Per essere competitive le aziende che tagliano lamiera piana e sagomata puntano su macchinari veloci, precisi, robusti e flessibili anche su piccoli lotti, con una particolare attenzione per le lavorazioni non convenzionali (taglio laser, waterjet e al plasma) per ottenere geometrie complesse, tolleranze basse e finiture elaborate, anche per materiali fragili e settori hi-tech.
Il taglio materiali diventa sempre più digitale; alla base dei processi di automazione ci sono componenti di qualità e un’accurata analisi preliminare dei processi per ottenere soluzioni personalizzate efficienti. Le aziende sanno che investire in macchine da taglio robuste è vincente nel lungo periodo, considerati i minori costi di manutenzione e la maggior produttività rispetto alle soluzioni low-cost; inoltre l’automazione permette di ottenere la velocità di risposta che i clienti richiedono. La robotizzazione delle tecnologie di taglio non garantisce però solo la velocità di produzione: anche la precisione risulta maggiore, purché la meccanica sia progettata correttamente, scegliendo i componenti giusti. Come i giunti R+W delle serie BK, MK e SCL, ad altissima rigidità torsionale e privi di gioco angolare, caratteristiche che li rendono estremamente precisi.
Oltre alla qualità dei componenti l’azienda offre anche un’accurata consulenza pre-vendita sia per quanto riguarda il dimensionamento, sia per il calcolo e la scelta della configurazione più adeguata alle esigenze di ogni singola azienda. In questo modo il cliente avrà anche la garanzia che il modello di giunto scelto abbia una durata infinita senza necessità di manutenzione. Oltre a preferire macchinari robusti, veloci e precisi, le aziende si orientano anche verso processi di lavorazione per asportazione di materiale innovativi, destinati alla risoluzione di problematiche non trattabili con i metodi di lavorazione tradizionali per asportazione di truciolo. Questi processi vengono definiti lavorazioni non convenzionali. I vantaggi del ricorso alle lavorazioni convenzionali sono i seguenti:
- la realizzazione di geometrie complesse;
- l’ottenimento di componenti con elevati livelli di finitura superficiale e tolleranze ridottissime;
- la realizzazione di componenti delicati che non possono sopportare elevate forze di taglio;
- la realizzazione di componenti prive di bave di tranciatura o di tensioni residue indotte;
- la lavorazione semplificata di materiali fragili con alti livelli di durezza;
- la produzione di massa di microelettronica e di circuiti integrati.
Le lavorazioni non convenzionali di seguito considerate sono quelle di taglio al plasma, di taglio laser e di taglio waterjet; si evidenzieranno gli aspetti relativi alle movimentazioni ed alle realizzazioni delle apposite catene cinematiche.
Le caratteristiche dei processi di taglio al plasma, di taglio laser e di taglio waterjet
Il processo di taglio al plasma. Una rappresentazione schematica del processo viene mostrata in Figura 1. Il processo di taglio al plasma impiega un flusso surriscaldato di gas ionizzato elettricamente per fondere e rimuovere il materiale. Il plasma assume temperature comprese tra 11000 e 28000 °C e viene creato all’interno di un ugello raffreddato ad acqua, tramite ionizzazione elettrica di un gas idoneo come l’azoto, l’idrogeno, l’argo o una miscela degli stessi. Tale processo può essere impiegato su quasi tutti i metalli conduttori. Una prima variante del processo è data dall’impiego di torce a doppio flusso, che impiegano uno scudo formato da un gas secondario o acqua per supportare la fase di soffiatura del metallo fuso dal solco, al fine di realizzare un taglio più netto e preciso. Questo processo può anche essere realizzato in immersione, utilizzando un ampio serbatoio riempito d’acqua che sostiene le lamiere sottoposte a taglio. L’immersione in acqua migliora il confinamento dell’arco al plasma e riduce il fumo. Il principale vantaggio fornito dal processo di taglio al plasma è dato dalla velocità di esecuzione della lavorazione. Una lamiera in acciaio dolce dello spessore di 6mm può essere tagliata fino ad una velocità di 3m/min. È evidente come la velocità di taglio diminuisce al crescere dello spessore. Al fine di conseguire una maggiore durata degli ugelli e velocità di taglio più elevate, è necessario ricorrere all’uso di torce del tipo ad iniezione di acqua. Uno degli accorgimenti fondamentali, sia per l’esecuzione del processo che per la progettazione della relativa movimentazione, è il controllo dell’elevazione dell’ugello dal componente in lavorazione. I principali svantaggi derivanti dall’impiego del processo di taglio al plasma sono dati dai bassi livelli di qualità delle tolleranze raggiungibili, dall’insorgenza di fenomeni come i tagli rastremati ed il doppio arco, che determinano l’usura precoce dell’ugello. Per fare fronte a tali problemi è stata elaborata una variante del processo, chiamata taglio al plasma ad alta definizione.
