Normative, software, simulazione, metrologia e automazione. Sono molte le variabili che partecipano oggi all’impostazione di un ciclo di fresatura (di Francesco Barna)
Quale è il miglior ciclo di progetto e lavorazione di una parte meccanica da lavorare su una macchina utensile?
Innanzitutto, è necessario precisare che, data l’enorme varietà di macchine utensili oggi, è pressoché impossibile definire un ciclo unico e realtà produttive avranno certamente esigenze produttive diverse ma comunque si possono delineare dei tratti comuni e dei software di supporto di validità assolutamente generale.
Il ciclo ipotetico (che alcune aziende sicuramente alcune aziende applicano già) è in conformità con tutte le normative ISO ed UNI vigenti.
CAD (Computer-Aided Design)
Innanzitutto, diventa fondamentale progettare il componente da realizzarsi nel CAD, ci sono indiscutibili benefici in questa operazione. In primo luogo, specie per pezzi complessi, è possibile comprendere ed interagire sia in fase di creazione che di modifica con pezzi molto più complessi in quanto il livello di visualizzazione è nettamente superiore. Il CAD, inoltre, permette di inserire all’interno del suo file le PMI (Product Manufacturing Information). Esse, secondo la norma ISO 1101:2017, permettono di inserire all’interno del 3D informazioni sulle dimensioni geometriche e tolleranze associate al pezzo in questione esattamente come accadrebbe con una tavola 2D. I benefici però sono apparenti, non solo si può adesso passare queste informazioni a terzi ma esse possono essere estratte da altri software per essere utilizzate in fase di analisi come per esempio dai moderni strumenti di metrologia che leggendo le PMI dal file 3D fornito possono poi immediatamente compararle alle dimensioni misurate sul componente finito ed effettuare paragoni in automatico.
Il file CAD permette anche una migliore archiviazione e gestione del dato (per dato si intende come quella complessa e lunga serie di informazioni che concernono il componente da produrre dal materiale alle dimensioni geometriche, alle tolleranze, al committente e molto altro ancora) la sua archiviazione in un mondo digitale e globale diventa fondamentale. Infine, passare da una parte complessa da 3D a 2D è relativamente facile mentre l’incontrario è una operazione complessa che richiede esperienza per essere gestita e soprattutto tempo che potrebbe essere meglio impiegato altrove.
Non è un caso che, alla luce di quanto detto sino ad adesso, il CAD sia una delle pietre portanti di software PLM (Product Lifecycle Management) che hanno scopo di tracciare la genesi di un prodotto dalla sua concezione fino al marketing dello stesso. Sono software estremamente complessi e di ampio respiro permettono di eseguire, riunendo in un unico ambiente, elementi di ingegneria, design e produzione assieme all’ecosistema di servizi e gli aspetti economici di prototipazione, sviluppo e produzione stessa. I primissimi PLM erano prevalentemente basati su una coniugazione di ambienti CAD e CAM coniugati ad una avanzata gestione dei metadati associati a queste due fondamentali operazioni per la produzione di un prodotto.
Si deve, proseguendo lungo questo workflow digitale, passare poi queste informazioni ad un altro software che è il CAM, per farlo spesso si passa da un software proprietario ad un altro e quindi si usa i file STEP (ISO 10303) che permettono lo scambio di informazioni tra un software e l’altro garantendo l’integrità delle informazioni associate al file 3D a prescindere quale sia il software a scrivere il file e quale sia il software che lo leggerà.
CAM (Computer-Aided Manufacturing)
Il CAM è forse più di tutti gli altri software visti, e che vedremo, la tecnologia abilitante per la produzione di pezzi complessi. Esso si articola in quelle che si possono distinguere come due macro-sezioni, uno è il processore logico che è responsabile in funzione di una serie di logiche matematiche dell’effettiva generazione del percorso utensile atto alla rimozione di materiale dal grezzo per la produzione del componente finale. Solitamente questa serie di algoritmi è interna al CAM stesso ma esistono Add-On per situazioni speciali o per implementare in CAM algoritmi proprietari di terzi, un esempio di questo è VoluMill che viene usato da una moltitudine di CAM per operazioni sgrossatura pesante in quanto i suoi algoritmi permettono una maggiore efficacia nella rimozione del materiale. Essi si basano sul mantenere lungo tutta la traiettoria dell’utensile, che sia in rettilineo od in curva il volume di materiale rimosso costante. Questa tipologia di algoritmi è estremamente efficace e comporta guadagni sostanziali rispetto alla sgrossatura dal pieno adottata tradizionalmente e che deriva dai tempi di quando si programmava a bordo macchina con risparmi di tempo ciclo ingenti anche del 33% ed oltre dovuto al fatto che benché si usi affondamenti radiali esigui (di solo dal 5 al 15% del diametro utensile) si possono usare affondamenti assiali considerevoli e avanzamenti decisamente più spinti.
