale – la trama – con una molteplicità di fili di ordito. In questo ambito, accade sempre più frequentemente che le soluzioni innovative che fanno del telaio per tessitura una macchina in continua evoluzione sono espressione di un approccio creativo e, al tempo stesso, organizzato alla conoscenza e alla ricerca tecnologica. Il funzionamento del telaio per tessitura, secondo un modello analitico capace di evidenziare componenti e variabili, azioni ed interazioni, condizioni al contorno e di vincolo, si esprime mediante un modello funzionale in grado di ricostruire le fasi di formazione del tessuto distinguendo specifici scenari di ottimizzazione (per citarne alcuni, semplicità costruttiva, costo, affidabilità, qualità). In questi ultimi anni sono apparsi, accanto agli strumenti per la prototipazione virtuale, sistemi di problem solving e gestione della conoscenza tecnica (Technical Knowledge Management) [Cascini 2002]. Tali strumenti mettono a disposizione una metodologia strutturata per la ricerca di soluzioni in campi di applicazione diversi da quello in esame e la ricerca semantica/funzionale di brevetti. Si basano sulla teoria Triz [Domb 1997, Kowalick 1996, Marconi 1998, Zlotin 1999] secondo la quale la risoluzione di un problema, anche molto complesso, passa attraverso lo sfruttamento di conoscenze già acquisite nel mondo scientifico ed industriale (i brevetti) ed i processi di individuazione delle innovazioni possono essere, proprio perché governati da leggi oggettive, opportunamente guidati. In questo lavoro si presenta l’applicazione ad un caso del settore meccano tessile di una metodologia orientata all’innovazione di prodotto che prevede l’impiego di uno strumento di problem solving, noto come Tech Optimiser (Invention Machine). E’ stato preso in considerazione un telaio tessile a getto d’aria prodotto dalla Promatech con la quale è stato condotto lo studio. L’approfondita conoscenza funzionale ottenuta e la sua chiara formalizzazione hanno permesso di confrontare la tecnologia e i dispositivi esaminati con quelli analoghi eventualmente disponibili sul mercato. Successivamente, una ricerca brevettuale mirata ha permesso di individuare le linee di sviluppo intraprese dai diretti concorrenti e di confrontarle con quelle adottate in Promatech.

2. Il caso di studio

Il telaio ad aria [Testore 1998] (Figura 1) considerato viene prodotto dalla Promatech (www.promatech.it), azienda che nasce dall’integrazione di due marchi prestigiosi della meccanica tessile italiana (Somet e Vamatex). Tale telaio ha conosciuto, in questi anni, un forte aumento delle vendite, grazie all’impennata del mercato cinese ed è, ad oggi, il telaio a cui sono dedicate il maggior numero di risorse per la ricerca. L’attenzione si è concentrata sull’apparato di trasferimento della trama, cuore tecnologico ed elemento distintivo del telaio considerato. A questo sistema è delegata la macro-funzione di inserire il filo di trama nell’angolo solido formato dai fili di ordito opportunamente disposti. A tale scopo vengono utilizzati una serie di ugelli che, soffiando aria compressa, svolgono il filo dalle rocche di alimentazione, lo lanciano

attraverso i fili di ordito e lo sostengono e guidano nel suo volo per tutta l’altezza del telaio. Lo studio del telaio ad aria è stata condotta in tre fasi: definizione del modello funzionale ad alto livello del telaio, identificazione delle aree di maggiore interesse, ed infine analisi di dettaglio del sotto-sistema con maggiori margini di miglioramento.

