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Produzione ibrida: superiorità grazie alla combinazione dei processi

Il settore manifatturiero ha registrato una significativa ripresa grazie al crescente interesse verso le tecnologie di produzione ibrida, in particolare per la loro capacità di realizzare prodotti in modo altamente efficiente e con prestazioni migliorate. La produzione ibrida è un termine ombrello che comprende diversi sviluppi recenti nel campo dei processi produttivi, nei quali tali processi vengono combinati e integrati con l’obiettivo di aumentare la libertà di progettazione, migliorare la qualità e ridurre i tempi di produzione. Ciò consente di ampliare la base produttiva e i campi di applicazione.

I produttori integrano un’ampia gamma di operazioni per realizzare i prodotti richiesti secondo le specifiche del settore industriale. I processi produttivi più comuni includono la lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC), la produzione additiva e i processi di trasformazione, tra cui formatura, giunzione e processi di separazione, in particolare la saldatura. Negli ultimi anni queste tecnologie si sono avvicinate tra loro, aprendo nuove possibilità per progettisti e ingegneri.

Ogni processo produttivo presenta svantaggi e vincoli specifici che risultano difficili da eliminare completamente. La lavorazione CNC, a causa della complessità del processo, comporta un elevato grado di difficoltà nella fabbricazione di geometrie complesse, soprattutto in relazione all’accessibilità degli utensili della macchina. L’ambito di applicazione delle tecnologie di produzione additiva rimane ancora limitato, in particolare a causa di tempi di produzione più lunghi e di una minore accuratezza rispetto ai metodi di lavorazione CNC. Lo sviluppo dei processi di formatura è limitato dall’effetto di ritorno elastico (springback) e dalla ridotta formabilità dei materiali. È inoltre particolarmente complesso controllare l’accuratezza dimensionale dei componenti durante il processo di saldatura.

Le problematiche e le complessità di processo sopra menzionate, relative agli attuali sistemi produttivi, possono essere risolte mediante la produzione ibrida, che consente l’integrazione di più di un processo di produzione.

Ecco alcuni recenti risultati della ricerca accademica sulle tecnologie di produzione ibrida

• La combinazione della lavorazione CNC e della produzione additiva può offrire una soluzione efficace alle limitazioni attuali della produzione additiva, in particolare per quanto riguarda il miglioramento della precisione e della capacità di lavorazione (velocità di asportazione) durante il processo ¹.
• L’integrazione di processi di riscaldamento e formatura assistiti da laser può ridurre in modo significativo il fenomeno del ritorno elastico ².
• La combinazione di vibrazioni ultrasoniche e del processo di foratura può portare a una riduzione dell’usura degli utensili ³.
• L’utilizzo della foratura laser in combinazione con la lavorazione elettrochimica (ECM) provoca una riduzione significativa della formazione dello strato di rifusione (strato di materiale risolidificato) e della zona termicamente alterata (HAZ). La HAZ è un’area del metallo che non fonde, ma subisce variazioni nella composizione del materiale sotto l’influenza di elevate temperature operative ⁴.

Approfondiamo ora due processi ibridi che sono già stati implementati a livello industriale.

Produzione additiva ibrida con rinforzo in fibra di carbonio

Nel 2018, l’azienda tedesca di ingegneria dei compositi CIKONI ha introdotto una tecnologia di produzione ibrida basata sulla produzione additiva e sul rinforzo in fibra di carbonio. La maggior parte dei processi di produzione additiva rinforzata con fibre replica la tecnologia FDM, nella quale un rinforzo in fibre corte o continue viene introdotto nel polimero fuso durante la stampa ⁵.

Lo svantaggio di questi approcci è che il rinforzo in fibra può essere applicato solo nel piano di stampa. Ciò può fornire un supporto efficace nel piano per carichi di compressione e trazione, ma la maggior parte dei componenti è soggetta a carichi tridimensionali. Inoltre, il costo dei filamenti rinforzati con fibre è molto elevato e la velocità di stampa è bassa, rendendo la produzione economicamente sostenibile quasi impossibile.

Al contrario, l’approccio ibrido di AdditiveCARBON combina la stampa 3D non rinforzata, che è economica e scalabile, con un rinforzo continuo in fibra basato su un processo di avvolgimento robotizzato. La guida robotica consente inoltre il rinforzo delle fibre nello spazio, permettendo di sostenere casi di carico più complessi.

Il principio è già stato testato con successo insieme al costruttore automobilistico tedesco Audi su un segmento del telaio del tetto. Il componente prodotto in modo ibrido sopporta i carichi applicati grazie al rinforzo in fibra di carbonio. La produzione additiva consente una libertà di progettazione geometrica quasi illimitata.

Stampa 3D dell’elettronica mediante combinazione con macchine a 5 assi

Le fresatrici a 5 assi sono macchine comuni per la lavorazione CNC di geometrie complesse da diverse direzioni di lavorazione. Optomec, con sede ad Albuquerque (USA), combina i gradi di libertà di una macchina a 5 assi con l’applicazione di piste conduttive per la stampa 3D di componenti elettronici.

Resistenze, condensatori, antenne, sensori e transistor a film sottile possono quindi essere realizzati direttamente su una superficie 3D mediante produzione additiva. I parametri del processo consentono di impostare diverse caratteristiche elettriche, come la resistenza. La stampa 3D di componenti elettronici è già stata implementata su plastica, metallo e ceramica.

Nel processo, i metalli vengono inizialmente atomizzati in particelle molto piccole all’interno di un atomizzatore. Le particelle riscaldate vengono quindi applicate alla superficie tramite un getto di gas. Sono possibili risoluzioni fino a 10 µm.

I vantaggi della produzione ibrida, in termini di maggiore produttività grazie alla facilità di realizzazione di geometrie complesse mantenendo al contempo elevati livelli di efficienza e precisione in tempi di produzione relativamente brevi, consentono di sviluppare ulteriormente il potenziale del settore manifatturiero in ambiti ancora inesplorati. Tuttavia, la gestione di più processi e la disponibilità delle singole tecnologie nelle dimensioni richieste (dimensione, quantità, qualità) rappresentano una sfida nei processi ibridi.

Anche se noi di InstaWerk siamo specializzati nella lavorazione CNC e possiamo distinguerci con una rapida preventivazione istantanea per la lavorazione CNC, continueremo a monitorare le tecnologie ibride per offrire ai nostri clienti un valore aggiunto sempre maggiore. Attualmente, InstaWerk è già in grado di combinare la lavorazione CNC dei componenti con trattamenti termici estesi e modifiche superficiali.

Fonti sulla produzione ibrida

1. Liang, H.; Hong, H.; Svoboda, J.; A combined 3d linear and circular interpolation technique for multi-axis CNC machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2002.
2. Duflou, J.R.: Laser assisted incremental forming formability and accuracy improvement. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2007.
3. Heisel, U.: Ultrasonic deep hole drilling in electrolytic copper ecu 57. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2008.
4. Zhang, H.; Xu, J.W.; Wang, J.M.: Investigation of a novel hybrid process of laser drilling assisted with jet electrochemical machining. Optics and Lasers in Engineering, 2009.
5. CIKONI GmbH: Telaio del tetto prodotto in modo additivo con rinforzo locale in fibra di carbonio, 2018.