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Panorama
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MECCANICA & AUTOMAZIONE | OTTOBRE 2016
Macchine utensili:
quando il sistema di ancoraggio
si fa magnetico
Sistemi elettropermanenti a poli solo diretti o diretti e indotti, a singolo magnete o doppio fino all’ultima frontiera
dei piani magnetici a struttura monolitica e con funzione GRIP. È il mercato a offrire questa vasta gamma di
tecnologie in grado di soddisfare ogni esigenza, ma come muoversi? E come scegliere? La parola agli esperti
di Roberto Faranda - Politecnico di Milano – Dipartimento di Energia
e Nico Marchiante - Tecnomagnete SpA
L
’acciaio ha sempre
ricoperto e continua
a ricoprire un ruolo
fondamentale nelle
costruzioni, nelle
infrastrutture, nei trasporti e nei beni
in genere su cui poggia la società
moderna.
L’acciaio è il materiale metallico
di più vasto uso grazie alle sue
proprietà fisico­meccaniche, alla
ottima resistenza, lavorabilità,
saldabilità e possibilità di variazioni
cromatiche.
Le quasi 1,3 miliardi di
tonnellate di acciaio che si
producono ogni anno nel mondo
devono essere prima manipolate e
successivamente lavorate tramite
diversi processi di produzione
industriale, quali ad esempio
la laminazione, la forgiatura, il
trattamento termico, lo stampaggio
e la lavorazione meccanica tramite
macchina utensile.
Sfruttando le caratteristiche
fisiche dell’acciaio in molti settori
industriali sono da tempo impiegati
sistemi di ancoraggio magnetico
per bloccare il pezzo di acciaio
saldamente al fine di poterlo
manipolare o trasformare. Uno
dei primi sistemi di ancoraggio
magnetico, l’elettromagnete, risale
agli ultimi anni dell’Ottocento,
pochi decenni dopo la
realizzazione del primo generatore
elettromagnetico.
Il più grande svantaggio
dell’elettromagnete è però legato
alla continua necessità di corrente
elettrica per la generazione della
forza di attrazione magnetica
in quanto interrompendo
l’alimentazione dei solenoidi il
MECCANICA & AUTOMAZIONE | OTTOBRE 2016
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Panorama
I sistemi elettropermanenti a poli solo diretti
Magneti invertibili e magneti statici: un
sistema sul mercato da oltre 30 anni
La configurazione del sistema
elettropermanente è un aspetto
spesso trascurato specialmente
perché spesso esteticamente non si
notano molte differenze tra un piano
a poli solo diretti, rappresentato in
Fig. 1 nelle due distinte condizioni
di riposo e lavoro, e quello di minore
prestazione a poli diretti e indotti.
Questo sistema di ancoraggio è
formato da due tipi di magneti
ovvero i magneti invertibili (MI) e i
magneti statici (MS). La caratteristica
principale è che tutti i poli possono
essere affiancati gli uni agli altri
tramite i MS e che il verso della
polarità del campo magnetico di un
polo risulta opposto rispetto al polo
adiacente.
Nella fase di smagnetizzazione,
(Fig. 1a), il flusso uscente dal MI
è totalmente richiamato dal MS
posto a contatto con l’espansione
polare, il flusso uscente dal MS entra
nell’espansione polare limitrofa e
viene totalmente convogliato nel MI
sottostante (magnetizzato con polarità
inversa rispetto al MI limitrofo), il
flusso poi, transitando all’interno
del MI, si richiude attraverso la base
ferromagnetica.
Nella fase di magnetizzazione, (Fig.
1b), il flusso uscente dal MI riceve
il contributo dato dal MS e uscendo
dal polo magnetico diretto viene
totalmente richiamato dal polo diretto
adiacente che è magnetizzato con
polarità opposta attraversando il
materiale ferromagnetico da ancorare,
il flusso poi percorre il magnete
invertibile adiacente fino alla base
della struttura dove,
tramite la base
ferromagnetica
ritorna al magnete
invertibile
chiudendo così il
circuito magnetico.