Figura 1. Il telaio ad aria

La prima fase ha permesso di creare un modello di riferimento del sistema in un ottica di “funzioni svolte” da ciascun dispositivo con il fine di identificare le interazione dell’apparato di trasferimento della trama con gli altri dispositivi. Durante questa prima fase è stato quindi possibile riunire in un unico modello, anche se ad alto livello, la conoscenza relativa ai vari sottosistemi, solitamente distribuita all’interno dei vari dipartimenti aziendali. La seconda fase si è concretizzata in un modello funzionale dettagliato rappresentante tutto l’apparato di trasferimento della trama ed ha permesso di evidenziare le aree che maggiormente richiedevano un processo di innovazione. Il sistema con i più alti margini di miglioramento è risultato essere quello relativo alla gestione dell’aria compressa che alimenta le staffette (ugelli disposti su tutta l’altezza del tessuto che sostengono e guidano il filo di trama durante l’inserzione). I serbatoi che alimentano le staffette, infatti, sono ricavati nella traversa principale del telaio e nonostante l’elevato volume e ingombro risentono negativamente dell’azione di apertura e chiusura delle elettrovalvole. Le analisi funzionali successive, quindi, sono state dedicate specificatamente al sistema pneumatico di alimentazione delle staffette, al fine di eliminare o modificare alcuni dispositivi per semplificare il sistema e aumentarne l’efficienza. La scelta del percorso innovativo e degli strumenti da utilizzare si è rivelata molto laboriosa a causa della complessità del caso in esame. Un telaio tessile è una macchina formata da numerosi sistemi ognuno dei quali molto articolato, ma soprattutto vede convivere problematiche sia di prodotto che di processo. Infatti, il prodotto telaio ha il fine ultimo di realizzare il processo di produzione del tessuto, con tutte le implicazioni tessili che ne derivano. Questa dualità ha reso necessaria la realizzazione di modelli sia in un ottica di prodotto che di processo, e solo nell’analisi concentrata sul sistema pneumatico di alimentazione delle staffette si è deciso di privilegiare i modelli di prodotto. I modelli funzionali realizzati non sono fini a sé stessi, ma rappresentano la formalizzazione a diversi livelli di dettaglio della conoscenza tecnica aziendale e costituiscono i modelli di riferimento per future analisi.

3. Innovazione di prodotto

La tipologia di telai che sfrutta il trasferimento ad aria della trama è quella più recente e più avanzata, tuttavia anche questa gamma di telai è da ritenersi sostanzialmente matura in quanto le tecnologie impiegate sono in gran parte consolidate da decenni. Questa considerazione però trascura l’importanza dello sviluppo di nuove soluzioni riguardanti alcuni particolari sottosistemi o singoli dispositivi che riprogettati possono creare un notevole vantaggio competitivo. In particolare si è cercato di intervenire, anche in modo radicale, su alcuni dispositivi dell’apparato pneumatico di alimentazione delle staffette con lo scopo di agire in maniera rilevante su parametri quali semplicità costruttiva, maggiore possibilità di regolazione della macchina e costi. Lo strumento utilizzato mette a disposizione strumenti per: § definire un modello funzionale del sistema mediante un linguaggio grafico

estremamente semplice ed efficace; § raggiungere obiettivi di innovazione adottando diverse strategie tipiche della teoria

TRIZ. In Figura 2 viene mostrato un semplice esempio di modello funzionale in cui si mostrano alcuni dispositivi (rettangoli) che interagiscono per mezzo delle funzioni svolte (frecce orientate).

Figura 2. Esempio di un modello funzionale

3.1 Modello funzionale

Il modello funzionale rappresenta, in questo studio, un risultato molto importante in quanto in esso confluisce la conoscenza sul sistema che altrimenti rimarrebbe distribuita e frazionata all’interno dell’azienda in diversi settori tecnici. Il modello funzionale del telaio ad aria è il risultato, quindi, della raccolta di informazioni tramite interviste con il personale tecnico e ha subito innumerevoli modifiche, correzioni e aggiornamenti dovuti al fatto che approfondendo lo studio del sistema sono emersi nuovi aspetti da considerare, mentre altri hanno perso importanza e sono stati trascurati. Il modello, quindi, si è evoluto, talvolta seguendo vie parallele differenti solo per il grado di specializzazione di alcune parti. Allo stesso modo anche gli obiettivi, pur rimanendo gli stessi in termini generali, hanno subito degli aggiustamenti dovuti all’aumentare della conoscenza del sis tema. La determinazione dell’area su cui focalizzare l’intervento ha permesso di modellare il prodotto in modo che siano dettagliate solo le componenti di interesse. L’area considerata di maggior criticità è quella relativa al sistema pneumatico di inserzione della trama, ed essenzialmente per i seguenti due motivi: i serbatoi di alimentazione delle staffette, essendo ricavati nella traversa principale del telaio

