All'interno di uno stabilimento industriale, occorre che i materiali che servono ad un determinato scopo si trovino nelle posizioni giuste nei tempi desiderati.
Il cosiddetto sistema di handling dei materiali si occupa di tale funzione.
Ovviamente, ogni tipologia di materiale necessita del proprio sistema di movimentazione e richiede delle soluzioni specifiche.
Farò di seguito solo una breve e sommaria trattazione di alcune delle varie tipologie di trasporto dei materiali all'interno degli stabilimenti industriali.

Sistemi di Handling Unitarizzabili (UMH)

Gli UMH Si dividono in due categorie :

• UMH Non Vincolati : in grado cioè di operare in tutte le dimensioni dello spazio liberamente;
• UMH Vincolati : in grado cioè di operare solo su un percorso prefissato nello spazio.

UMH Non Vincolati

Transpallets

Si tratta di carrelli caratterizzati da una capacità di sollevamento limitata. Sono impiegati per il trasferimento orizzontale dei pallets negli ambienti chiusi e possono essere impiegati solo se si ha che fare con superfici a pendenza ridotta e lisce.
Possono essere manuali o motorizzati elettricamente, alimentati da batterie.

Transpallet elettrico

Carrelli industriali

Sono di due tipologie:

• carrelli a forche;
• carrelli commissionatori.

I carrelli a forche sono classificati in base a varie caratteristiche costruttive :

• tipo di presa delle forche: frontali, trilaterale, retrattili;
• tipo di motore impiegato: elettrico o a combustione interna;
• tipo di gomme: gomme piene o pneumatici per uso esterno;
• portata;
• altezza di sollevamento;
• numero di ruote: tre o quattro;
• posizione del conducente: seduto o in piedi;
• posizione del posto di guida: centrale o posteriore.

Le forche sono posizionate davanti e consentono di sollevare il carico. Esse sono fissate tramite una slitta ai due montanti, lungo i quali possono scorrere verticalmente e possono essere azionate da un sistema a catena o tramite pistoni oleodinamici.

Carrelli a forche

I carrelli commissionatori sono usati per le operazioni di prelievo frazionato e sono caratterizzati dal fatto che l'operatore si può muovere su di un piano che è solidale alle forche del carrello, in modo tale da poter inforcare il pallet da cui andare a prelevare delle linee d'ordine, effettuare le operazioni di picking e riposizionare i pallet nel vano di immagazzinamento.

Carrello commissionatore orizzontale

AGV

Gli AGV, ovvero Automatic Guided Vehicle, consentono i superare i vincoli di carattere gestionale legati alla rigidità dei carrelli industriali classici.
Tali sistemi impiegano dei carrelli che possono essere a tre o a quattro ruote che si muovono automaticamente all'interno dello stabilimento. Sono motorizzati elettricamente grazie ad un sistema di batterie.
Un veicolo AGV segue mentre si muove un percorso ben preciso, che si ottiene sfruttando un principio fisico che funge da guida del sistema. Questa guida è a controllo numerico e, malgrado sia determinata a priori, può essere facilmente riprogrammata, in modo tale da superare ogni vincolo spaziale.

La guida può essere :

• guida induttiva, consente al carrello di seguire il campo magnetico generato dalla corrente che percorre un filo interrato nel pavimento, tramite una coppia di antenne. Le intensità di corrente sono dell'ordine di 40 mA, le tensioni si aggirano sono minori di 40 V e la frequenza è variabile da 1 a 13 Hz. Ogni carrello può percorrere un percorso ben preciso all'interno di un network di percorsi, seguendo un preciso valore del campo magnetico.
• guida ottica, in tal caso il carrello segue una banda di materiale catarifrangente posta a pavimento. E' un sistema meno sicuro del precedente dato che le bande possono essere anche soggette a sporcizia e danneggiamento, anche se è più flessibile rispetto al tipo precedente perché permette di apportare modifiche al network dei processi in modo più semplice.
• guida laser, a bordo del veicolo è installato in tal caso uno scanner che emette e riceve raggi laser e che calcola la posizione del veicolo nello stabilimento rispetto a catarifrangenti di riferimento posti lungo il perimetro dello stabile.

Il sistema di controllo di un AGV è di tipo gerarchico a livelli. In particolare :

• al livello più basso si posizione il controllo di macchina del singolo AGV, grazie ad un microprocessore installato a bordo dello stesso AGV;
• al livello superiore si trova il controllo di reparto dell’intera flotta degli AGVs;
• al livello più alto si ha il sistema di controllo generale di supervisione del sistema di handling dello stabilimento.