Come si può
facilmente intuire
nella descrizione
svolta il circuito
magnetico è
costituito sempre
da due MI che
lavorano insieme ai
MS per mantenere
il flusso all’interno
della struttura
di ancoraggio o per convogliarlo
all’esterno su percorsi ben precisi e
definiti, in corrispondenza del pezzo
da ancorare.
È utile precisare che la forza
magnetica sviluppata dal sistema
magnetico dipende prevalentemente
dalla distanza geometrica tra la
superficie magnetica e il pezzo da
ancorare, che viene definita traferro,
e della lunghezza magnetomotiva
complessiva (e quindi l’altezza) del
MI.
In effetti il sistema magnetico non
è sottoposto alla sola distanza
geometrica tra la superficie
magnetica e il pezzo da ancorare
ma è sottoposto al cosiddetto
traferro di lavoro, cioè un traferro
equivalente che è superiore alla
distanza geometrica a causa: della
non perfetta planarità delle superfici
metalliche, della finitura superficiale
Fig. 1: Piano elettropermanente a doppio magnete a poli solo diretti in
condizione a) di riposo e b) di lavoro.
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MECCANICA & AUTOMAZIONE | OTTOBRE 2016
Fig. 2: Forza sviluppata da un piano
magnetico a poli solo diretti in
funzione del traferro per lunghezza
magnetomotiva: (a) 2hm e (b) hm.
(rugosità, ruggine), per presenza
di agenti estranei (sporco, detriti di
qualsiasi genere), delle proprietà
magnetiche dei materiali in gioco
(composizione chimica, trattamenti
superficiali subiti dal pezzo da
ancorare come tempra, ricottura,
ecc…); che influenzano il valore
dell’induzione che si stabilisce nel
circuito.
Nella Fig. 2 si può osservare bene la
riduzione della prestazione magnetica
a parità di superficie polare in
funzione del traferro e della lunghezza
magnetomotiva complessiva (e quindi
l’altezza) del MI.
È quindi necessario che il costruttore
del sistema magnetico valuti il valore
di forza non solo nella migliore
condizione di ancoraggio del sistema
magnetico, ma anche nella condizione
di traferro di lavoro.
Il sistema sopra descritto, presente
sul mercato da circa 30 anni, pur
vantando notevoli ed indubbi vantaggi
rispetto ad altri sistemi di ancoraggio
magnetico, presenta comunque anche
alcune criticità:
- Presenza di resina superficiale,
soggetta ad usura nel tempo;
- Struttura del piano magnetico
costituita da diversi elementi metallici
che, sottoposti a stress termici e
meccanici, possono generare un
calo di prestazione del sistema di
ancoraggio;
- Fenomeni vibratori tra bancale
macchina e piano magnetico, dovuti
al non perfetto accoppiamento tra i 2
elementi;
- Spessore del piano magnetico
elevato e conseguente aggravio di
peso sulla macchina.
flusso e la forza cessano, mentre
nei sistemi di ancoraggio a magneti
permanenti questa problematica
viene completamente superata.
I primi sistemi di ancoraggio
magnetici costituiti da soli magneti
permanenti sono stati i piani
magnetici per rettifica (a leva) di
piccole dimensioni. Tali sistemi di
ancoraggio sono i più conosciuti
ma hanno anche una tecnologia
oramai obsoleta se confrontata con
l’elettropermanente.
Il sistema di ancoraggio
elettropermanente
I sistemi elettropermanenti
sono l’evoluzione tecnica dei
sistemi elettromagnetici e dei
piani a leva. Il principale vantaggio
che hanno è legato al fatto che
richiedono l’alimentazione elettrica
solo per modificare lo stato di
magnetizzazione del sistema, cioè
il passaggio dallo stato neutro
(DEMAG) allo stato magnetizzato
(MAG) e viceversa, superando di
fatto sia il problema associato al
continuo assorbimento di corrente
degli elettromagneti che il problema
delle ridotte dimensioni fisiche dei
piani a leva.
In tutti i sistemi
elettropermanenti il campo
magnetico è prodotto da un
particolare magnete permanente
(MP), chiamato anche magnete
invertibile (MI), avente la
caratteristica di poter variare
elettricamente e facilmente il suo
stato di magnetizzazione.
