Le esperienze accumulate nell'ambito del Laboratorio MUSP nell’ambito della riprogettazione e, più in generale della progettazione, di parti strutturali di macchine utensili di vario tipo, con materiali tradizionali (in particolare acciaio elettrosaldato) ed innovativi quali le schiume di alluminio, le schiume ibride alluminio-polimero e i cementi polimeri, hanno messo in evidenza la necessità di definire un approccio integrato al problema ed un metodo per affrontare in modo consapevole e strutturato le varie fasi del lavoro. Questo metodo è stato sviluppato nell’ottica di sfruttare al meglio le caratteristiche meccaniche e tecnologiche dei materiali impiegati. Essi offrono infatti nuove possibilità al progettista in termini di maggiore libertà nella scelta delle sezioni e delle configurazioni e permettono di focalizzare l’intervento sui componenti strutturali che limitano le prestazioni globali della macchina utensile nel suo complesso.
Strategia di riprogettazione
Metodo di riprogettazione: Definizione delle performance limitanti e rilevanti per il cliente ad es. capacità di asportazione, accuratezza nell’esecuzione di traiettorie. Misura della performance: ad es. monitoraggio delle forze di taglio; analisi modale sperimentale per misurare il comportamento dinamico della macchina. Determinazione del componente o gruppo maggiormente limitante. Riprogettazione: con il metodo degli elementi finiti e/o la progettazione ottima, si riprogetta il componente sfruttando le caratteristiche smorzanti delle schiume e le sezioni composite. Trasformazione del modello concettuale in progetto esecutivo rispettando i vincoli tecnologici (es. interazione con le altre parti della macchina, possibilità di realizzazione della schiuma). Verifica tecnica ed economica del progetto. Realizzazione del prototipo e produzione della schiuma in laboratorio. Analisi delle prestazioni sulla nuova struttura e valutazione dei risultati.
Le schiume di alluminio ed alluminio-polimero (Hybrid APM) costituiscono una nuova classe di materiali per l’applicazione alle macchine utensili. E’ di fondamentale importanza l’introduzione di un approccio integrato alla progettazione che si leghi in modo diretto alla performance percepita dall’utilizzatore finale. La modellazione permette disporre di uno strumento che, tarato sui dati sperimentali, permette di prevedere con buona approssimazione il comportamento prestazionale della macchina riprogettata passando alla fase di prototipazione soltanto quando i risultati risultino soddisfacenti
L'approccio descritto è applicabile alla riprogettazione di componenti strutturali di macchine utensili ed è particolarmente adatto alle parti mobili nel caso si impieghino schiume di alluminio: tuttavia può essere applicato, utilizzando materiali differenti, anche a basamenti ed altre parti caratterizzate da dinamiche contenute. E' possibile estendere l’ applicabilità a strutture di macchine in acciaio o lega di alluminio, sia in ottica di incremento della rigidezza che della resistenza. In questi casi sarà necessario selezionare metodi differenti di caratterizzazione delle performance.
Centro di lavoro riprogettato con componenti in schiuma di alluminio e schiuma ibrida
Miglioramento della capacità di asportazione di un centro di lavoro
Il metodo descritto è stato applicato, in collaborazione con JOBS s.p.a., alla riprogettazione di un componente per il settore aerospaziale, di leghe di alluminio e compositi In sede di analisi delle prestazioni, l'azienda ha indicato come performance da incrementare la capacità di asportazione su acciaio per poter estendere significativamente lo spettro delle lavorazioni effettuabili Definito l’ obiettivo sono state misurate le performance della macchina tramite una serie di prove di lavorazione monitorando le forze di taglio e una serie di prove di tracking con il "grid encoder". E’ stato poi misurato il comportamento dinamico della macchina con l'analisi modale evidenziando come componente critico il cannotto. Si è quindi provveduto a ridisegnare il componente con una nuova sezione basata su pannelli sandwich (con pelli in acciaio e anima in schiuma ibrida alluminio-polimero) L'analisi delle prestazioni della macchina utensile, con il componente riprogettato, ha mostrato un sensibile incremento della capacità di asportazione su acciaio ottenendo l'obiettivo prefissato e permettendo alla macchina di estendere il campo di lavorazioni effettuabili con successo. E' inoltre stato rilevato un significativo miglioramento nell'accuratezza di inseguimento di traiettorie. Infine l'analisi svolta ha dimostrato la fattibilità della soluzione anche dal punto di vista economico
JOBS s.p.a. e Politecnico di Milano
I risultati del progetto hanno portato all’applicazione del metodo ad altri prodotti della stessa azienda ed a nuove attività di servizio con altri partner industriali.
Versione dimostrativa in scala ridotta del componente realizzato