L’additive entra, di fatto, nel novero delle macchine madri

Si chiamano macchine madri quelle macchine che vengono utilizzate per produrre altre macchine. Renishaw dimostra che la tecnologia additiva in metallo ha raggiunto la maturità completa, tanto che la utilizza per produrre un componente di cruciale importanza per la sua nuova macchina: la RenAM 500Q.

di Mario Lepo

La produzione con tecnologia additiva ha fatto enormi passi in avanti, considerando anche il tempo, davvero limitato, di presenza sul mercato. I miglioramenti si sono visti in tutti gli ambiti: dall’evoluzione delle capacità dei progettisti, ormai consci dell’importanza di una progettazione del tutto dedicata, ai software di gestione della produzione per finire con la crescita di potenza e di numero dei laser impegnati nella fusione selettiva. Esistono ormai molte macchine per la produzione additiva in metallo, e alcune di queste dispongono di più laser, ma spesso dedicati ad aree specifiche su cui lavorare: ne risulta una velocizzazione della produzione, con il limite di poter operare solo in zone separate.
Renishaw ha superato questo confine presentando la nuova RenAM 500Q che utilizza ben quattro laser da 500 W capaci di operare tutti contemporaneamente su tutta la superficie di lavoro.
Per arrivare a questo risultato Renishaw ha utilizzato per sé stessa la tecnologia additiva in metallo che, in questo modo, ha fatto il salto di qualità, qualificandosi come “tecnologia madre”. Per arrivare a questo traguardo è, infatti, necessario che la tecnologia sia conosciuta in modo approfondito e sia considerata totalmente affidabile, ed è proprio questo il percorso seguito da Renishaw. Si ha la netta percezione di essere in presenza di un “salto” tecnologico, un elemento scatenante per l’interesse di un’azienda che ha fatto dell’innovazione la sua bandiera: è questo che ha portato Renishaw a costruire e vendere macchine per stampa 3D in metallo. Ma la comprensione profonda delle potenzialità di questa tecnologia ha permesso anche il passo successivo: usare la stessa produzione additiva per migliorare le prestazioni creando una macchina fortemente innovativa, la RenAM 500Q, appunto.

Il perché di una macchina
L’AM in metallo è una tecnologia che solo ora comincia a essere compresa nella sua enorme potenzialità, ma esiste un fattore che definisce il confine della sua accessibilità e conseguente diffusione: il tempo ciclo.
Vale a dire che, in alcuni casi, la produzione di pezzi con tecnologia additiva richiede molto tempo e questo ne confina l’utilizzo solo alla produzione di pezzi meccanici ad altissimo valore aggiunto. Renishaw ha considerato come critico questo confine e ha elaborato una soluzione che rende accessibile la realizzazione in additiva a una gamma più ampia di prodotti.
Ampliare la numerosità di aziende che utilizzano questa tecnologia significa diffonderla e farla crescere: più utilizzatori significano anche più progettisti e più tecnologi in grado di sfruttarla.
Questa macchina non nasce dal nulla, ma è frutto di un lungo percorso: la prima macchina Renishaw, la AM 250, era in grado di operare con diversi materiali, e presentava già alcuni accorgimenti importantissimi, quali la gestione delle polveri con sistemi stagni (per la protezione dell’operatore dalla polvere e della polvere dall’atmosfera) e la possibilità di rabbocco in corso di processo senza doverlo interrompere.
Poi si passò a un primo aumento delle prestazioni potenziando il laser nella versione AM 400. Il passo successivo è stato la realizzazione di una vera e propria macchina da produzione, la RenAM 500M, più veloce e ottimizzata per il materiale scelto dal cliente e dotata di gestione automatica della materia prima. L’ultimo passo è stato arrivare al multi laser, che segna anche lo stato dell’arte. Diventa facile intuire come un simile incremento di produttività possa rendere appetibile questa tecnologia a un numero decisamente superiore di aziende e innescare quel processo virtuoso di crescita cui si accennava in precedenza. Processo virtuoso che necessità però di strumenti concreti come questo drastico incremento di produttività può offrire.