Il MI è comandato da un
solenoide che lo circonda e, a
seconda del verso della corrente che
attraversa il solenoide, modifica lo
stato di polarizzare in un verso, nel
senso opposto oppure si neutralizza.
La tenuta del pezzo è, quindi,
garantita non dalla presenza
continua della corrente, come
avveniva per l’elettromagnete, ma
dal campo magnetico generato dal
MI; grazie a ciò è chiaro che la
tenuta di un oggetto in un sistema
elettropermanente non è vincolata
dalla presenza di corrente e, quindi,
non vi è più pericolo di distacco del
carico nel caso di eventuali guasti
del circuito di alimentazione o
assenza della stessa alimentazione
elettrica.
La presenza di corrente solo
durante i brevi transitori di MAG
e DEMAG consente inoltre di
aumentare la densità nei solenoidi
riducendo notevolmente gli
ingombri degli stessi e quindi il loro
peso, vengono di conseguenza anche
ridotte le dimensioni generali del
sistema magnetico permettendo di
ottenere sistemi magnetici leggeri e
poco ingombranti.
Il vantaggio di non avere
presenza continua di corrente
all’interno del sistema di ancoraggio
si estende anche al lato economico
poiché i costi gestionali si riducono
di più di un ordine di grandezza
rispetto agli elettromagneti.
Inoltre grazie alla possibilità di
bloccare il pezzo su una superficie e
alla minima dispersione di energia
sotto forma di calore nel solenoide
(che permette di non intaccare
termicamente il pezzo da lavorare),
si riescono a ottenere lavorazioni
molto precise, eliminando gli errori
di lavorazione dovuti alle dilatazioni
del pezzo.
Questi sistemi presentano
indubbi vantaggi anche dal punto di
vista della magnetizzazione residua.
La smagnetizzazione di questo
sistema, infatti, non avvenendo
per interruzione totale della
corrente ma tramite l’inversione del
campo magnetico oppure tramite
correnti alternate progressivamente
decrescenti permette l’effettivo
annullamento di qualsiasi tipo di
magnetizzazione residua sul pezzo
da lavorare.
Il sistema di ancoraggio
elettropermanente presenta quindi i
seguenti vantaggi:
- non teme interruzioni di
corrente;
- basso consumo energetico;
- nessuna usura dei componenti
interni;
- basse temperature di
funzionamento.
In commercio esistono
diverse tipologie costruttive di
apparecchiature elettropermanenti:
MECCANICA & AUTOMAZIONE | OTTOBRE 2016
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Panorama
I sistemi elettropermanenti a poli solo diretti monolitici e GRIP
Tecnologia firmata Tecnomagnete
L’ultima frontiera tecnologica che
supera i problemi prima evidenziati
è rappresentata dai piani magnetici
a poli solo diretti a struttura
monolitica e con funzione GRIP.
Questa nuova tipologia di piani
magnetici è basata su un concetto
costruttivo che viene definito
struttura monolitica. Ciò permette
di eliminare la resina superficiale e
integrare nel telaio i poli magnetici che
non vengono più riportati ed avvitati allo
stesso, come evidenziato nella Fig. 3.
La superficie a contatto con il pezzo da
ancorare risulta pertanto assolutamente
uniforme ed omogenea, essendo
costituita esclusivamente di acciaio.
L’assenza di materiali di isolamento tra i
poli quali resina o metalli come l’ottone
offre maggiore rigidità e la geometria
polare ad isole magnetiche circolari
permette una ottimale distribuzione
dell’area magnetica, lasciando zone
libere sulle quali poter effettuare
lavorazioni successive per inserire
bussole di precisione per battute, per
riferimenti dedicati o per ottenere
superfici ibride di ancoraggio.
Questa tipologia di piano magnetico,
brevettata da Tecnomagnete, presenta
una struttura monolitica a nido d’ape
ricavata dal pieno senza alcuna
parte meccanica assemblata. I poli
sono realizzati con un’operazione di
carotatura e risultano integrati con la
struttura del piano (telaio) e sono in
grado di assorbire anche gravosi sforzi
operativi mantenendo assoluta stabilità
e assenza di ogni flessione.
La superficie metallica è uniforme e
rappresenta uno scudo meccanico
impenetrabile a protezione del circuito
elettrico e dei magneti permanenti posti
nella parte interna.