Esempio di veicolo AGV

UMH Vincolati

I sistemi di trasporto vincolato sono caratterizzati dal fatto che il trasporto dei materiali segue dei percorsi prefissati. In tal caso l'aggettivo "Vincolato" in tal caso sta ad intendere che vi è un vincolo cinematicamente posto alla traiettoria del sistema di trasporto.
Ora, i sistemi di trasporto unitarizzabili motorizzati vincolati si dividono in tre tipologie :

• vincolati fissi;
• vincolati mobili, non vincolati;
• vincolati mobili, vincolati.

Onde evitare fraintendimenti, si precisa che stavolta il significato del secondo aggettivo "Vincolato" sta ad indicare il tipo di aggancio che caratterizza l'elemento di contatto del sistema di movimentazione con il carico da trasportare : in altre parole, se tale elemento non può essere sganciato dalla "trasmissione" del sistema, allora il sistema è detto vincolato, altrimenti è detto non vincolato.

Facciamo ora riferimento, in particolare, ai sistemi vincolati motorizzati a linea, in cui l'unità di carico è vincolata ad una linea di trasporto che può essere eventualmente suddivisa in sezioni ciascuna delle quali è motorizzabile.

Trasportatori fissi

Non accompagnano il carico nel suo movimento. Essi rimangono fissi mentre l’unità di carico si muove rispetto ad essi. Fanno parte di tale categoria i convogliatori a rulli (l'unità di carico è appoggiata sulla rulliera e viene mossa tramite rulli motorizzati che spingono l'unità di carico stessa in avanti per attrito) e quelli a rotelle (simili concettualmente a quelli a rulli ma con una struttura più alleggerita, utilizzando per l'appunto rotelle al posto dei rulli per movimentare unità di carico ingombranti ma con peso ridotto).

Trasportatore a rulli

Trasportatore a rotelle

Trasportatori mobili vincolati

In tal caso il sistema di trasporto accompagna nel movimento l'unità di carico trasportata e l'elemento del sistema di movimentazione a contatto con il carico da trasportare non può essere sganciato dalla trasmissione del sistema stesso.

Una prima tipologia è quella dei convogliatori a vassoi, usati come magazzino di parti di piccole dimensioni nelle stazioni di montaggio manuale; di volta in volta l'operatore preleva la singola parte e fa muovere in tal modo il convogliatore.

Un'altra tipologia è quella dei convogliatori a nastro : in essi un nastro messo in moto grazie ad un rullo motore, fa sì che le varie bnità di carico siano trascinate per attrito.

Convogliatore a nastro

Trasportatori mobili non vincolati

In questo caso i componenti del sistema di trasporto che sono a contatto con i carichi possono essere rimossi temporaneamente dalla linea in modo da permettere un accumulo dei componenti.
Due tipologie appartenenti a questa categoria sono gli automotori aerei e i trasportatori aerei birotaia.

La prima tipologia è molto simile ad un sistema automotore aereo, in cui la trasmissione del moto è ottenuta equipaggiando ogni elemento con un motore elettrico autonomo in modo tale da svincolare il moto di ogni componente da quello degli altri elementi che costituiscono il sistema.

Nella seconda tipologia ogni elemento costitutivo del sistema di trasporto è impegnato lungo una rotaia per mezzo di un sistema di guide. L'elemento di guida, detto trolley free è trascinato in movimento grazie ad un altro elemento detto trolley power, che è collegato rigidamente alla catena motrice.
Impegnando o disimpegnando il sistema trolley power da quello trolley free è possibile vincolare o al contrario svincolare l'elemento del sistema di handling permettendo un accumulo dei componenti in corrispondenza di una stazione di montaggio.

Trasportatore aereo birotaia

Sistemi di handling dei materiali sfusi

Si usa indicare con il termine di builk materials tutti i materiali incoerenti che vengono spostati senza ricorrere ad unità di carico discrete e definite.
Vi sono quattro tipologie di sistemi di movimentazione dei materiali sfusi :

• elevatori a tazze;
• trasportatori a nastro;
• trasportatori a catena;
• trasportatori a coclea.

Elevatori a tazze

Sono molto impiegati per il trasporto in verticale di tale tipologia di materiali, consentendo anche di innalzarli per altezze pari a decine di metri.
L'elevatore a tazze è strutturalmente semplice : consta di due ruote collegate tra loro con un sistema a cinghie a cui sono vincolate le tazze per trasportare il materiale.
La ruota superiore è la ruota motrice. Sulla ruota inferiore è posizionato invece il sistema tendicatena che consente di mantenere in tiro la catena stessa.

La portata G di un elevatore a tazze è esprimibile come :

dove :

• V è il volume della tazza espresso in m³;
• γ è il peso specifico del materiale trasportato espresso in kg/m³;
• φ è il coefficiente di riempimento della tazza, minore di 1;
• n è il numero di tazze per unità di lunghezza di nastro;
• v è la velocità di nastro, espressa in m/s.