Abilita anche la produzione di pezzi di valore medio
La scelta Renishaw di operare con un “cubo di lavoro” di 250 mm di lato è motivata dal fatto che in questo volume sono realizzabili una percentuale più che rilevante dei pezzi meccanici prodotti nel mondo e rappresenta il miglior compromesso tra dimensioni e gestibilità considerata in termini di quantità di polveri impiegate, tempi di svuotamento e pulizia.
E, soprattutto, questa dimensione permette di creare lotti più piccoli, facilmente gestibili nell’ottica della programmazione di una vera produzione: è facile intuire che è meglio accelerare il singolo lotto facendo concorrere tanti laser a realizzare i pezzi invece di aumentare il numero dei pezzi in un campo di lavoro più ampio ma che, con laser che lavorino solo in un’area di una macchina, allunga inevitabilmente il tempo totale del ciclo. A parità di volume di lavoro, quadruplicare le sorgenti laser porta a ridurre di quasi quattro volte il tempo di lavorazione in macchina.
Il tempo di processo è però dato dalla somma di tutti i tempi, non solo da quello della fusione laser. Nella lavorazione additiva oltre a migliorare il tempo vero e proprio di fusione, è necessario ottimizzare anche le altre componenti affinché il vantaggio ottenuto dalla riduzione dei tempi di produzione non venga sminuito. Per fare un parallelo con la lavorazione meccanica, i tempi di carico, scarico pezzo e i cambi utensile, fanno parte del tempo ciclo esattamente come la fase di asportazione di truciolo. Come anzi detto, sulle RenAM 500M e RenAM 500Q, le fasi di ricarico della polvere e setacciatura avvengono in modo automatico e questo, in combinazione con un nuovo flusso di gas che accelera la pulizia della camera, porta a notevoli risparmi di tempo. Se è vero che i confini attuali dell’applicabilità dell’AM in metallo dipendono dal tempo ciclo, eccoci nella condizione di poter ampliare il campo di applicazione muovendoci dai soli pezzi ad altissimo valore aggiunto a quelli con numeri di produzione più elevati. L’aumento di produttività sposta quindi la soglia di accesso alla produzione additiva in quanto abilita, oltre alla produzione di pezzi ad altissimo valore come quelli per aerospace, racing, medicale, anche quella di pezzi di valore medio, ad esempio quelli per molte fasce del comparto automotive, in stretta proporzione alla diminuzione del costo di processo.

Credere nella propria tecnologia
Tutte le più grandi aziende produttrici di macchine utensili realizzano i componenti al loro interno e questo fatto è di grande importanza per il cliente finale che comprende come l’azienda che propone una determinata macchina sia stata anche utilizzatrice in prima persona di quella tecnologia e ne possa quindi aver apprezzato tutte le qualità, ottimizzandone le funzionalità e portandola al massimo della produttività. La certezza che la casa produttrice per realizzare al meglio i componenti che le necessitano sia stata “costretta” a eliminare le incertezze e a ottimizzare il processo la rende indubbiamente più credibile agli occhi del cliente potenziale. Renishaw ha realizzato con la tecnologia additiva il blocco dei galvanometri che rappresenta il cuore meccanico del sistema, quello che rende possibile posizionare le quattro sorgenti laser vicinissime tra loro. La precisione geometrica con cui il laser fonde il metallo e la stabilità della macchina dipendono da questo blocco che presenta anche delle caratteristiche che non lo rendono realizzabile con altra tecnologia. La prova di fiducia nelle potenzialità e nella precisione della propria tecnologia che Renishaw offre ai propri clienti con questa scelta è molto importante poiché non si tratta di un componente qualunque, ma di quello fondamentale per poter raggiungere determinate prestazioni, il vero e proprio “cuore” pulsante del sistema.
Questa macchina sfrutta quattro sorgenti laser in fibra ottica. Il meccanismo che reindirizza ognuno dei quattro laser su un punto preciso con un diametro di messa fuoco pari a 80µ, è composto di molte parti elettro-ottiche che lavorano in stretta relazione, in particolare il meccanismo di lancio all’uscita della fibra, il dispositivo di messa a fuoco dinamica e i galvanometri che orientano gli specchi. Nel caso di un singolo laser, eventuali piccoli scostamenti termici della struttura possono essere assorbiti dalla macchina in quanto il laser che fonde è uno solo; di conseguenza l’eventuale minima differenza si mantiene poi costante. Nel caso di una testa di lavoro con quattro sorgenti invece, l’allineamento relativo degli spot del laser dipende dalla posizione relativa tra gli specchi e la stabilità termomeccanica è la chiave del successo. Per mantenere il massimo controllo su di essa, e garantire la stabilità del processo, è necessario che i quattro laser siano il più vicini possibile tra loro e che l’intero blocco che contiene tutti i dispositivi di indirizzamento dei raggi sia mantenuto stabile sotto il profilo termico. La geometria del pezzo, per mantenere le sorgenti laser molto vicine tra loro, è decisamente molto complessa, ed è resa ancor più complicata e difficile dalla necessità di inserire all’interno dei canali di raffreddamento per soddisfare la seconda necessità. Insomma, esattamente il tipo di sfida progettuale e realizzativa che si può vincere utilizzando la produzione additiva.