L’assenza poi di parti assemblate e/o
in movimento e la superficie metallica
non rendono necessari particolari
programmi di manutenzione.
La funzione GRIP è ottenibile
modificando i sistemi costruiti con
struttura monolitica. Si tratta di una
peculiare funzione che permette di
controllare in modo indipendente sia il
●
Fig. 4: Piano magnetico con funzione GRIP.
flusso magnetico verso il pezzo
(come in un piano convenzionale), sia
il flusso magnetico verso il bancale
della macchina. Dal piano magnetico
viene eliminata parte della piastra di
richiusura magnetica al fine di ridurre
l’altezza geometrica dello stesso e
permettere al piano, attraverso una
specifica apparecchiatura di controllo,
di attivare una forza magnetica di
accoppiamento tra i moduli magnetici
e la macchina stessa, come riportato
nella Fig. 4.
La funzione GRIP garantisce una
perfetta uniformità di ancoraggio tra
la tavola della macchina, l’attrezzatura
magnetica e il pezzo ancorato,
rendendoli un corpo unico. La funzione
GRIP, esclusiva delle apparecchiature
prodotte da Tecnomagnete, è
indipendente dalla forza magnetica
di bloccaggio del pezzo, che rimane
invariata.
La forza di ancoraggio verso la tavola
della macchina è pari a circa il 30%
della forza nominale del sistema verso
il pezzo, che può raggiungere le 75
Ton/m2.
L’importanza di questa forza è associata
alla possibilità di eliminare eventuali
flessioni o deformazioni causate
dagli elementi meccanici di staffaggio
assicurando una perfetta stabilità ed
uniformità strutturale all’insieme pezzo
- piano magnetico – macchina utensile.
La completa eliminazione delle
vibrazioni di lavorazione consente di
esaltare al massimo le caratteristiche
di uniformità di ancoraggio dei sistemi
magnetici, per ottenere migliori finiture,
maggiori precisioni, ottimali velocità
di lavorazione e ridotto consumo degli
utensili. Lo spessore ridotto ed il peso
contenuto ottimizzano le prestazioni
delle macchine, incrementano la luce
utile e la capacità di carico, con cicli di
lavoro più rapidi e minori sollecitazioni.
Fig. 3: Concetto costruttivo del
piano magnetico a struttura
monolitica.
● sistema
elettropermanente a
singolo magnete:
- a poli diretti e indotti;
- a poli solo diretti;
● sistema elettropermanente a
doppio magnete:
- a poli diretti e indotti;
- a poli solo diretti.
Principali differenze tra i
sistemi elettropermanenti
Confrontando le diverse
tipologie di strutture è evidente
la superiorità nella prestazione
di forza magnetica dei sistemi a
doppio magnete rispetto a quelli
a singolo magnete. La presenza
del magnete statico permette,
infatti, di incrementare la superficie
magneticamente utile ad attrarre il
pezzo da ancorare (non è possibile
superare il valore di induzione di
saturazione del ferro di 2T) e quindi
è possibile ottenere, a pari superficie
di piano, forze di attrazione
maggiori rispetto alla versione a
singolo magnete (almeno doppie).
In termini di spazio occupato, il
MS non ingombra eccessivamente.
Esso, infatti, va a occupare quella
parte di spazio compreso o tra la
spalla del piano (polo indotto)
e il polo (polo diretto) o tra due
poli diretti, spazio necessario a
garantire la giusta distanza al fine
di consentire il passaggio del flusso
all’interno del pezzo da ancorare
e per alloggiare il solenoide di
attivazione e disattivazione.
Ulteriore vantaggio va ricercato
nella tipologia del comando
per compiere le operazioni di
attivazione e di disattivazione
che avviene tramite una semplice
inversione del MI attraverso il
controllo del verso degli impulsi
Panorama
unidirezionali di corrente all’interno
dei solenoidi (operazione ottenibile
anche grazie a un semplice relè).
Questo ciclo permette nei materiali
con una bassa forza coercitiva di
annullare completamente il flusso
residuo del pezzo in quanto è più
che sufficiente il semplice ciclo
di inversione della polarità a una
forza magnetomotrice leggermente
superiore di polarità opposta a
quella di attivazione.
