Ceratizit: tecnologia additiva per l’alesatura

L’additive manufacturing a supporto dell’alesatura ad altissima precisione, con elevati volumi produttivi e un unico posizionamento.

Oggi è evidente quale sia la direzione che sta prendendo l’industria automobilistica, tanto che, secondo stime recenti, nei prossimi 10 anni, pressoché ogni casa costruttrice metterà sul mercato un milione di auto elettriche, fra elettriche pure e ibride. Per chi si occupa di asportazione di truciolo, il basamento del motore elettrico, realizzato in svariate leghe di alluminio, rappresenta un componente di particolare interesse: con una quantità annua che raggiunge i livelli della produzione in serie, i costi per pezzo diventano sempre più importanti. Soprattutto il foro dello statore, quale componente più costoso, pone elevati requisiti all’utensile e al tagliente. Sorge quindi una domanda: sono disponibili gli strumenti adeguati per una produzione su larga scala di motori elettrici?

Lo stato dell’arte

Solo analizzando lo stato dell’arte nella produzione di motori elettrici, ci si può rendere conto se e dove ci siano delle carenze. Prendendo in considerazione le esigenze di lavorazione dell’alloggiamento del motore elettrico di un’automobile, in generale queste non sono molto diverse da quelle di un motore a combustione interna, tranne che l’alesaggio delle pareti sottili dell’alloggiamento del motore elettrico. A seconda delle dimensioni e del tipo di motore, l’alesaggio dello statore varia da circa 200 mm a 300 mm di diametro, con una profondità di oltre 300 mm e deve soddisfare requisiti di precisione estremamente stretti, come tolleranze conformi alla classe IT6 e tolleranze geometriche che soddisfino criteri di rotondità fino a 2/100 mm. Si tratta di una lavorazione estremamente sfidante, in particolare perché, per soddisfare a requisiti di qualità e produttività, l’intera foratura deve avvenire in un’unica operazione. Ma ogni sfida va affrontata e vinta se la produzione di motori elettrici deve essere tempestiva ed economica, in quantità superiori a 100 mila.

Dove si può agire? Per prima cosa occorre tenere presente che la riuscita di ogni impresa è frutto di collaborazione, e lo stesso vale per le lavorazioni: la riuscita di una lavorazione, rispettando i parametri di qualità ed efficienza sono sempre frutto di una sinergia che lega “bontà” della macchina utensile a tutto ciò che con essa concorre al processo. Nel caso specifico, per quanto le lavorazioni vengano eseguite su macchine utensili di alta gamma, una criticità è rappresentata dagli utensili in acciaio massiccio che risultano essere poco idonei per questa applicazione: il peso è troppo elevato per la maggior parte dei mandrini che equipaggiano le macchine utensili. La soluzione è rappresentata da corpi leggeri, che riducono il peso dell’utensile a poco meno di 20 kg, che quindi i centri di lavoro CNC standard di oggi sono perfettamente in grado di accogliere. Nonostante il peso leggero, gli utensili di alesatura fine di questo tipo devono possedere un alto grado di rigidità per trasmettere con successo la potenza ai taglienti e quindi raggiungere i risultati di tolleranza richiesti.

Lavorazione del basamento del basamento motore di un’autovettura elettrica.

Soluzioni high-end grazie all’additive

Dunque la sfida si gioca sul riuscire ad alesare diametri 200÷300 mm, con requisiti di precisione molto stretti, in un unico piazzamento, garantendo così qualità e produttività elevate. “Challange” per il gruppo Ceratizit è un termine più che noto, a cui rispondono con tenacia e caparbietà, ma anche con curiosità e fantasia, esplorando molteplici soluzioni, con l’obiettivo la riuscita e la piena soddisfazione dei clienti. In tutto questo ai progettisti è sempre chiaro come, per l’utente finale, sia inessenziale il modo in cui viene realizzato l’utensile, perché ciò conta sono la funzionalità, la qualità, la precisione e un prezzo adeguato: il valore aggiunto offerto da un utensile innovativo deve giustificare l’eventuale maggior costo di acquisto.

Partendo da questi presupposti, alla sfida Ceratizit ha risposto con una soluzione innovativa, sfruttando le potenzialità della tecnologia additiva, mettendo a punto un nuovo concetto di utensile per alesatura che soddisfa tutti i requisiti e non lascia nulla a desiderare in termini di velocità e precisione di lavorazione. Il design completamente nuovo lo rende così rigido da soddisfare i requisiti di tolleranza IT6 e i corrispondenti criteri di rotondità.

Nonostante il diametro sia superiore a 200 mm, e la notevole lunghezza, i progettisti sono riusciti a mantenere il peso dell’utensile di alesatura fine al di sotto di 17 Kg, con un design tale da soddisfare adeguatamente il momento di ribaltamento dei centri di lavoro. La progettazione e la produzione di un utensile così leggero è frutto della combinazione tra know how tecnologico, relativo alla stampa 3D, e conoscenze ed esperienze decennali nella produzione di utensili ad alta precisione in diamante policristallino (PCD) che stanno portando una ventata rivoluzionaria al concetto tradizionale di truciolatura. Infatti la struttura del corpo di base, delicata ma ottimamente rinforzata, può essere prodotta solo con un processo di fabbricazione additiva: il potenziale offerto dalla libertà di progettazione, e la grande flessibilità per quanto riguarda le geometrie interne ed esterne degli utensili, possono essere un forte fattore di influenza sul modo di concepire la lavorazione per asportazione di truciolo, rendendo i processi additivi un elemento imprescindibile nelle strategie di sviluppo nuovi prodotti.

