Spoke 3

Green manufacturing for a sustainable economy

Spoke leader | UNIBO

Affiliati: CNR UNIMORE UNIPR UNIFE UCSC POLIMI ENEA BI-REX CENTRO CERAMICO FONDAZIONE REI MISTER MUSP ROMAGNATECH T3LAB ALMACUBE

Contesto Generale

Le tematiche di ricerca dello Spoke 3 si concentrano sulla ricerca applicata e sul trasferimento tecnologico di nuove e promettenti idee progettuali relative ai settori della produzione sostenibile di prodotto e di processo. Tali idee progettuali possono essere declinate nello Spoke 3 in senso ampio, ovvero includendo anche le infrastrutture abilitanti, sia fisiche che digitali, e la trasformazione digitale delle aziende che operano in tutte le filiere del processo produttivo.

Finalità e Obiettivi Generali

Lo scopo principale dello Spoke 3 è quello di sviluppare linee di ricerca e idee progettuali dedicate all’implementazione e al consolidamento di una produzione verde di prodotto e processo e di una filiera manifatturiera orientata verso un’economia sostenibile e circolare. Il focus tecnologico e scientifico dei progetti di ricerca proposti deve mirare al mantenimento e consolidamento del ruolo di leadership della Regione Emilia Romagna e, più in dettaglio, del suo sistema di imprese, nel campo della transizione ecologica e dell’economia eco-sostenibile. L’area tecnologico-scientifica è quella tipica della Regione, prevalentemente votata alla realizzazione di prodotti e processi produttivi inseriti in un tessuto sociale orientato alla realizzazione di un’economia circolare.

I progetti ed i relativi piani di lavoro possono rientrare in cinque aree tematiche o linee di ricerca che, partendo dalle conoscenze relative alla manifattura verde e sostenibile, già presenti nei distretti industriali regionali, puntano ad ampliarle e svilupparle ulteriormente per farle evolverle verso un livello più elevato di filiera e di sistema e, dunque, di competitività globale.

Saranno, dunque, considerati e valutati positivamente tutti i progetti che abbiano l’obiettivo di sviluppare idee ed applicazioni concrete sui temi di ricerca applicata di seguito descritti.

Topic

Le attività di ricerca ed innovazione dello Spoke 3 sono declinate su 5 macro-aree tematiche:

TEMA 1 – Sviluppo di prodotti, processi e sistemi produttivi a inquinamento zero che riducano al minimo la domanda di energia e l’uso di materiali pericolosi e non rinnovabili.
TEMA 2 – Sviluppo di filiere produttive e sistemi di fornitura a basso impatto energetico e ambientale.
TEMA 3 – Valutazione del ciclo di vita e della sostenibilità di materiali, prodotti e processi.
TEMA 4 – Soluzioni e tecnologie ICT per la progettazione, realizzazione, monitoraggio e controllo di macchine, sistemi di automazione e processi industriali green, sostenibili, sicuri e altamente riconfigurabili.
TEMA 5 – Impatto della tassonomia europea per le attività sostenibili sugli ecosistemi industriali regionali.

TEMA 1

Obiettivo principale di tale tema è lo spostamento da sistemi di produzione tradizionali verso sistemi, processi e prodotti innovativi grazie all’impiego di materie prime, energie e prodotti rinnovabili o riciclati da scarti industriali appositamente trattenuti e rimessi in circolo grazie ad un’attenta progettazione per gestire il loro fine vita. Il risultato sarà lo sviluppo di prodotti e dei relativi sistemi di produzione che portano alla riduzione dei difetti e dei rifiuti (soprattutto quelli tossici) in un quadro di politiche di economia circolare.