In Figura 2 viene mostrata una rappresentazione schematica di questa soluzione. In questo processo viene impiegato un ugello speciale, nel quale viene originato un vortice ad alto flusso o un campo magnetico, per far sì che il plasma venga mantenuto in rotazione ad alta velocità, al fine di stabilizzarne la pressione. Il plasma rotante fornisce un fascio più definito, che taglia un solco netto con un angolo perpendicolare. Un ulteriore vantaggio fornito è dato dalla riduzione delle zone surriscaldate e delle scorie sulla parte inferiore dei componenti.
È evidente come il ricorso a questo tipo di ugello prevede la realizzazione di movimentazioni con livelli di precisione più elevati. In Figura 3 è mostrata una macchina per il taglio al plasma.
l processo di taglio laser. Anche il taglio laser appartiene al gruppo delle lavorazioni non convenzionali di tipo termico. Una rappresentazione schematica del processo viene
mostrata in Figura 4. Il processo di taglio laser inizia realizzando un foro passante attraverso il materiale e spostando successivamente il fascio lungo un percorso programmato. I calore intenso generato dal laser viene utilizzato per fondere, bruciare o vaporizzare il materiale sottoposto al taglio. Un flusso di gas di assistenza soffia via il materiale fuso attraverso il taglio, raffredda il pezzo in lavorazione, minimizza le aree surriscaldate e può partecipare all’eventuale reazione di combustione con il materiale tagliato. Un primo fattore determinante la velocità di taglio, in questo processo, è dato dalla tipologia del gas di assistenza impiegato. L’ossigeno viene impiegato nel taglio dell’acciaio dolce. L’azoto viene impiegato con l’acciaio inossidabile e con l’alluminio, mentre l’argon è un gas inerte richiesto nel taglio del titanio, metallo altamente reattivo. Un gas inerte o l’aria compressa viene generalmente impiegata per tagliare una grande varietà di materiali non metallici. Quest’ultima tipologia viene definita processo di taglio laser endotermico, poiché il gas di assistenza in realtà assorbe energia mentre viene riscaldato. In quest’ultimo caso, la velocità di taglio viene determinata dal tasso di materiale fuso e/o vaporizzato dal laser. Il taglio esotermico determina dei bordi ossidati, mentre il taglio endotermico fornisce superfici prive di ossido. Le tipologie di laser impiegati nel taglio sono analoghe a quelle impiegate nella saldatura e risultano determinanti anche per le scelte progettuali relative alle movimentazioni. Il laser tradizionale a CO2 viene impiegato nei macchinari per il taglio polivalente, essendo in grado di tagliare l’acciaio per un intervallo di spessori che va da 0.5 a 32mm. I laser allo stato solido, più efficien
ti ma funzionanti a potenze inferiori, sono diventati gli strumenti preferiti per il taglio di fogli sottili di materiali ad alta riflettanza come il titanio, l’alluminio, il rame e l’ottone. I laser a fibra a bassa potenza possono tagliare fogli sottili da due a tre volte più velocemente di un laser a CO2 ad alta potenza e sono quasi tre volte più efficienti dello stesso. Le velocità di taglio ottenibili con questo tipo di laser sono generalmente comprese nell’intervallo dai 25 ai 38 m/min. Il laser a CO2 costituisce ancora la scelta preferibile per il taglio di materiale in spessori superiori, generalmente maggiori di 9.5mm. Il laser rappresenta, inoltre, l’attrezzaggio preferito per molte soluzioni di macchine CNC e di robot industriali. In Figura 5 è mostrata una macchina per il taglio laser a fibra.