Generative design, competenze per quanto riguarda la stampa 3D e utilizzo di analisi FEM per studiare le forze effettive e ottimizzare la topologia della struttura hanno portato ad un utensile di alesatura fine, con un design scalabile quasi a piacere, in modo da soddisfare le esigenze del cliente, in particolare in applicazioni automotive relative a motori elettrici e ibridi.

La libertà di design offerta dalla tecnologia additiva permette di aumentare il numero dei taglienti in modo tale che anche le operazioni di alesatura più impegnative possono avvenire in un’unica operazione e con alte velocità di avanzamento, incrementando significativamente produttività ed efficienza del processo.

Plug & play

Gli utensili per alesare in PCD di Ceratizit hanno il corpo principale prodotto con tecnologia additiva, che sfrutta, fra l’altro, la possibilità di produrre più pezzi nello stesso ciclo. Il pezzo fatto in additive viene quindi dotato di taglienti in PCD, montati su cartucce, che vengono rettificati solo dopo l’inserimento negli alloggiamenti, in modo che l’utensile affilato rispetti esattamente la misura richiesta, garantendo precisione micrometrica. Si tratta di una soluzione plug & play perché consente agli utilizzatori di ottenere risultati sicuri per tutto il processo, nel pieno rispetto delle specifiche.

Grazie alla stampa 3D, Ceratizit ha potuto portare interessanti innovazioni agli utensili, proprio sfruttando i punti di forza del processo di produzione additiva. Infatti la possibilità di ottimizzare il design dei vani di evacuazione, e la strategica posizione dei fori di adduzione, consentono di fornire ad ogni tagliente la quantità ideale di lubrorefrigerante, per ottenere il miglior raffreddamento possibile, con una rapida rimozione dei trucioli, senza che le pareti del foro vengano graffiate, contribuendo significativamente ad aumentare la sicurezza del processo e a ridurre gli scarti.

Nella filiale Ceratizit di Stoccarda-Vaihingen viene sviluppata la progettazione degli utensili per alesatura di finitura ed è un lavoro personalizzato perché, data la particolarità della lavorazione, vengono espressamente studiate, oltre alla lunghezza dell’utensile, tutte le caratteristiche, dal numero di taglienti al passo, in modo da soddisfare appieno ogni specifica esigenza. Ad una attenta progettazione deve seguire una produzione estremamente precisa che quindi richiede un parco macchine di ultima generazione, che consenta di rispettare i severi parametri dettati dal team di sviluppatori.

Il mercato risponde

Da oltre 95 anni Ceratizit ingegnerizza e produce soluzioni mirate in metallo duro per il settore dell’asportazione truciolo e l’antiusura. Il riferimento è quindi verso utensili per lavorazioni ad asportazione truciolo, inserti, cilindretti in metallo duro altamente specializzati, oltre che per la materia prima, il metallo duro, studiando e sviluppando nuove qualità di metallo duro e di cermet, per esempio per la lavorazione del legno e della pietra.

Con oltre 9.000 dipendenti in 34 stabilimenti di produzione in tutto il mondo e una rete di vendita con oltre 70 filiali, il gruppo è un attore globale nel settore del metallo duro. La rete internazionale comprende anche le filiali Komet, WNT, Becker Diamantwerkzeuge e Stadler Metalle, nonché la joint venture CB-Ceratizit, con soluzioni innovative in metallo duro utilizzate nei settori dell’ingegneria meccanica e della costruzione di utensili, nell’industria automobilistica, aeronautica e aerospaziale e nel settore medicale.

Ceratizit dispone di oltre 1000 brevetti in tutto il mondo e vanta oltre 200 addetti dedicati alla ricerca e allo sviluppo, che garantiscono al gruppo di essere sempre elemento trainante in termini di innovazione e tecnologia, grazie anche alla collaborazione con università e istituti di ricerca di prim’ordine.

Oggi Ceratizit riunisce il know how di esperti da tutto il mondo, in particolare quando si tratta di trovare soluzioni mirate in metallo duro, ma non solo. Le consociate e le joint venture del gruppo permettono di garantire la disponibilità di prodotti innovativi in metallo duro su tutti i mercati importanti e un servizio di assistenza estremamente rapido, tutelando quindi il business dei propri clienti.

Utensili additivi: i perché

Diversi sono i vantaggi offerti dagli utensili prodotti basandosi su tecnologia additiva, fra cui:

  • aumento della produttività fino al 100% rispetto ad utensili e attrezzature convenzionali, grazie al design esclusivo;
  • forze di taglio ridotte e formazione di bave estremamente contenuta;
  • design ottimizzato dei canali di adduzione del lubrorefrigerante, migliorando sia l’evacuazione che il raffreddamento;
  • maggiore libertà di design: le libertà a livello costruttivo consentono di individuare soluzioni innovative, focalizzate sulle reali necessità del processo.

Il bareno con struttura in resina sintetica rinforzata in carbonio

Ceratizit ha sviluppato anche un utensile di alesatura di finitura per l’alloggiamento del motore elettrico con un design più semplice, ma non meno innovativo, più economico e con un design modulare che lo rende più facile da produrre. Anche per questo utensile la tecnologia additiva ha permesso l’alleggerimento e la definizione di un design innovativo.

Le caratteristiche del bareno:

    • le sedi sono realizzate in una speciale plastica rinforzata con fibra di carbonio;
    • la speciale plastica ha un effetto antivibrante e trasmette le forze di lavorazione al corpo utensile;
    • peso notevolmente più ridotto rispetto allo standard comune presente sul mercato;
    • lavorazione dello statore in un unico ciclo con variante utensile a più gradini;
    • cartucce dell’utensile dotate di settaggio digitale;
    • monitoraggio della durata utile grazie al display digitale KOMlife.

di Daniela Tommasi

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