comportano lavorazioni particolarmente onerose in fase di produzione, le elettrovalvole promettevano notevoli margini di miglioramento circa la massa, l’ingombro e i costi. In Figura 3 viene mostrato il modello funzionale definitivo dove sono stati evidenziati i tre sottosistemi che utilizzano aria compressa per gestire la movimentazione del filo di trama, e precisamente i sottosistemi per la gestione delle staffette, degli ugelli di lancio e dell’ugello estensore. In particolare, il sottosistema per la gestione delle staffette (rappresentato in Fig. 3 con linea continua) è quello di maggior interesse perché comprende gli elementi critici citati. In questa parte del modello si può notare come i serbatoi abbiamo la duplice funzione di accumulare aria compressa e di stabilizzare la pressione e le elettrovalvole gestiscono il flusso dell’aria e creano delle fluttuazioni della pressione indesiderate.

Figura 3. Modello funzionale definitivo apparato trasferimento della trama.

3.2. Strategie innovative

La complessità del problema in esame ha reso necessario intraprendere più di una strada per il raggiungimento degli obiettivi prefissati. La prima strategia adottata prende il nome di Trimming, la seconda riguarda l’analisi brevettuale e il Patent Breaking. Le azioni proposte nella strategia di Trimming consistono in: § rottura dei legami funzionali tra gli elementi del modello, cioè l’eliminazione dei

componenti dannosi e/o indesiderati;

§ bilanciamento funzionale del modello, cioè ridistribuzione dei legami funzionali tra gli elementi rimasti (o eventualmente aggiunti) ottengono degli scena ri alternativi potenzialmente migliori.

L’indagine brevettuale è stata condotta utilizzando sia comuni motori di ricerca e banche dati pubbliche e private sia un meta-motore del sistema considerato. Il Patent Breaking è un processo che si basa sulla raccolta e sull’analisi funzionale di brevetti industriali e serve a individuare punti deboli o lacune o inesattezze che possono essere rafforzate, colmate o corrette a tal punto da consentire la presentazione di un nuovo brevetto. Questo strumento è interessante per più motivi. Innanzitutto aiuta l’azienda nella creazione di brevetti e quindi aumenta la difendibilità dei suoi prodotti e permette di monitorare il panorama internazionale della ricerca e di studiare le strategie di innovazione intraprese dai diretti concorrenti. Infine, può servire per analizzare un particolare brevetto con lo scopo di migliorarlo e giungere ad un nuovo brevetto industriale.

3.2.1. Varianti di Trimming e soluzioni

Come già accennato precedentemente, lo strumento di Trimming genera come output delle configurazioni del sistema alternative a quella consolidata. Le varianti che sono state esaminate prevedono l’eliminazione degli elementi critici e l’aggiunta di nuovi dispositivi. Nello studio sono state esaminate quattro configurazioni alternative: nella prima vengono eliminati i serbatoi dell’aria compressa a favore di altri dispositivi, attivi o passivi, in grado di svolgere le stesse funzioni; nelle tre successive oltre ai serbatoi anche le elettrovalvole sono sostituite da dispositivi più performanti che riequilibrano il sistema. Di seguito sono riportati il modello funzionale e la descrizione di uno di questi scenari. La variante di trimming rappresentata in Figura 4 prevede l’eliminazione sia dei serbatoi che delle elettrovalvole e l’introduzione di un nuovo componente (“new component”). Le funzioni delle elettrovalvole sono state trasferite alle staffette stesse che, opportunamente modificate, sono in grado di “aprirsi” o “chiudersi” regolando così il flusso d’aria. Il nuovo componente ha come unica funzione quella di limitare la caduta di pressione all’apertura delle staffette e di garantire una portata d’aria sufficiente. Per individuare un dispositivo o un principio di funzionamento realmente applicabile che trasformi l’idea trasmessa dal modello in una realizzazione pratica, sono stati utilizzati i moduli di soluzione (effetti, principi e predizioni) messi a disposizione del sistema e che si basano rispettivamente su: § un database strutturato funzionalmente di effetti chimico-fisici- ingegneristici e

relativi a tutte le nuove tecnologie; § principi ingegneristici da utilizzare per risolvere le contraddizioni fisiche; § predizioni che aiutano a riconoscere lo stadio evolutivo del sistema in esame e

permettono di prevederne gli sviluppi futuri. Le soluzioni studiate per la variante di trimming illustrata in figura devono rispettare delle condizioni molto stringenti sull’ingombro. Per questo motivo si è pensato di adottare un dispositivo basato su un elemento piezoelettrico che garantisca l’apertura e la chiusura delle staffette. Nelle Figure 5, 6 e 7, vengono mostrate tre soluzioni ritenute le più significative ed ottenute mediante il modulo degli effetti di Tech Optimizer.

