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PROGETTAZIONE
Gabriele Peloso
Innovazioni
per la macchina
utensile
Il comparto della macchina
utensile potrebbe sembrare
maturo. Non è così. Costruttori
e centri di sviluppo propongono
soluzioni innovative
Modello CAD
sviluppato con
Solid Edge
e modello fisico di un
asse Z per fresatrici
in materiale composito.
La struttura è in materiale
composito (Cfrp, Carbon Fiber
Reinforced Polymer) a ultra alto
modulo.
In un mercato sempre più competitivo è necessario utilizzare sistemi per produrre di ultima generazione. Le lavorazioni ad asportazione di truciolo necessitano di macchine utensili ad alta velocità, precise, altamente automatizzate e multifunzione. La scelta è obbligata, pena l’esclusione
dal mercato. Oggi, un numero sempre crescente
di utenti nel decidere i propri investimenti in nuove macchine si preoccupa della loro idoneità nelle lavorazioni più complesse. Questo non vuol dire necessariamente un aumento del volume di
truciolo prodotto o la velocità di avanzamento migliorata. Gli utilizzatori considerano infatti estremamente importante aumentare la produttività senza penalizzare, anzi migliorare sempre di
più, la precisione e la qualità superficiale dei pez-
sia nei componenti
zi prodotti. Quindi le tecnologie innovative di sviluppo della macchina utensile giocano un ruolo
chiave in questo contesto evolutivo. Queste necessità sono state soddisfatte dai principali costruttori di macchine in collaborazione con alcuni centri di ricerca e progettazione. Uno di questi è Ce.S.I. Centro Studi Industriali. Esso studia
e sviluppa soluzioni innovative nel comparto industriale della macchina utensile, nel settore energetico e nella meccanica in generale.
I compositi polimerici
Le macchine per lavorazioni prismatiche sono
predisposte per soluzioni tecniche innovative.
L’industria degli stampi, l’aeronautica/aerospaziale e delle geometrie complesse richiede macchine veloci, con bassa inerzia ed estremamente
precise. Per ottenere questi risultati Ce.S.I. ha sviluppato progetti differenti in collaborazione con
alcuni costruttori: Fidia, Innse Berardi, CMS,
sia nei materiali utilizzati.
Alcuni esempi dimostrano
quale rivoluzione tecnologica
è in atto in questo settore:
dai materiali compositi,
alle fibre ottiche,
dalle schiume polimeriche
e metalliche, fino all’utilizzo
di attuatori piezoelettrici
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Gruppo Blm, Comau, la francese Huron, la spagnola Correa. Alcune innovazioni ci vengono illustrate da Angelo Merlo, responsabile della ricerca e sviluppo materiali e calcolo di Ce.S.I.. «L’incremento delle prestazioni nelle macchine utensili, soprattutto per quanto riguarda le velocità e le
accelerazioni, ha reso indispensabile ridurre le masse in movimento e aumentare lo smorzamento delle vibrazioni. Quindi, è necessario sviluppare e adottare nuovi materiali, da inserire in un quadro
di innovazione tecnologica generale riguardante altri aspetti della macchina quali motori lineari, azionamenti, componenti meccanici e Cnc». E ha
continuato: «I materiali di ultima generazione sono importanti in una moderna macchina utensile.
Abbiamo studiato il comportamento dei compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio. Essi hanno la caratteristica di un basso peso specifico e nello stesso tempo un’elevata rigidità. Utilizzando questi materiali, in alcuni componenti mobili della macchina utensile, siamo riusciti a ridurre
il peso del 50% a parità di rigidezza rispetto alle
soluzioni convenzionali. Oltre al peso ridotto utilizzando i compositi si riducono le vibrazioni, sia
per le proprietà intrinseche del materiale sia per
come vengono assemblati i componenti, utilizzando prevalentemente tecniche di incollaggio».
