Vibrazioni Positive per l`Elettroerosione a Tuffo

TECHNICAL ARTICLE
Gli Attuatori Piezo Accelerano la Microstrutturazione:
Vibrazioni Positive per l’Elettroerosione a Tuffo
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Ing. Gianluca Poli
Attuatori basati sull’effetto piezoelettrico muovono carichi pesanti con
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risoluzioni nella gamma sub-nanometrica e tempi di risposta inferiori a un
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millisecondo, consentendo un funzionamento dinamico ad alte frequenze di
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scansione. Inoltre, siccome questi attuatori non hanno parti in movimento,
Physik Instrumente (PI)
almeno in senso convenzionale, oltre a essere molto affidabili sono anche
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esenti da manutenzione. Diverse applicazioni possono beneficiare di queste
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caratteristiche fra le quali ad esempio la tecnologia medica e quella fotonica,
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la metrologia, la tecnologia dei semiconduttori fino all’automazione e alla
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tecnologia
di
produzione.
In
tutte
queste
applicazioni
gli
attuatori
piezoceramici contribuiscono ai progressi della tecnologia. Per esempio,
quando l’elettroerosione a tuffo è utilizzata per produrre componenti di
precisione, gli attuatori piezoelettrici contribuiscono a ridurre di gran lunga i
tempi di produzione.
La crescente complessità dei prodotti e dei procedimenti richiede processi
produttivi per aumentare costantemente la velocità, la precisione, la diversità
geometrica
e
una
ripetibilità
elevata.
Allo
stesso
tempo
la
tendenza
nell’automazione è verso la miniaturizzazione. Quindi non c’è da stupirsi che anche
nel campo dell’elettroerosione a tuffo, componenti di precisione microstrutturati
sono ora realizzati spesso in grandi quantitativi. Alcuni esempi includono la
produzione di elementi filtranti o ugelli di iniezione per l’industria automobilistica.
Questo a sua volta aziona la necessità di economizzare i processi produttivi legati
alla microstrutturazione: costo ed efficienza delle risorse giocano in questo senso
un ruolo fondamentale.
Operazioni di Elettroerosione a Tuffo Velocizzate per mezzo di Mandrini
Vibranti
Questo argomento è stato sviluppato dall’Istituto di Microtecnologia a Mainz (ICTIMM, vedi riquadro 1), che nel 2014 è diventato parte della Fraunhofer
Gesellschaft. Il Sonodrive 300 (Figura 1) è un mandrino vibrante prodotto in serie,
che nelle operazioni di microforatura ad alta precisione può ridurre i tempi di
lavorazione del 60% rispetto all’apparecchiatura standard, impiegando un
procedimento
brevettato
(Figura
2).
Il
mandrino
ruota
e
vibra
contemporaneamente, impedendo che le particelle prodotte in EDM si depositino
nel foro, evitando così di lavorarli nuovamente. Nei metodi tradizionali questo non è
possibile in quanto le piccole distanze tra gli elettrodi non consentono alcun
lavaggio micrometrico. A seconda del materiale da lavorare e la manodopera, il
percorso di vibrazione può essere impostato e regolato in qualsiasi momento del
processo.
Rispetto ai metodi tradizionali, questo offre vantaggi sostanziali di velocità,
accelerando l’intero processo di produzione (Figura 3). Un foro cieco di diametro
0.2 mm in un materiale VA spesso 0.1 mm ha comportato una riduzione del tempo
di lavorazione su una macchina EA12 per elettroerosione a tuffo della Mitsubishi
Electric da 200 secondi a poco meno di 80 secondi. Inoltre, con una macchina per
elettroerosione Compact Agie, un foro passante, di 0.2 mm di diametro in un
materiale VA avente uno spessore di 0.4 mm, è stata ottenuta una velocità
maggiore del 60% rispetto alle tecnologie tradizionali proprio grazie a questa
innovazione (Figura 4). Il nuovo principio del mandrino vibrante combina un’elevata
tolleranza di concentricità da 1 a 2 µm assoluti ad una rivoluzione, fino a 3500 min1 con una vibrazione ad alta frequenza di massima. 300 Hz e una corsa fino a 15
µm. Il mandrino si adatta a ogni tipo di macchina disponibile in commercio come
soluzione “Plug & Play”.
Il corrispondente dispositivo miniaturizzato per lo
svolgimento del filo, sviluppato anch’esso da ICT-IMM, può essere facilmente
integrato. Questo permette di ridurre a 1 µm assoluto la tolleranza di concentricità.