L’output di questi algoritmi è il CL.DATA (Cutter Location Data) ovvero un linguaggio esperantico in concezione che ha lo scopo di essere universale (è normato dalla ISO 3592:2000 e la ISO 4343:2000), qualsiasi CAM genera questo codice ad un certo punto anche se non è detto che sia esportabile. Questo linguaggio però non è leggibile dalla macchina utensile su cui si lavorerà il componente, infatti, qua entra in gioco il secondo componente del CAM, il post processore che ha lo scopo specifico di essere un traduttore dal linguaggio universale che è il CL.DATA al linguaggio specifico che parla il controllo della macchina utensile (come non si userebbe TRAORI su Fanuc non si potrebbe usare G68.2/G43.4 su Siemens o ancora PLANE SPATIAL su Haas). L’output del postprocessor, quindi, è l’effettivo codice che verrà trasmesso alla macchina e che essa leggerà per eseguire le operazioni di asportazione per fabbricare il componente.
Simulatori
I simulatori possono essere di vari tipi ma hanno principalmente due scopi principali quelli di verificare il percorso utensile prodotto da CAM e di ottimizzarlo. I simulatori, inoltre, possono essere divisi anche in funzione di come rappresentano al loro interno il controllo presente sulla macchina utensile. Un simulatore vero e proprio è in grado di riprodurre il comportamento del controllo senza però esserne una copia. Esso prende in input i medesimi valori e restituisce dei risultati che devono essere il più simili possibili a quelli che restituirebbe il controllo e, se possibile, devono essere identici. Al contrario un emulatore è una copia carbone del controllo presente a bordo macchina e che quindi restituisce esattamente quello che vede il controllo quando leggerà il programma in macchina.
A prima battuta si direbbe che l’emulatore sia la versione migliore tra i due modi di leggere virtualmente un programma macchina e da un punto di vista squisitamente tecnico è effettivamente così ma ci sono dei limiti sia pratici che commerciali. Gli emulatori tendono ad integrarsi peggio in workstation e sistemi Windows tradizionali dove devono comunque essere integrati con qualche sistema di gestione della cinematica della macchina e rappresentazione della asportazione di truciolo che richiede un set di algoritmi estremamente complessi ma necessari per rappresentare digitalmente le operazioni. Inoltre, in ogni azienda raramente si trova un parco macchine mono controllo e mono versione (nel caso di quest’ultima verrebbe da dire che non succede mai) quindi servono molteplici emulatori quanti sono le tipologie di controlli disponibili in azienda (Siemens, Fanuc, Heidenhain, Haas, Okuma, e così via) e ognuno deve essere costantemente aggiornato per far fronte alla necessità di una accurata rappresentazione, inoltre di alcuni controlli non esistono emulatori o non sono resi pubblici. I simulatori, invece, per loro natura potenzialmente meno precisi (e qui si potrebbe disquisire che dato le altre fonti di incertezza derivanti dalla moltitudine di variabili stocastiche presenti in fase di lavorazione e la precisione dei simulatori di controllo oggi sia evidente che la loro eventuale imprecisione sia di poca importanza rispetto alle prime) sono molto più flessibili ed aggiornabili oltre che offrire prestazioni maggiori rispetto agli emulatori. Gli emulatori in ogni caso non sono privi di significato anzi, a volte sono indispensabili quando gli effetti, per esempio, dei controlli sulla interpolazione di percorso utensile sono di fondamentale importanza, per esempio, in situazioni di superfiniture o utilizzo di interpolazioni custom dove non è possibile simularli.