Quando si devono ancorare
pezzi aventi cicli d’isteresi molto
ampi (materiali duri), quindi con
una forza coercitiva molto elevata
che presentano valori considerevoli
di induzione residua è vantaggioso
utilizzare piani a singolo
magnete che grazie al processo
di smagnetizzazione del magnete
invertibile riescescono ad annullare
anche il magnetismo residuo del
pezzo in lavorazione.
Concentrandosi ora sulle
due tipologie a doppio magnete
è semplice intuire che l’ultima
configurazione descritta, quella
avente poli solo diretti, presenta
prestazioni magnetiche superiori
rispetto alla tipologia a poli diretti
e indotti (la forza magnetica
dipende da due fattori: dal quadrato
dell’induzione che investe il pezzo
da ancorare e dalla superficie
magneticamente attiva).
Applicazioni
Il MillTec per l’ancoraggio pezzi su macchine utensili
Gli innovativi sistemi magnetici per
la fresatura MillTec sono la soluzione
ottimale per l’ancoraggio di pezzi
su macchine ad asse verticale od
orizzontale, su fresatrici a mensola,
a portale, a banco fisso, per centri di
lavoro, per pallet, squadre e cubi su
sistemi FMS (Flexible Manufacturing
System), come evidenziato in Fig. 5.
I piani magnetici MillTec consentono
grandi vantaggi operativi in termini
di aumento della produttività e della
qualità. In pochi secondi il pezzo da
lavorare viene posizionato e bloccato
saldamente (fino a 16 kg/cm2). Il
sistema è elettropermanente, quindi
intrinsecamente sicuro e eventuali
interruzioni di energia elettrica non
influenzano in alcun caso la forza di
ancoraggio. La lavorazione avviene
in un unico setup perché il pezzo è
sempre libero su 5 facce.
Il percorso degli utensili in tutte le
operazioni di spianatura, contornatura,
scasso e foratura può essere sempre
ottimizzato. Con staffe e morse invece
i pezzi non sono mai liberi; pertanto
è sempre necessario procedere
a posizionamenti multipli per
completare il ciclo di lavorazione.
La funzione GRIP, inoltre,
garantisce un’elevata uniformità di
ancoraggio, elimina le vibrazioni,
aumenta le asportazioni, migliora
la finitura con più strette tolleranze
di lavorazione e riduce il consumo
degli utensili.
In pochi secondi il pezzo da
lavorare viene posizionato e
bloccato saldamente (fino a 16
kg/cm2) e grazie alla possibilità di
valutare con precisione lo stato di
ancoraggio del pezzo è possibile
predisporre automaticamente
l’asportazione del truciolo in totale
sicurezza.
Generalmente i piani magnetici
vengono utilizzati con una
combinazione di prolunghe polari
fisse e mobili, così facendo si crea
un letto magnetico flessibile in grado
di plasmarsi al pezzo da ancorare
e di bloccarlo saldamente senza
deformarlo in alcun modo.
Quanto appena descritto viene esaltato
nelle applicazioni su macchine a 5 assi
come riportato in Fig. 6.
Lavorare su 5 assi permette di usare
Fig. 5: Ancoraggio di pezzi su macchine ad asse verticale (a) ed orizzontale con funzione GRIP (b).
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MECCANICA & AUTOMAZIONE | OTTOBRE 2016
Fig. 6: Ancoraggio di pezzi su macchine a 5 assi.
utensili più corti per incrementare gli
avanzamenti e le velocità di taglio.
Il questi casi il piano magnetico
circolare rappresenta una soluzione
innovativa per l’ancoraggio di pezzi su
macchine a 5 assi.
Con una macchina dotata di questa
tecnologia è più facile effettuare
operazioni complesse quali la
profilatura completa, le lavorazioni
sottosquadra, le forature passanti , la
creazione di tasche.
Le migliori performance della
macchina si raggiungono
quando tutte le 5 facce
del pezzo risultano
accessibili e quindi in
genere il pezzo può
sbordare dal piano
magnetico. In queste
applicazioni è importante
uno spessore di piano
ridotto (esistono modelli
da 42mm a 51mm) ed un
peso contenuto al fine di
agevolare le prestazioni
della macchina, limitando
in modo trascurabile la
luce e la portata utili.