Gli Attuatori Piezo Assicurano le Vibrazioni
Questo salto tecnologico per la microstrutturazione è stato raggiunto combinando
la giusta quantità di Know-How con componenti di elevata qualità tecnica. Physik
Instrumente (PI), con sede centrale a Karlsruhe in Germania, offre una vasta
gamma di prodotti, tra cui gli attuatori piezo che assicurano le vibrazioni. (PI, vedi
casella di testo, 2). Ci sono diverse buone ragioni per cui è stata scelta PI. La
creazione di vibrazioni è una classica applicazione piezo; infatti quando viene
applicata una tensione AC l’elemento piezoelettrico inizia a oscillare, creando di
conseguenza le vibrazioni. Questo significa che gli attuatori piezoelettrici
convertono la tensione direttamente in spostamento meccanico. Raggiungono
corse fino a qualche centinaia di micrometri e dispongono di un’alta dinamica con
frequenza di lavoro fino a diverse centinaia di Hertz. Naturalmente, i tempi di
risposta molto contenuti dei piezo apportano benefici anche all’utilizzo come unità
di vibrazione. Con la sua altezza di 25 mm, un diametro di 50 mm e la sua apertura
interna di 25 mm, l’attuatore potrebbe anche essere integrato nel mandrino
vibrante (Figura 6). Poiché i piezo sono adatti anche per elevati carichi, il moto
permanente del mandrino, avendo un peso che varia da circa 250 a 450 g a
seconda dell’elettrodo, non è mai stato un problema per i piccoli azionamenti. Se
necessario, il piezo arriva a sollevare più di un kg. Al contrario i componenti
elettromeccanici per la generazione di vibrazioni, avendo una struttura e delle
dimensioni maggiori, non furono considerati una valida opzione per questa
applicazione, dal momento che non sarebbe stato possibile integrarli in un’unità
per l’uso pratico. Ci sono ancora diversi argomenti che incentivano l’utilizzo dei
piezoelettrici; poiché il moto si basa sugli effetti allo stato solido cristallino, con
questa tecnologia non vi è pericolo di abrasione, ne sono presenti ruote dentate,
cuscinetti o altre parti meccaniche soggette ad usura.
Questo rende l’attuatore piezoelettrico esente da eventuali operazioni di
manutenzione, caratteristica importante e molto vantaggiosa dal momento che
esso prende parte all’intera durata della lavorazione. Gli attuatori hanno già
dimostrato la loro affidabilità, per esempio nei prototipi di mandrini che ICT-IMM sta
testando da circa quattro anni, i quali hanno oramai completato circa 100 milioni di
cicli operativi.
L’attuatore piezoelettrico è azionato da un efficiente amplificatore di tensione ad
alta potenza a impulsi modulabili in frequenza, prodotto anch’esso da PI (Figura 7).
Questo amplificatore è stato appositamente progettato per le esigenze di attuatori
piezoelettrici a bassa tensione. Dispone di una potenza di picco di 280W e una
potenza media di circa 100 W, inoltre questo dispositivo può fornire e riassorbire
corrente fino a un massimo di 2000 mA. Ciò permette un funzionamento dinamico
anche di attuatori ad alta capacità, potendo raggiungere una banda superiore al
kHz, più di quanto richiesto per i micro EDM.
Anche un Porta Elettrodo Vibrante Risparmia del Tempo
Gli attuatori piezoelettrici sono stati testati e collaudati in un utensile porta elettrodo
vibrante, adatto anche come soluzione “Plug & Play” per tutte le machine per
l’elettroerosione a tuffo disponibili in commercio, così per i sistemi di bloccaggio.
Anch’esso è dotato di una struttura molto compatta pari a 80 x 80 x 150 mm
(Figura 8). Anche in questo caso le vibrazioni a 300 Hz e una corsa regolabile fino
a 15 µm accelerano il processo di produzione: un esperimento a lungo termine
effettuato con un elettrodo di metallo duro (0,2 x 5 mm) e una profondità di
affondamento di 7 mm ha portato a una riduzione notevole del tempo di
produzione, pari al 70%. Da 17 ore e 20 minuti si è passati infatti a 5 ore e 15
minuti. Questo può beneficiare molte aree di applicazione. Esempi comuni sono
microlavorazioni, lavorazione degli utensili e stampi, produzione di componenti per
il settore medicale, metrologia e la tecnologia delle machine. Gli attuatori
piezoelettrici usati come generatori di vibrazioni hanno così dato un contributo
sostanziale al progresso della tecnologia dell’elettroerosione a tuffo verso gli
intervalli micrometrici più bassi.
Figure
Figura 1
Il Sonodrive 300 è un mandrino vibrante commerciale che, rispetto a
un’apparecchiatura standard, nelle operazioni di microforatura ad alta
precisione, può ridurre i tempi di lavorazione del 60%, per mezzo di un
procedimento brevettato (Figura 2). Come soluzione “Plug & Play”, il
Sonodrive si adatta a tutte le macchine per l’elettroerosione a tuffo disponibili
in commercio (Immagine ICT-IMM).