Figura 4. Esempio di variante di Trimming

Effetto: “The piezoelectric element moves the valve” (Figura 5) L’applicazione di una tensione elettrica all’elemento piezoelettrico ne comporta una dilatazione; lo spostamento che ne deriva permette al corpo della valvola di muoversi nel condotto riducendo la sezione di passaggio dell’aria. Nella configurazione riportata in figura l’elemento attivo della valvola si muove in direzione normale a quella del fluido. Effetto: “The piezoelectric plates control the flow of gas” (Figura 6) Questo dispositivo è formato da due dischi di materiale piezoelettrico e un disco di materiale elastico (ad esempio silicone) posto tra di essi. Sotto l’effetto di un campo elettrico esterno i dischi piezoelettrici si deformano nella direzione del flusso d’aria schiacciando l’elemento elastico che si deforma radicalmente variando la sezione di passaggio del condotto.

Un’altra soluzione ritenuta interessante prevede l’utilizzo di materiali a memoria di forma che al cambiare della temperatura aprano o chiudano il passaggio all’aria, come nell’ esempio seguente.

Figura 5

Figura 6

Effetto: “The shape memory orifice regulates the gas flow rate” (Figura 7) Regolando la temperatura di un anello di materiale a memoria di forma posto su un tubo di piccole dimensioni si può regolare il flusso d’aria che lo attraversa. Il materiale a memoria di forma, infatti, ha la peculiarità di poter variare la sua geometria in funzione della temperatura in cui opera.

Le soluzioni proposte sono state oggetto di valutazione da parte dello staff tecnico aziendale e per quelle di maggior rilevanza sono stati evidenziati vantaggi e limiti in modo da creare un ordine di preferenza per le successive fasi di approfondimento dello studio.

3.2.2. Ricerca brevettuale e Patent Breaking

Per ogni soluzione rit enuta di interesse per l’azienda è stata intrapresa una ricerca dei dispositivi in commercio (tramite il tool Internet Assistant e motori di ricerca internet) ed una ricerca brevettuale di dispositivi basati sulla stessa tecnologia (Delphion, Esp@cenet) al fine di stimare la reperibilità sul mercato e i relativi costi. La ricerca di brevetti è stata rivolta sia a dispositivi generici a tecnologia piezoelettrica, che a dispositivi analoghi a quelli proposti nelle soluzioni individuate. Per quanto riguarda i dispositivi generici la ricerca ha prodotto un numero considerevole di brevetti, a conferma che gli studi su questa tecnologia stanno già portando dei risultati concreti. I risultati più interessanti riguardano, però, i dispositivi simili a quelli delle soluzioni. In particolare sono stati individuati numerosi sistemi in grado di svolgere le funzioni delle elettrovalvole. Quelli ritenuti più significativi sono citati di seguito: § JP 62-233578: “Piezoelectric element type valve”. Brevetto che descrive il

funzionamento di una valvola azionata in apertura dal flusso in ingesso, mentre la chiusura è ottenuta con la dilatazione di un elemento formato da lamine piezoelettriche sovrapposte - TOYODA AUTOM LOOM WORKS LTD;

§ JP 04-257344 “Air flow rate controller in air jet type loom”. Sistema di controllo del flusso di aria che previene difettosità nel funzionamento degli ugelli in un telaio ad aria. Questo dispositivo prevede l’utilizzo di valvole con elementi piezoelettrici capaci di regolare il grado di apertura - NISSAN MOTOR CO LTD;

§ US 6,439,271 B2, EP 1,167,599 A2 “Jet loom and method for achieving substantially identical weaving cycle times”. Questo brevetto protegge il metodo con cui si realizzano cicli di tessitura con tempi comparativamente identici in telai a getto d’aria. Il procedimento con cui si ottiene questo scopo prevede l’utilizzo di un gruppo integrato valvola serbatoio per l’aria compressa che è capace di regolare dinamicamente il flusso d’aria per ottenere il profilo di pressione desiderato - LINDAUER DORNIER GESELLSHAFT M.B.H.

