Induction oven. Design and development of an induction heating accessory for the oven, based on Whirlpool MINERVA platform

Time-saving and energy efficiency are gaining every day more importance for home appliances. Induction heating technology offers significant benefits respect o other cooking technologies, especially regarding to energy efficiency (84% for induction versus 40% for gas and 71-75% for electric cook-tops), besides safety features, control, working conditions, performance and time saving. Induction Oven is an innovative solution into the electric domestic oven segment; delivering beyond the standard functions, new energy and time saving cooking functions, which can be implemented by combining conventional heating and induction heating. The thesis is structured starting from a first phase of research with 2 different orientations, “The Oven” and “Induction Heating Technology”, which are merged in the induction oven conceptualization. The first intended to analyze oven’s history related to technology evolutions, and the product in its functional complexity (cooking technologies and heat transfer mechanism); and the second to understand how induction technology works, and identify the important factors affecting the induction system efficiency and performance. The first phase of the project developed in Whirlpool aims to verify the feasibility of the technology, by engineering and developing the product, focusing in critical requirements and limits of the technology itself, the market and the company (structure, manufacturing, production costs). However, some features; especially those from design and usability requirements; were either not considered as critical and postponed to a later stage, or have not reached satisfactory results; product of the non alignment of Design and Engineering areas from the beginning of the product development process; evidencing the importance of a Design Engineer figure in product developments. Thus, for the second phase of the project, a Design & Engineering approach is performed, based on the initial design concept and the engineering work done, looking for a meeting point where both languages complement each other; keeping and communicating all qualitative aspects from a design and user-experience approach, and finding support in the clear quantitative specifics of engineering, material applications and manufacturing techniques.

L’efficienza energetica, intesa come contributo “ecologico”, risparmio di risorse e tempo, riveste sempre maggiore importanza nell’innovazione del mercato degli elettrodomestici. Anche e soprattutto in questo senso vanno intesi lo sviluppo e l’applicazione delle più recenti tecnologie ai prodotti tradizionali, con il molteplice scopo di migliorarne le prestazioni, riducendone al contempo i consumi, e di trasformare le mansioni in cucina in esperienze gradevoli grazie ad un approccio di progettazione focalizzata come non mai sulle mutate esigenze dei clienti. La tecnologia di riscaldamento ad induzione elettromagnetica, ampiamente sviluppata per i cooktops, offre notevoli vantaggi rispetto alle tradizionali tecnologie di cottura, tanto in termini di efficienza energetica (84%, contro il 40% del gas ed il 75% elettrica), quanto in termini di sicurezza, risparmio di tempo, prestazioni, controllo del processo, pulizia ed impatto ambientale. Whirlpool, azienda leader nel settore degli elettrodomestici, investe costantemente nello sviluppo di nuovi progetti basati su innovazioni tecnologiche, attraverso una struttura interna dedicata di progettazione Technology Advantage. Testimonianza emblematica di questo impegno è il lavoro oggetto di questa tesi, ovvero il progetto Induction Oven. In definitiva si tratta di un forno che, sfruttando la combinazione di riscaldamento convenzionale e da induzione, offre, in aggiunta alle funzioni di cottura standard di un forno elettrico a convezione, nuove funzioni che garantiscono considerevoli risparmi di energia e tempo. Per offrire un’adeguata panoramica a chi legge delle condizioni al contorno del progetto, la tesi prevede una prima parte di ricerca su due argomenti, “il forno elettrico” e “il riscaldamento ad induzione”, che poi convergeranno logicamente nella parte di concettualizzazione del nuovo prodotto Induction Oven. La ricerca su “Il forno elettrico” inquadra l’oggetto forno, vero e proprio “fattore sociale” nelle abitudini alimentari e casalinghe umane, soffermandosi