Figura 2a
Foro con un diametro di 64 µm generato da una macchina per l’elettroerosione a tuffo,
dotata di un mandrino di foratura vibrante. La deviazione della concentricità e cilindricità del
foro è in ogni caso di solo 1 µm (Immagine ICT-IMM).
Figura 2b
Foro con un diametro di soli 20 µm generato da una macchina per l’elettroerosione a tuffo,
per mezzo di un mandrino di foratura vibrante. (Immagine ICT-IMM).
Figura 3
Per realizzare un foro cieco del diametro di 0,2 mm su un materiale VA dello spessore di 1
mm, il tempo di lavorazione su di una macchina per elettroerosione a tuffo EA12 della
Mitsubishi Electric è stato ridotto da 200 a poco meno di 80 secondi. (Immagine ICT-IMM).
Figura 4
Su un Compact Agie per l’elettroerosione a tuffo, un foro di 0.2 mm di diametro realizzato in
un materiale VA dello spessore di 0.4 mm è stata ottenuta una velocità maggiore del 60%,
grazie al mandrino vibrante
Figura 5
Attuatore Piezo Compatto: la generazione di vibrazioni è una classica applicazione
(Immagine PI).
Figura 6
L’attuatore piezo potrebbe essere integrato in un mandrino vibrante in una configurazione a
risparmio di ingombro (Immagine ICT-IMM).
Figura 7
Con un potenza di picco fino a 280 W e una potenza media di circa 100 W, l’amplificatore
progettato specificamente per attuatori piezoelettrici a bassa tensione può fornire e
riassorbire corrente fino a un massimo di 2000 mA (Immagine PI).
Figura 8
Grazie all’attuatore piezoelettrico anche le vibrazioni sono sopportate: il porta elettrodo
vibrante Microvibe 300 per micro EDM (immagine: ICT-IMM)
PI (Physik Intsrumente) in breve
PI (Physik Instrumente), situata a Karlsruhe in Germania, è diventata negli ultimi
quarant’anni leader nel settore di Sistemi di Nanoposizionamento e delle
Tecnologie Piezoelettriche. Con quattro siti produttivi in Germania e dieci uffici
all’estero dedicati alla vendita, la Società gestita privatamente, opera a livello
globale. Più di 700 dipendenti altamente qualificati in tutto il mondo permettono al
Gruppo PI di soddisfare la maggior parte delle esigenze nel campo della tecnologia
innovativa di posizionamenti di precisione. Tutte le tecnologie chiave sono
sviluppate in casa. Questo permette all’Azienda di controllare ogni fase del
processo, dalla progettazione fino alla spedizione: meccanica di precisione ed
elettronica nonché sensori di posizione.
PI Ceramic, Azienda consociata di PI con sede a Lederhose in Germania, produce
su richiesta elementi piezoceramici. PI miCos, situata a Eschbach vicino a Friburgo
in Germania, è specializzata invece nella produzione di sistemi di posizionamento
per applicazioni da vuoto, così come sistemi di posizionamento con struttura
cinematica parallela a sei gradi di libertà e un design progettato su misura.
The Fraunhofer ICT-IMM in Mainz in breve
Fraunhofer ICT-IMM sta costruendo un ponte tra la ricerca di base e l’applicazione,
dal momento che gli sviluppi passano attraverso l’Istituto dalIa fase di concept alla
ricerca di base e orientata alle applicazioni e sulla loro implementazione nelle
soluzioni specifiche per il cliente per mezzo di prodotti di rilevanza. Così facendo si
combinano diverse aree tematiche che cercano di elaborare delle risposte ai
diversi problemi economicamente e socialmente rilevanti.
Fraunhofer ICT-IMM svolge attività di ricerca e sviluppo nelle competenze di base
per la tecnologia energetica mobile e decentrata , nei processi in continuo per
Ingegneria Chimica, nei sensori medici e sensori tecnici, nei sistemi di analisi
microfludiche e tecnologie delle nanoparticelle. La conoscenza e l’evoluzione
acquisita da questi campi vengono applicate principalmente nelle divisioni
business per l’Energia e Ambiente, Ingegneria Chimica e dei Processi, Industria
Aerospaziale, Sicurezza e applicazioni analitiche industriali. Questi settori di
produzione sono integrati dal punto di vista tecnologico con il Know-How nei
processi di lavorazioni meccaniche di precisione, elettroerosione, lavorazioni su
materiali con laser e su una serie di prodotti chimici e metodi di strutturazione fisica
per l’utilizzo in camere sterili.
Authors
Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Direttore di "Marketing and Products" di Physik
Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing. Frank Neumann, Capo Dipartimento
dei processi Produttivi presso Fraunhofer ICT-IMM in Mainz ed Ellen-Christine
Reiff, M.A., Editorial Office Stutensee
Per ulteriori informazioni contattare l’Ingegnere Gianluca Poli: [email protected]