Naturalmente lo sviluppo di nuove strutture di ultima generazione necessita un’attenta progettazione e dimensionamento. «La progettazione di
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questi componenti - ha proseguito Merlo - è stata
realizzata con tecniche CAD 3D. Abbiamo in dotazione il software Solid Edge V18 di Ugs. Esso è
di facile utilizzo e ci ha permesso, oltre al dimensionamento, anche il calcolo degli elementi finiti
e la verifica cinematica virtuale degli oggetti». Solid Edge ha introdotto due metodologie complementari che permettono di analizzare e validare
progetti in una fase molto precoce del ciclo di progettazione. La prima Femap Express è integrata in
Solid Edge e guida l’utente nell’analisi precisa di
parti solide e lamiere. Il secondo aspetto riguarda
il perfezionamento dell’integrazione e dell’associatività di Solid Edge con Femap per l’analisi agli
elementi finiti (Fea). Entrambe le soluzioni utilizzano la collaudata tecnologia del solutore Nastran.
Le analisi preliminari per verificare immediatamente, da parte del progettista, la bontà delle soluzioni in corso di sviluppo sono state effettuate
in ambiente integrato CAD-Fea sopra menzionati. Analisi più raffinate e verifiche di dettaglio sono state poi eseguite esportando i modelli verso il
solutore Msc/Nastran.
Schiuma metallica
di Al e pelli in acciaio.
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Un’altra soluzione applicativa nel settore delle macchine utensili sono i materiali cellulari. Si tratta di
strutture a sandwich dove due pelli di metallo contengono un’anima a nido d’ape oppure materiali
corrugati. Utilizzando questa struttura si ha il vantaggio di utilizzare più efficacemente il materiale,
aumentandone la rigidità con pesi ridotti. Inoltre,
lo spazio vuoto tra le due pelli, può essere riempito con schiume polimeriche a bassa densità in grado di smorzare le vibrazioni presenti nella macchina utensile. Le applicazioni di questa struttura
sono principalmente per l’asse Z (verticale) di una fresatrice o l’asse orizzontale di un centro di lavorazione. Questa soluzione è adatta anche per le
macchine gantry a montante mobile. Tra i materiali cellulari rientrano anche le schiume metalliche (definite come solidi ‘cellulari stocastici’). Le
schiume metalliche sono idonee per il riempimento dell’intercapedine tra due pelli metalliche.
Queste schiume sono a base di alluminio. Esse hanno un’elevata porosità che permette al materiale di
smorzare bene le vibrazioni. Sono in corso di sviluppo alcune soluzioni utilizzando questa nuova
tecnologia.
Fibre ottiche Fbg
nelle strutture
Schiuma polimerica
a bassa densità.
Struttura di macchina
utensile
in materiale cellulare con
lamiera corrugata.
Materiali cellulari
Ce.S.I. ha sviluppato anche l’integrazione di fibre
ottiche nell’asse Z di una fresatrice. Quali sono i
vantaggi? «Posizionando una serie di sensori a fibra ottica all’interno della matrice del materiale
composito oppure integrandole in maniera opportuna - ha commentato Merlo -, è possibile monitorare le deformazioni termo-strutturali di una
struttura. Governare e gestire queste deformazioni è fondamentale quando si accoppiano materiali compositi con materiali tradizionali come la ghisa, l’acciaio e/o l’alluminio. L’assemblaggio di metallo e composito può generare in certi casi delle
distorsioni (dovute alla differenza tra i coefficienti di dilatazione termica lineare dei materiali in contatto) che devono essere compensate per un’elevata precisione della lavorazione.
La fibra ottica (Fiber bragg grating), basata sul concetto del reticolo di Bragg, è sensibile al rilevamento
della deformazione dell’ordine del micron su metro. A partire da queste misure in real-time, con
appositi algoritmi matematici, è possibile compensare le derive al naso mandrino tramite l’unità
di governo della macchina utensile». Le fibre ottiche sono resistenti, robuste e la loro durata, nel set-
PROGETTAZIONE
Schema
di integrazione
dell’asse Z
innovativo
in una macchina
utensile.
Prototipo di asse Z
per fresatrici
con fibre ottiche Fbg
integrate.
Modello 3D, realizzato con Solid Edge V18, della
piattaforma Smart per il controllo attivo delle
vibrazioni mandrino.
La piattaforma integra attuatori piezoelettrici ad alta forza,
precaricati. Il modello è stato verificato virtualmente con il
modulo cinematico di Solid Edge.