In tale ambito saranno selezionati progetti che mirano ad adattare metodi e strumenti specifici a supporto della progettazione di prodotti e sistemi di produzione innovativi promuovendo l’uso di materiali non pericolosi e minimizzando il fabbisogno energetico. Verranno esaminati progetti che, dunque, applicano i concetti di “chimica verde”, adottano approcci di ‘Design for Sustainability’ e di ‘EcoDesign’ per processi produttivi e prodotti tra loro combinati ed ottimizzati dal punto di vista geometrico e topologico, anche non convenzionali. Le proprietà di leggerezza possono essere ottenute riducendo il numero di componenti, attraverso politiche di ‘Design for Assembly’ e mediante l’adozione di materiali e collegamenti innovativi, di produzioni a basso impatto ambientale e consumo di lubrorefrigeranti o con rivestimenti autolubrificanti. Saranno, inoltre, considerati progetti che impiegano la metallurgia assistita da microonde per la produzione di leghe, materiali magnetocalorici e intermetallici ad alta temperatura, che sostituiscono macchine a induzione con motori sincroni privi di magneti e che utilizzano la produzione additiva al fine di sviluppare e produrre componenti leggeri o con alto rapporto resistenza/peso o rigidezza/peso. Verrà, infine, considerato anche lo sviluppo di casi pilota specifici riguardanti tutti i settori industriali compresi quelli della ceramica, della moda e dei materiali compositi.

I principali temi di ricerca, sulla base dei quali saranno valutati i progetti, sono dunque i seguenti:

Ottimizzazione delle composizioni di impasti gres porcellanato provenienti da scarti di diversi tipi (ad es. dallo stesso ambito della ceramica, scarti minerari, sedimenti da grandi dighe, …);
Decarbonizzazione, consumo energetico e riduzione delle emissioni inquinanti nella produzione di piastrelle ceramiche;
Sviluppo di nuove soluzioni intralogistiche nel settore ceramico;
Riutilizzo di biochar da includere nel calcestruzzo per applicazioni civili;
Riutilizzo di rifiuti di diverso tipo (per esempio dagli ambiti agricolo e tessile) per diversi scopi in ottica di economia circolare;
Additive Manufacturing nell’ottimizzazione strutturale e nelle costruzioni leggere;
Additive Manufacturing nella moda e Continuous Mass Customization per l’ecosostenibilità;
Valutazione del consumo di potenza ed energia di diverse tecniche di Additive Manufacturing;
Motori elettrici a basso consumo ed ecosostenibili;
Digital twins per simulazioni di processo;
Sviluppo di polimeri termoplastici ecosostenibili;
Sviluppo di giunzioni innovative ed ecosostenibili;
Strategie MQL e ricerca di coating o trattamenti superficiali, che limitino l’attrito e permettano di ridurre o evitare l’uso di lubrificanti;
La decarbonizzazione, i principi di sicurezza intrinseci, la riduzione dell’uso di risorse non rinnovabili ed il calo del consumo energetico saranno i principali indicatori di valutazione dei progetti proposti.

TEMA 2

Tale tema mira a sviluppare un ambiente produttivo originale capace di integrare i principi ‘lean, green, sustenible, agile e resilient’ nella progettazione e gestione delle catene di approvvigionamento attraverso lo sviluppo di indicatori chiave di prestazione (KPI) rilevanti che siano in grado di misurare le prestazioni dei processi industriali.
Saranno valutati positivamente progetti che dimostrano di applicare efficacemente le seguenti tre prospettive di miglioramento.