Panorama
Nella tipologia a poli diretti e
indotti il flusso si richiude sulle
spalle della struttura e si disperde
tramite altre vie, come il bancale
della macchina o altri organi
meccanici di precisione (bareno). A
causa di ciò il valore di induzione
massimo che si riesce a ottenere nei
poli indotti è ben lontano dal limite
di saturazione del ferro (in questo
caso valori di induzione di 1,6T,
contro il massimo di 2T, sono da
considerarsi come limite superiore).
Quindi anche se la superficie
magneticamente attiva può anche
essere superiore, a pari dimensione
del piano, si ottiene un ridotto
valore di forza magnetica sviluppata
dalla superficie indotta di circa il
35%.
Un ulteriore problema è
associato al concetto dell’unicità
del percorso magnetico. Nel
caso a poli diretti e indotti la
dispersione del flusso sulle spalle
della struttura e non solo, non
permette la conoscenza esatta della
parte di flusso utile all’ancoraggio
(quota parte che si richiude
nelle spalle ferromagnetiche o
poli indotti) ovvero la parte di
flusso che realmente attraversa
il pezzo ancorandolo al piano,
infatti l’assenza di un percorso
preferenziale consente al flusso
di disperdersi non solo attorno
sulle spalle ferromagnetiche ma su
qualsiasi struttura ferro magnetica
in prossimità del pezzo da ancorare.
La modalità a poli solo diretti,
oltre a miglioramenti dal punto di
vista magnetico, presenta anche
numerosi vantaggi dal punto di
vista costruttivo.
La quantità di ferro è inferiore,
in un piano a poli solo diretti vi è
l’assenza delle spalle interne.
A parità di prestazione lo
spessore totale di un piano a poli
solo diretti è quasi dimezzato in
quanto l’altezza del MI è la metà
rispetto a quello di un piano a poli
diretti e indotti, inoltre lo spessore
della piastra ferromagnetica
inferiore del piano può essere
spinto a un valore di induzione
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superiore rispetto alla soluzione del
piano a poli diretti e indotti.
La riduzione dell’altezza del MI
comporta una diminuzione della
dispersione dello stesso riducendo
eventuali possibili vie di richiusura
del flusso e quindi incrementando
la prestazione magnetica.
I piani magnetici nella
configurazione a poli solo diretti
brevettati e commercializzati
da circa 30 anni hanno quindi i
seguenti vantaggi:
- forza concentrata;
- nessun flusso disperso;
- elevata forza di ancoraggio;
- bassa profondità di campo.
Conclusioni
I piani elettropermanenti
possono essere realizzati a singolo
magnete (sono molto sicuri anche
se garantiscono forze di attrazione
non troppo elevate, grazie alla loro
particolare capacità di modulazione
della forza di attrazione sono
utilizzati nelle lavorazioni di
precisione) oppure a doppio magnete
(hanno le stesse prestazioni in
termini di sicurezza rispetto a quelli
a singolo magnete; il vantaggio
principale sta nella presenza del
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magnete statico che contribuisce
in fase di magnetizzazione ad
aumentare la forza del campo
magnetico e quindi ad aumentare la
forza di attrazione).
È bene precisare che tutti i sistemi
magnetici possono essere realizzati
in due differenti tipologie:
- a poli diretti e indotti;
- a poli solo diretti.
Non vi sono dubbi che la migliore
tra le configurazioni sia quella a
doppio magnete a poli solo diretti
in quanto oltre alla maggiore
compattezza, l’unicità del percorso
magnetico, consente una notevole
riduzione del flusso magnetico
disperso e quindi un maggiore
rendimento magnetico rispetto
agli analoghi sistemi a poli diretti
e indotti garantendo una maggiore
concentrazione dei flussi magnetici
e quindi delle forze sviluppate nelle
zone di ancoraggio desiderate.
Tra tutte le tipologie possibili
è stato evidenziato che la
struttura monolitica, la superficie
interamente metallica e la funzione
di GRIP permettono di migliorare
enormemente la rigidità, la durabilità
e la produttività grazie ai vantaggi
descritti. 