L’ultimo brevetto è risultato essere di grande interesse per molti aspetti. Innanzitutto si tratta di una applicazione della stessa tecnologia su cui si sta indagando e relativa al settore tessile ed, in particolare, di un diretto concorrente. Inoltre, il metodo di realizzazione di cicli di tessitura che viene protetto dal brevetto è ottenuto con una semplificazione dell’apparato di trasferimento trama che è in pieno accordo con una delle strategie di trimming adottata in questo studio. Il brevetto in esame, infatti, illustra la configurazione relativa a un serbatoio di alimentazione di un ugello e alle valvola che

Figura 7

regola il passaggio dell’aria. L’aspetto interessante è che, sia il serbatoio inteso in senso tradizionale che le valvole, sono state eliminate in favore di un nuovo dispositivo che svolge le stesse funzioni. Il sistema proposto, in effetti, consiste in gruppo integrato formato da un modulo che svolge la funzione di serbatoio all’interno del quale è collocata una valvola piezoelettrica. La novità apportata da questo brevetto consiste nel poter realizzare una regolazione su ogni ciclo di inserzione della trama e questo è possibile grazie alla configurazione innovativa della valvola. Essendo posta all’interno di una camera che contiene l’aria compressa le valvole, infatti, non necessita più di un involucro e di un condotto di alimentazione e permette una migliore regolazione dell’elemento attivo. L’interesse per questo brevetto ha motivato uno studio approfondito sia sulla versione statunitense che su quella tedesca al fine di stabilire con precisione i confini della copertura legale sul ritrovato.

Figura 8. Modello funzionale del brevetto US 6,439,271

Figura 9. Modello funzionale con Gruppo elettrovalvola dettagliato (Promatech)

Il brevetto è stato analizzato in un’ottica di funzioni svolte da ciascun dispositivo con una metodologia analoga a quella adottata per il telaio Promatech. Nella Figura 8 è riportato il modello funzionale che mostra l’effettiva somiglianza con quelli ottenuti con questo studio (Figura 9). Il modello funzionale del brevetto Dornier costituisce la base per il Patent Breaking e per uno studio comparato con i modelli ottenuti in precedenza finalizzato allo sviluppo di un nuovo dispositivo. Sul modello funzionale che descrive il brevetto, infatti, è possibile applicare gli strumenti forniti dalla teoria Triz e realizzare un nuovo percorso di innovazione per determinare un’ulteriore soluzione al problema.

4. Conclusioni In questo articolo è stata descritta l’applicazione nell’ambito del settore meccano tessile di una metodologia strutturata basata sull’utilizzo della teoria TRIZ. Ciò ha permesso di definire una famiglia di modelli funzionali che descrivono il telaio ad aria a diversi livelli di dettaglio. Tali modelli rappresentano la formalizzazione della conoscenza aziendale, si configurano come strumento di comunicazione all’interno dell’azienda e costituiscono una solida base da cui partire per successive analisi funzionali Con un processo iterativo di ricerca di soluzioni e revisioni del modello funzionale di riferimento, si è, infine, ottenuto un insieme di proposte innovative per le quali sono stati individuati qualitativamente pregi e limiti. In particolare, sono state considerate di particolare interesse le soluzioni basate sulla tecnologia piezoelettrica. L’indagine brevettuale sull’impiego della tecnologia piezoelettrica in applicazioni tessili ha permesso, inoltre, di individuare le linee di sviluppo generali del settore ed, in particolare, ha permesso di identificare i percorsi di ricerca intrapresi dai diretti concorrenti. Bibliografia

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J. Kowalick, 17 Secrets of an Inventive Mind: How to conceive world class products rapibly using TRIZ and other leading edge creative tools, 1996. (http://www.triz-journal.com/archives/1996/11/b/index.htm)

J. Marconi, ARIZ: The Algorithm for Inventive Problem Solving: An Americanized Learning Framework, Marconi Works, Stonington, CT, USA, 1998. (http://www.triz-journal.com/archives/1998/04/d/index.htm)

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