Prospettiva ‘lean’ ovvero di sviluppo di tecniche per migliorare la produttività e l’efficienza. Modelli e metodi per massimizzare l’efficienza nella produzione, assemblaggio e distribuzione riducendo i tempi morti e i costi inutili; approcci e procedure ‘verdi’ ed ‘umano-centriche’ per ridurre l’impatto delle attività industriali sull’ambiente circostante. Ottimizzazione multi-obiettivo digitale e data-driven basati sull’intelligenza artificiale per la valutazione delle prestazioni del sistema distributivo attraverso l’integrazione di principi di lean management in algoritmi di intelligenza artificiale e machine learning per l’alimentazione di catene di montaggio, il ‘picking’ ed il ‘kitting’ nei sistemi produttivi e logistici, la pianificazione della produzione e distribuzione logistica, comprese le pratiche di distribuzione nell’ultimo miglio e le operazioni su prodotti deperibili e sensibili alla temperatura. Sviluppo di sistemi di supporto alle decisioni basati sulla modellizzazione e simulazione per la progettazione, lo sviluppo e la gestione di catene logistiche integrate. Sviluppo di metodi e strumenti per migliorare l’esperienza lavorativa dei dipendenti mediante comportamenti innovativi nei confronti delle pratiche ambientali.
Prospettiva di ‘sostenibilità’, ovvero di promozione di pratiche di gestione ‘verdi’ attraverso la diffusione del modello di catena di fornitura sostenibile per ridurre al minimo i rifiuti conferiti in discarica, le acque reflue drenate e le emissioni inquinanti. Creazione di un ambiente di progettazione innovativo che implementi tecniche di ‘Generative Design’ (GD) e ‘Stylistic Design Engineering’ (SDE) con le più note tecniche ingegneristiche del ‘Quality Function Deployment’ (QFD) per la realizzazione di prodotti dallo stile moderno e funzionale. Sviluppo e validazione di un framework originale e polivalente per l’integrazione dei principi ‘lean, green e agile’ nella progettazione e gestione dei sistemi industriali, logistici, produttivi e della supply chain. Applicazione dei principi ‘Design for Disassembly’ (DFD) e ‘Design for Recycling’ (DFR), per aiutare le aziende a recuperare parti di prodotti che possono essere riutilizzate una volta che l’oggetto ha raggiunto la fine della vita. Implementazione di strumenti avanzati di simulazione (Biomimetic Design, e Cyberphysical Prototyping, Realtà Aumentata, Virtuale o Mixed Reality) all’interno del processo di prototipazione rapida e di visualizzazione immersiva e interattiva al fine di ridurre gli sprechi di materiale nella fase di prototipazione e testing nell’ambito dello sviluppo del prodotto. Implementazione di sistemi di simulazione avanzati all’interno della ‘pipeline’ virtuale per apportare modifiche al prodotto in tempo reale;
Prospettiva ‘resiliente’ ovvero di sviluppo di un abaco di supporto alle decisioni dell’analisi dei potenziali rischi associati alla combinazione di imballaggio e spedizione, e alle operazioni di carico/scarico e distribuzione in ambienti complessi.

TEMA 3

Tale tema riguarda la valutazione degli impatti sociali, economici e ambientali al fine di ridurre l’utilizzo delle risorse valorizzando i rifiuti e gli scarti industriali, ad esempio provenienti dalle catene di fornitura di imballaggi, materiali ceramici, materiali di consumo, materiali del comparto agro-alimentare e nella produzione di nutraceutici e fine chemicals. Saranno considerati positivamente processi innovativi ed ottimizzati per la transizione ecologica delle industrie manifatturiere e di processo che includano sistemi termici efficienti come il laser o il plasma o che utilizzino concetti di ‘digital twin’ e di piattaforme digitali per la valutazione della LCA attraverso metodi predittivi. Saranno considerati positivamente progetti che mirano alla creazione ed al riutilizzo di prodotti dopo la loro fine vita attraverso il disassemblaggio, la ri-fabbricazione e ri-progettazione dei componenti industriali. Sarà valutata l’applicazione a tecnologie emergenti ed a nuovi prodotti. Verranno prese in considerazione scelte metodologiche coerenti all’estrapolazione dai risultati degli impianti pilota/dimostratori proposti sui futuri impatti della produzione industriale, nonché alla contabilizzazione dei crediti ambientali per la valorizzazione dei rifiuti ed alla modellizzazione dei futuri scenari energetici. Saranno, infine, considerate le procedure e le tecniche di etichettatura e di indicazione di impatto ecologico di prodotti e processi, nonché le strategie di recupero per il riciclaggio dei materiali.

TEMA 4

Tale tema mira a integrare la robotica avanzata, i sensori a basso consumo, la comunicazione avanzata ‘quality-aware’ (ad esempio, IoT wireless, 5G), i sistemi di controllo distribuiti, l’intelligenza artificiale distribuita, ’edge e cloud’ industriale ‘computing’ e apprendimento automatico al fine di monitorare, adattare ed ottimizzare le prestazioni per una produzione verde e sostenibile riducendo, ad esempio, il consumo energetico ed i difetti. Saranno valutati positivamente progetti che prevedano lo sviluppo di un ‘nervous system’ ICT per il monitoraggio, il controllo e la gestione dei processi produttivi dotati delle seguenti caratteristiche:

progettazione di nodi di rilevamento a bassa potenza basati anche sulla raccolta di energia (ad esempio, da luce e RF);
comunicazioni cablate-wireless avanzate per reti con controllo di qualità di sensori e attuatori eterogenei (ad esempio, secondo i requisiti identificati dalla 5G Alliance for ‘Connected Industries and Automation’);
capacità di orchestrare il continuum del cloud computing delle risorse virtualizzate (nei nodi cloud edge, nei gateway industriali, nelle stazioni base 5G, nei nodi cloud industriali) con qualità prevedibile e gestita;
supporto efficiente e scalabile per il monitoraggio/tracciabilità dei dati rilevati in blockchain per la certificazione di prodotto e processo;
tracciamento in tempo reale di macchine mobili (ad esempio, ‘handler’) e prodotti per un’efficiente ottimizzazione della logistica online;
progettazione, realizzazione e validazione di sistemi integrati con capacità di ‘multisensing’ in volume miniaturizzato e basati su micro e nanotecnologie a basso impatto ambientale.