Il processo di taglio waterjet. Il taglio waterjet appartiene al gruppo delle lavorazioni non convenzionali di tipo meccanico. Nel processo di taglio waterjet viene impiegato un getto di fluido ad alta velocità che incide sul componente in lavorazione, al fine di realizzare l’operazione di taglio. I parametri chiave di tale processo comprendono la pressione dell’acqua, il diametro dell’orifizio, la velocità del flusso d’acqua e la distanza di servizio (intesa come distanza tra il pezzo in lavorazione e l’ugello). I materiali dell’ugello comprendono lo zaffiro sintetico, che presenta alti livelli di resistenza all’usura. La vita dell’utensile tipica è dell’ordine di diverse centinaia di ore. Tra i meccanismi tipici di rottura dell’utensile si ricordano: la scheggiatura, causata da sostanze contaminanti e l’ostruzione, causata da depositi minerali. Questi fenomeni enfatizzano la necessitò di disporre di alti livelli di filtrazione prima del passaggio agli stadi di innalzamento della pressione. Nel passato, venivano usati come additivi nell’acqua polimeri a catena lunga, al fine di rendere il getto più coerente. Tale esigenza può comunque essere soddisfatta con un’appropriata progettazione dell’ugello, che può dare origine ad un getto d’acqua sottile e coerente senza il ricorso ad additivi. I vantaggi forniti dal processo di taglio waterjet comprendono la possibilità di tagliare i materiali senza che gli stessi siano soggetti a bruciature o schiacciamento durante il processo di taglio. Il meccanismo di rimozione del materiale consiste, semplicemente, nell’incidenza della pressione dell’acqua che supera la resistenza a compressione del materiale stesso. Il processo così concepito è comunque limitato al taglio di materiali soffici come i pellami, le materie plastiche ed altri non metalli soffici, il che costituisce lo svantaggio principale del processo stesso. Al fine di estendere tale processo al taglio dei metalli, è richiesto l’aggiunta di sostanza abrasive. Il processo viene così chiamato taglio waterjet abrasivo. Questo processo consente di eseguire il taglio di un’ampia varietà di materiali, compresi i metalli, le materie plastiche, la gomma, il vetro, i ceramici ed i compositi. Le velocità di taglio variano da 0.5 m/min (per materiali come le piastrelle) a 1.3 m/min per gli epossidii e 13m/min per i prodotti cartacei. Le sostanze abrasive vengono aggiunti al getto d’acqua in una camera di miscelazione sul lato a valle dell’orifizio dell’ugello.
In Figura 6 viene schematicamente mostrato un utensile waterjet a getto singolo e centrale, con l’alimentazione degli abrasivi laterale. Rimane comunque ricorrente il fenomeno dell’usura precoce del tubo di miscelazione. Il diametro interno del tubo di miscelazione è normalmente compreso tra 1 e 3 mm. Il materiale generalmente impiegato per la realizzazione di questo componente è il carburo. Lo schema di movimentazione ricorrente nei macchinari per il taglio waterjet abrasivo è di tipo cartesiano, con sistema di controllo CNC. Vengono, inoltre, utilizzate specifiche soluzioni costruttive per il mantenimento della distanza di servizio dell’utensile dal pezzo in lavorazione. In Figura 7 è mostrata una macchina
per il taglio waterjet.
Le soluzioni per la movimentazione
Sulla base delle caratteristiche e delle funzionalità dei processi di taglio, illustrate nei paragrafi precedenti, lo schema delle movimentazioni ricorrente nei relativi macchinari è analogo a quello dei robot cartesiani. Un’interessante soluzione per la movimentazione è quella impiegata nelle macchine tagliatubi, per le quali si ricorre sia al processo di taglio laser che a quello al plasma. In Figura 10 è mostrato una macchina tagliatubi al plasma. Il raggiungimento di opportuni livelli di precisione risulta fondamentale anche nel processo di nesting, che consiste nell’ottimizzazione dei pattern di taglio finalizzata al contenimento degli sprechi di materiale. Un tipico risultato di tale processo è mostrato in Figura 11.
Il processo di nesting prevede l’impiego di apposite soluzioni software, che implementano algoritmi di risoluzione di un noto problema di Ricerca Operativa: il problema del cutting stock bidimensionale. Tale processo di ottimizzazione terrà conto non solo delle caratteristiche del materiale e del suo posizionamento nel macchinario, ma anche del massimo grado di precisione possibile con la movimentazione ed il sistema CNC a disposizione.