Progettazione 3D con funzioni avanzate
Solid Edge di Ugs, è una soluzione per la progettazione CAD 3D. Il software integra
una serie di funzionalità avanzate per la creazione, la condivisione e la gestione di
dati di progettazione e dispone di strumenti per la simulazione cinematica, i video di
montaggio e smontaggio, le annotazioni su progetti in 3D, oltre agli strumenti di collaborazione visuale che sfruttano JT, il formato di dati aperto e leggero per la condivisione dei dati di prodotto 3D. Solid Edge, nella nuova versione V19 mette inoltre
a disposizione le seguenti funzionalità. Simulazione cinematica completa; offre funzionalità per la definizione veloce e semplice delle relazioni fra diversi attuatori e organi di movimento, quali ingranaggi, pulegge, cilindri idraulici e motori. Documentazione animata e dinamica; grazie a strumenti avanzati che permettono di acquisire, modificare e animare le modalità di montaggio e smontaggio delle parti, gli utenti possono generare video di alta qualità per fornire istruzioni di fabbricazione,
manuali tecnici. Condivisione di file JT; Solid Edge sfrutta il formato di file standard
JT per condividere parti e assiemi, consentendo a tutti gli addetti della supply chain
di scambiare dati 3D indipendentemente dal sistema CAD usato. Product Manufacturing Information; la V 19 offre le funzionalità necessarie per realizzare progetti con
annotazioni 3D in conformità con standard mondiali come Asme Y14.41. Suite di soluzioni per il manifatturiero; strettamente integrato con il software Nx Cam Express
di Ugs, Solid Edge offre una gamma completa di soluzioni scalabili per il settore manifatturiero che coordinano la progettazione di prodotti, la progettazione di utensili e la programmazione a controllo numerico. Progettazione migliorata per la lamiera; feature come irrigidimenti angolari, aperture trasversali e orli perimetrali, permettono di estendere il vantaggio competitivo degli utenti dalla progettazione alla
produzione. 64 bit; gli utenti di Solid Edge creano assiemi con oltre 100.000 parti, e
la nuova edizione a 64 bit, introdotta con la V 19 accelera la creazione di grandi assiemi e dei relativi disegni.
tore industriale, è illimitata nel tempo. Esse sono
insensibili ai campi elettromagnetici. L’utilizzo di
questa tecnologia potrebbe diventare competitiva
anche dal punto di vista economico. Anche in questo caso la progettazione è avvenuta con Solid Edge. «La versione 18 - ha sottolineato Merlo - offre
centinaia di opzioni e strumenti innovativi che hanno facilitato la progettazione 3D. Inoltre, abbiamo
diminuito i costi e il progetto è stato sviluppato in
un tempo inferiore rispetto al passato».
Piattaforma ‘smart’
orientabile per mandrino
Una soluzione innovativa per macchine fresatrici è
la piattaforma orientabile per mandrino, per il controllo ‘attivo’ delle vibrazioni. La piattaforma si può
muovere in tutte le direzioni con spostamenti micrometrici. La micro movimentazione avviene tramite attuatori piezoelettrici a base ceramica. Il componente è stato progettato, verificato agli elementi finiti. Con Solid Edge è stata realizzata anche la
simulazione cinematica del suo funzionamento per
la verifica delle interferenze e della funzionalità. Dato il numero elevato di componenti che costituiscono la piattaforma il modulo Pdm, integrato in
Solid Edge, ha semplificato la gestione e distribuzione dei dati. Tale dispositivo è stato studiato e realizzato per compensare attivamente (quindi in
loop chiuso) le vibrazioni ‘forzate’ il disturbo di
‘chatter’ dovuto al processo di taglio stesso e trasmesse al mandrino (e quindi alla macchina), al fine di ottenere elevate qualità di lavorazione in finitura e superfinitura.
Cosa dire
Quale sarà allora la nuova frontiera per la macchina utensile? «Ce.S.I. - ha concluso Merlo - da oltre
vent’anni segue le problematiche progettative della macchina utensile. Intendiamo puntare sui nuovi materiali, renderli intelligenti e multifunzionali, con sensori e attuatori. Si tratta dell’Adaptronica una scienza in grado di rendere ancora più intelligenti le macchine per fare macchine. Sistemi
produttivi e precisi progettati con strumenti CAD
3D di ultima generazione».
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