Saranno considerati positivamente progetti che promuovono la personalizzazione e l’adozione di gemelli digitali di processi e macchine manifatturiere, sia per la qualità della progettazione che della produzione, e che raggiungano i seguenti due obiettivi attraverso la co-simulazione, l’hardware-in-the-loop, la modellazione basata sui dati, l’edge cloud e le piattaforme distribuite dell’IoT industriale.

Fornire assistenza alla progettazione/dimensionamento di impianti e macchine industriali, al fine di ridurre i tempi di progettazione ed implementazione e di aumentarne l’efficacia;
Migliorare la qualità dei prodotti e dei processi produttivi tramite analisi ‘what-if’ in tempo reale e previsioni sulla riconfigurazione in fase di esecuzione (ad esempio, verso il rilevamento di anomalie, la manutenzione predittiva/prescrittiva, la previsione della qualità del prodotto e la riconfigurazione anticipata).

Saranno, infine, valutati positivamente progetti che promuovono soluzioni volte a migliorare non solo l’efficienza (in termini di basso consumo di risorse fisiche ed energetiche) ma anche la sicurezza e il comfort dei lavoratori nelle linee di produzione, ovvero progetti che mirano a creare un nuovo paradigma di collaboratori robotici, basato su manipolatori collaborativi mobili autonomi che possono muoversi all’interno dell’impianto e cooperare con gli esseri umani. Gli indicatori di impatto e prestazione ambientale, nonché la stima della riduzione del consumo energetico raggiunti da casi pilota specifici proposti, saranno i principali indicatori di valutazione dei progetti proposti.

TEMA 5

Tale tema riguarda il cambiamento strutturale e organizzativo del paradigma produttivo attraverso l’adozione di nuove tecnologie conformi alle prospettive della transizione verde. Il piano d’azione per la finanza sostenibile e l’impatto delle autorità di regolamentazione finanziaria, stanno influenzando le dinamiche delle imprese, anche per l’impatto sulla valutazione del rischio sul merito creditizio. La tassonomia delle attività sostenibili (Regolamento 2020/852) influenzerà in modo sostanziale le filiere produttive, meglio definite nel senso della strategia industriale europea come “Ecosistemi industriali”.

Saranno valutati positivamente progetti che studiano (utilizzando dati e indagini disponibili) il processo di allineamento delle imprese e degli ecosistemi industriali alla tassonomia UE sulle attività sostenibili identificando l’impatto complessivo e le strategie necessarie per sfruttare le opportunità e gestire la potenziale crisi emergente da politiche mirate a favorire il cambiamento climatico ed a promuovere la sostenibilità. Le attività possono consistere in:

analisi documentali per l’identificazione degli ecosistemi industriali regionali/RIE (secondo la nuova strategia industriale dell’UE) che mirano anche a identificare come le RIE siano influenzate dalla tassonomia dell’UE sulle attività sostenibili;
analisi di indagini su larga scala per studiare la reazione delle imprese regionali alla tassonomia e più in generale alle implicazioni delle politiche sui cambiamenti climatici:
implicazioni gestionali di processo di riallineamento (cambiamento organizzativo e individuazione di nuove strategie);
implicazioni finanziarie del processo di riallineamento (impatto del Piano d’Azione per la finanza sostenibile e altre normative sulle RIE);
gestione della crisi emergente durante il periodo di transizione;
implicazioni per il RIE del processo di riallineamento che potrà, anche, fornire uno strumento pratico per supportare le aziende nell’adattamento e nel riallineamento alla tassonomia.

Il risultato del progetto potrà essere un intervento su larga scala per promuovere politiche pubbliche e strategie private per l’adattamento alla tassonomia e all’eventuale impatto delle politiche sul cambiamento climatico su aziende e territori.