Una volta simulato il processo e stabilito che esso non apporti criticità in termini di collisioni o errori dimensionali (non si possono verificare ovviamente le tolleranze ma eventualmente se ci sono errori geometrici dovuti ad inadeguata programmazione CAM o creazione del post processore) si può procedere con l’ottimizzazione. L’ottimizzazione può essere eseguita in funzione di una serie di parametri derivanti dalle condizioni di taglio predette dal simulatore quali ad esempio spessore di truciolo, potenza assorbita, forze di taglio ed altri. Il software userà dei minimi e massimi di queste variabili (impostati da un utente esperto che conosce sia il processo che la macchina) per rimappare interamente l’avanzamento dentro il part program in maniera tale che il parametro scelto sia sempre all’interno dei vincoli di massimo e minimo imposti e sia il più costante ed alto possibile per massimizzare la produttività e minimizzare l’usura utensile che si trova, almeno in teoria, in condizioni di lavorazione migliore. Un esempio pratico è quando l’utensile deve percorrere una curva, dato che da CAM si programma l’avanzamento al dente in centro fresa, in curva l’avanzamento al dente periferico sarà decisamente superiore a quello rispetto al centro dato che il centro fresa e un punto sulla periferia dell’utensile deve spazzare archi di lunghezze diverse in tempi uguali. Questo vuol dire che lo spessore di truciolo aumenta e di conseguenza aumentano anche le forze di taglio agenti sulla fresa stessa che in casi particolarmente gravi possono causarne la rottura. Un simulatore è in grado di vedere la variazione di spessore di truciolo che avviene durante una curva percorsa dall’utensile, per esempio, mentre viene eseguito un G02 o un G03 e di modulare l’avanzamento, se necessario anche spezzando il blocco stesso, in maniera tale che lo spessore di truciolo rimanga costante durante tutte le fasi della lavorazione. Così facendo si diminuisce l’usura utensile, le deflessioni e il rischio di non conformità di forma o tolleranze geometriche sulle feature lavorate.
Una volta terminata l’ottimizzazione si può importare il programma generato mediante server FTP all’interno della macchina utensile ed eseguire la lavorazione in totale sicurezza.
Metrologia
Moderni strumenti di metrologia possono leggere i nostri file 3D precedentemente forniti dal CAD al cui interno celano le preziose PMI e una volta posizionato il componente al loro interno ed aver creato una origine come si farebbe su una macchina utensile creare in totale autonomia il percorso di misura che diventa anche ripetibile per eventuali controlli a campione su componenti della medesima tipologia. Le dimensioni misurate dallo strumento metrologico verranno automaticamente confrontate con quelle presenti nel file CAD e le associate tolleranze permettendo anche un’identificazione immediata di incongruità e una maggiore facilità anche nella generazione di report. Alcuni produttori stanno integrando tecnologie all’avanguardia che permettono al software di metrologia di non solo analizzare i risultati acquisiti durante una misurazione ma anche di programmare la misurazione stessa permettendo un nuovo grado di automazione e ripetibilità.
E l’automazione?
Una grande assente a questa lista non è un processo o una fase ma un concetto, l’automazione. Essa è stata esclusa non perché ritenuta superflua o inottenibile ma perché essa è e deve essere presente in tutte le fasi elencate di cui sopra. Eccezion fatta per il CAD in cui oggettivamente si spende l’energia creativa di design del prodotto o componente tutto il resto deve essere automatizzato il più possibile. I software devono essere più intuitivi e predittivi possibili simulando molteplici scenari e permettendo di scegliere magari addirittura in automatico le configurazioni migliori di parametri, utensili, strategie e macchina utensile. I macchinari devono essere configurati per lavorare senza intervento umano ove possibile, che siano robot di carico e scarico pezzo, pallettizzati, uso estensivo di zero-point ed altro ancora.
In ogni caso, come si può notare da un flusso del genere appena descritto che rappresenta, a nostro dire l’apice di quanto raggiungibile oggi, esso è un flusso completamente lineare non vi è, per prendere in prestito una terminologia dai controlli un PID, un feedback loop. In altre parole, il sistema così concepito è totalmente non conscio dei propri risultati se non grazie ad intervento umano che preso atto di quanto misurato in sala metrologica, quanto accaduto in macchina ed altrove durante questa catena produttiva. Quindi, quelle famose variabili stocastiche che hanno effetti certamente quantificabili in macchina (alcuni studi accreditati ritengono che solo la temperatura sia responsabile per il 66% dell’errore in fase di lavorazione) non potranno essere corrette.