in particolare sulla sua evoluzione, legata inevitabilmente allo sviluppo delle tecnologie, e sulla sua complessità funzionale, approfondendo concetti teorici a partire dai meccanismi di trasferimento del calore. Il secondo capitolo spiega come funziona la tecnologia di riscaldamento ad induzione elettromagnetica, identificando i fattori fondamentali che la rendono così competitiva da un punto di vista energetico e di prestazione pura. Infine, il bechmarking di tecnologia ad induzione applicata negli elettrodomestici, e più specificamente nei forni, fonde i suddetti argomenti di ricerca (forno elettrico + riscaldamento a induzione), e presenta lo stato dell'arte, come punto di partenza per lo sviluppo del forno ad induzione. I capitoli successivi sono incentrati sulla fase di progettazione. In particolare, nella prima parte viene riassunto il lavoro ed i risultati dei 9 mesi di tirocinio svolti presso il gruppo R&D di Whirlpool Europe. Viene qui verificata la fattibilità tecnica del concept, mediante la progettazione ed ingegnerizzazione del prodotto, sulla base dei requisiti e delle specifiche richieste, ed in accordo con i limiti imposti dal mercato, dall’azienda (costi, processi, altre esigenze) e dalla stessa tecnologia. L’Induction Oven è concepito come un forno a convezione normale, con una funzione aggiuntiva di cottura ad induzione; in quest’ottica quindi è visto più come un prodotto esistente con una feature speciale, piuttosto che come un prodotto totalmente nuovo. L’approccio di concettualizzazione e sviluppo del progetto segue questo fatto; gli sforzi maggiori infatti sono stati focalizzati sull’integrazione degli elementi più critici e specifici del prodotto (il vassoio, cuore del sistema, il connettore e l’elettronica) all’interno di una struttura già esistente (forno piattaforma Minerva 65litri), senza comprometterne il normale funzionamento e minimizzando le modifiche per non aumentare complessità produttiva e contenere i costi operativi aggiuntivi. Da un punto di vista progettuale, è sempre più complesso adattare un nuovo prodotto ad uno già esistente, piuttosto che pensarlo da zero, dal momento che bisogna convivere con vincoli preesistenti di diversa natura. Questa prima fase di progettazione è quindi cruciale. Tuttavia, ci sono ancora alcuni aspetti, non considerati altamente critici per minare la continuità di sviluppo del progetto stesso, la cui risoluzione e/o ottimizzazione è stata rinviata ad una fase successiva. In effetti, il risultato parziale ottenuto ad oggi è un prodotto funzionale, ma ancora distante dal concept estetico e di “usability” iniziale presentato dal gruppo di Industrial Design di Whirlpool. Questo testimonia una generale mancanza nell’attuale approccio di sviluppo di prodotti all’interno di molte aziende, dove spesso designers ed ingegnieri lavorano in maniera non allineata e parlano linguaggi diversi, in ragione di esigenze ed obbiettivi diversi. Tutto ciò evidenza l'importanza della figura di un Design Engineer nei processi di sviluppo di nuovi prodotti. Per questo motivo, ad integrazione del lavoro svolto durante il tirocinio, e con lo scopo di migliorare i risultati parziali sin qui ottenuti, ho deciso di includere nella mia tesi una seconda fase di progettazione, basata su un approccio “Design & Engineering”, e sull’ applicazione delle conoscenze acquisite durante il corso di laurea specialistica, peraltro già utilizzate durante tutto lo svolgimento del lavoro di tesi. Essendo il vassoio il cuore della tecnologia di cottura ad induzione, in cui convergono tutti i requisiti e i limiti del sistema, questa seconda fase di progettazione si incentra sul miglioramento e lo sviluppo di questo componente, partendo dalle debolezze del design attuale, in ragione delle esigenze estetiche, ingegneristiche e di usability, trascurate per varie ragioni nella prima fase di sviluppo. A questo scopo concorrono nello specifico le seguenti analisi: - analisi dell’interazione utente/prodotto a seguito dei test di usability, con applicazione di considerazioni ergonomiche; - analisi dei trend estetici coerentemente con lo stile di vita ed il contesto sociale del target di vendita, nonché in accordo con l’identità aziendale e le ragioni di brand marketing; - analisi e valutazione di diversi materiali, soppesando le principali proprietà estetiche, sensoriali ed ovviamente funzionali, nell’ottica delle applicazioni per il riscaldamento ad induzione.