Alcune precisazioni.
Per quanto concerne il peso specifico del materiale, i materiali incoerenti sono caratterizzati da :

• un peso specifico in mucchio, del materiale accatastato alla rinfusa;
• un peso specifico del materiale vero e proprio.

Il peso specifico in mucchio può essere anche molto più piccolo del peso specifico vero e proprio. I materiali incoerenti inoltre man mano che vengono movimentati diventano sempre più scorrevoli. Il peso specifico in mucchio, quindi, tende ad aumentare all'aumentare del numero di manipolazioni effettuate sul materiale stesso.

Il valore del coefficiente di riempimento del materiale inoltre è ricavato sperimentalmente in funzione della velocità del nastro e della sezione del dispositivo di carico del materiale.

Una modalità di calcolo della potenza all'albero motore della ruota trainante è :
, espressa in W;

dove :

• F è la forza di trazione esercitata sul tratto di salita del nastro;
• ν è la velocità di salita del nastro;
• η sono i rendimenti vari.

Trasportatori a nastro

In tale sistema di trasporto una cinghia di materiale telato o di gomma è avvolta su due ruote e riceve per attrito, tramite la ruota motrice, il materiale che, depositato sulla cinghia nella zona di alimentazione, viene trasferito verso lo scarico.
La ruota motrice deve essere la ruota allo scarico cioè quella che traina direttamente la parte di cinghia che è gravata dal materiale da trasportare mentre sulla ruota non motrice vengono montati i sistemi tenditori.

La condizione di attrito tra cinghia e ruota motrice è espressa dalla seguente relazione :

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Per aumentare quindi la forza di trazione T₁ che può essere esercitata per il trasporto del materiale è necessario aumentare il valore dell'angolo di avvitamento α oppure il valore del coefficiente di attrito f.

In riferimento alla sezione media A di materiale trasportato :

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

e detta h_media l'altezza media del materiale trasportato tale che :

si ha che la portata G trasportata è pari a :

dove :

• γ è il peso specifico del materiale trasportato espresso in kg/m³;
• ν è la velocità di traslazione del nastro, espressa in m/s.

La potenza assorbita da un trasportatore a nastro è espressa invece dalla seguente relazione :
, espressa in kW;

dove :

• F è la forza esercitata sul nastro, espressa in kg;
• ν è la velocità di traslazione del nastro, espressa in m/s.

Trasportatori a catena

Sono detti anche trasportatori ad attrito o reddler.

Tale sistema di trasporto è costituito da una canaletta di lamiera sul cui fondo scorre una catena a cui sono collegato degli elementi mobili che sfruttano l'attrito ed impartiscono il moto al materiale incoerente, che riempie la canaletta, quasi fino all'estremità superiore.
Per avere un buon effetto di trascinamento è necessario un attrito sufficiente tra il materiale e gli elementi mobili, cercando di limitare al massimo le perdite di energia lungo le pareti delle canalette, che devono essere il più possibile lisce.

E' importante inoltre che la velocità della catena non sia eccessivamente elevata perché deve essere garantita una certa regolarità di flusso al materiale all'interno delle canale.

Tali trasportatori consentono di trasportare i materiali più svariati, in particolare i materiali fibrosi e fortemente abrasivi ma non sono adatti al trasporto di materiali fluidizzati, cioè quelli che presentano caratteristiche fluidodinamiche assai vicine a quelle di un liquido, come ad esempio il cemento.

Un esempio di trasportatore a catena è il seguente (tratto da : http://www.montiimpianti.it/index.php/it/prodotti/impianti-alimentari/item/trasportatori-a-catena-impianti-alimentari) :

Trasportatori a coclea

I trasportatori a coclea spesso sono preferiti ai trasportatori ad attrito perché a parità di capacità di trasporto presentano dei costi di investimento e di manutenzione ridotti nonché una semplicità di funzionamento maggiore ed una migliore protezione del materiale.
I trasportatori a coclea constano di un elemento particolare, la coclea, che richiama la conformazione di una vite senza fine e che, in particolare, può avere una particolare conformazione a razze, nel caso in cui nell'avanzamento del materiale venisse richiesta una forte azione di rimescolamento.

Un esempio di trasportatore a coclea è il seguente (tratto da : http://www.puleosrl.it/prodotti/scheda.asp?idp=38)

La coclea è messa in rotazione grazie ad un motore elettrico su appositi supporti all'interno e coassialmente ad una canala in lamiera opportunamente sagomata.
L'avanzamento del materiale è garantito sfruttando l'attrito esistente tra il materiale stesso e la superficie dell'elica.

Bibliografia

Appunti del corso di Impianti meccanici.