Software e controllo migliorati
In parallelo con lo sviluppo della macchina è stato implementato anche il software di gestione della produzione. Questo programma potente, facile da apprendere e intuitivo da utilizzare, è stato progettato specificatamente per le macchine di produzione additiva Renishaw.
Oltre alle già note funzioni di importazione di geometrie .STL e vari formati CAD 3D, orientamento personalizzato dei componenti, aggiunta automatica di strutture di supporto e la revisione rapida delle geometrie e del percorso del laser, ora QuantAM permette anche di allocare posizione e percorso di ognuno dei quattro laser. È così possibile, a seconda delle necessità, far lavorare più laser su un pezzo singolo o laser diversi su pezzi diversi. Nell’ottica, attualissima, di acquisire e analizzare una maggiore quantità di dati per ottimizzare il processo, migliorare la gestione della produzione e la competitività dell’azienda, anche il monitoraggio di processo è stato implementato. Intervengono in questa fase sia una telecamera sia dei rilevatori multispettrali che registrano ed analizzano quanto avviene nella pozza di fusione generata dal laser nel letto di polvere metallica. I dati rilevati vengono elaborati dal nuovo software InfiniAM™ Spectral appositamente sviluppato per l’analisi e il monitoraggio di processo. I limiti delle attuali proposte commerciali presenti sul mercato, riassumibili in velocità limitata e analisi di una sola componente spettrale vengono superati da InfiniAM Spectral che, in combinazione con i nuovi sensori installati, riesce a registrare e valutare ad altissima velocità tutte le componenti spettrali e fornire così una valutazione in tempo reale dell’andamento del processo di fusione additiva. La possibilità di disporre di tutti questi dati sia in tempo reale, sia a posteriori, permetterà una migliore valutazione dei parametri impostati ed una loro eventuale ottimizzazione, con ulteriori vantaggi per la produttività del processo e aziendale. Ulteriore differenza di grande rilievo rispetto a quanto presente sul mercato consiste nel fatto che InfiniAM Spectral opera in tempo reale e non solo a livello di report successivo al processo. Vale a dire che si conoscono e visualizzano i dati relativi alla fusione nel momento in cui questa avviene e non a posteriori: questo implica la capacità di InfiniAM Spectral di operare con file di grandissime dimensioni poiché la quantità di informazioni che viene prodotta da una lavorazione additiva è veramente notevole e i dati accumulati per questo tipo di analisi sono davvero molto, molto consistenti. Solo un software molto potente e dedicato può riuscire a visualizzare una tale mole di dati con fluidità e durante lo svolgimento del processo. Una ulteriore evoluzione del software Renishaw è rappresentata da InfiniAM Central che permette di gestire le informazioni provenienti dalla macchina in remoto, anche attraverso l’utilizzo di apposita applicazione. Questo software riunisce dati recepiti da sensori presenti nella macchina e permette un monitoraggio in tempo reale, come anzi detto, anche in remoto. Si può quindi conoscere a quale punto della lavorazione è giunta la macchina, se si rende necessario aggiungere polvere metallica, e conoscere tutti i parametri di funzionamento per sincerarsi che rimangano nel range previsto dall’utilizzatore o se si manifestano delle deviazioni che, grazie a questo controllo, possono essere immediatamente corrette.

Pensata per ottenere il massimo della velocità e delle produttività
In ogni ambiente produttivo lo spazio vale oro ed è per questo motivo che la nuova RenAM 500Q è appena 120 mm più larga e profonda della versione a singolo laser che già vantava il minor utilizzo di spazio a terra della sua categoria. Nel settore delle multi laser questa caratteristica balza ancora di più all’evidenza. E rappresenta un indubbio vantaggio per ogni utilizzatore, visto che lo spazio per questa nuova tecnologia deve essere preparato ad hoc. La macchina, come e più della nota RenAM 500M, è pensata per ottenere il massimo della velocità e delle produttività lavorando con il materiale scelto dall’utilizzatore.
Proprio per esaltare questo aumento di velocità, è stata modificata anche la procedura di pulizia della camera di lavoro tra un ciclo e il successivo al fine di accelerare sia l’intervento dell’operatore, sia la ripartenza. Ovviamente anche questa macchina mantiene tutte le caratteristiche di setacciatura automatica delle polveri e di limitazione del contatto operatore tipiche di Renishaw con il sistema a doppia valvola ormai ampiamente collaudato.

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