Uno studio pubblicato su “The International Journal of Advanced Manufacturing Technology” rivela come un’interessante metodologia basata sull’intelligenza artificiale sia in grado di predire l’evoluzione dei danni da usura su una lamiera soggetta a contatto di scorrimento.
Il mondo della produzione industriale, ormai da diversi anni, si sta dirigendo verso una competizione crescente. I concorrenti sono spesso agguerriti, obbligando il mercato a evolvere verso prezzi bassi e qualità elevata. Dall’altra parte vi sono i clienti che necessitano di ridurre i tempi di attesa e spesso richiedono lotti di dimensione medio-piccola per rimanere al passo con un mercato in continua evoluzione.
Per restare competitivi in questo difficile ambiente è fondamentale riuscire ad ottimizzare i costi produttivi, pur senza scendere a compromessi su altre caratteristiche. I macchinari devono offrire il massimo dell’efficienza, così da soddisfare le richieste dei clienti, rimanendo flessibili e riconfigurabili in caso di una trasformazione della domanda. Così come è importante avere macchinari evoluti a supporto della produzione, risulta fondamentale anche utilizzare attrezzi di livello, in grado di creare prodotti di qualità e riducendo, per quanto possibile, i fermi produttivi.
L’usura della lamiera
Tra le attrezzature spesso utilizzate per la lavorazione della lamiera vi sono gli stampi, impiegati nei processi di imbutitura e formatura. Queste attrezzature vengono utilizzate intensivamente per produzioni in serie come, ad esempio, i pannelli di lamiera per le carrozzerie delle automobili. Durante questi processi gli stampi vengono sollecitati in modo importante. È infatti una caratteristica comune del processo il continuo scorrimento tra le superfici di lamiera e stampo tale da generare un elevato stress da contatto. Queste interazioni comportano inevitabilmente un’usura dei materiali e un degrado delle superfici.
Le deformazioni dovute all’usura sono molto difficilmente prevedibili poiché entrano in gioco diversi fattori come, ad esempio, la morfologia delle superfici, la presenza di asperità, la loro interazione e l’influenza della lubrificazione. La conseguenza è una difficoltà nel riuscire a prevedere accuratamente l’evoluzione dell’usura delle superfici e la presenza di solchi. Solitamente gli ingegneri riescono a effettuare una stima non accurata dell’evoluzione in base alle proprie capacità e all’esperienza. Tuttavia ciò talvolta non risulta sufficientemente preciso o non affidabile, esponendo il produttore a rischi di rotture, fermi macchina o ritardi nella produzione.
Predire l’usura
Risulta necessario sviluppare una metodologia in grado di predire l’evoluzione dell’usura delle superfici. Prevedendo la presenza di solchi e la propria profondità nella formatura della lamiera è possibile andare a controllare il processo in modo intelligente. Avere una stima puntuale e precisa dell’evoluzione del fenomeno permette di anticipare scelte produttive, riducendo il rischio di dover scartare componenti non conformi o, ancora peggio, evitando di creare componenti difettosi destinati a rompersi anzitempo.
Attualmente sono presenti sia modelli statistici che empirici per riuscire a spiegare il problema. Tuttavia, questi studi si focalizzano sull’evoluzione macroscopica del problema, senza riuscire a dettagliare l’evoluzione più microscopica della morfologia della lamiera nel processo di formatura. La soluzione proposta dagli autori dello studio è quella di definire una metodologia, basata sull’intelligenza artificiale, in grado di predire l’evoluzione dei danni da usura su una lamiera soggetta a contatto di scorrimento. Per addestrare, verificare e validare questo modello sono stati utilizzati i risultati di esperimenti appositamente pianificati.
La sperimentazione
Il setup sperimentale, mostrato in Figura 1, si basa sul test di usura dovuto al contatto tra una sfera e un disco di lamiera. Questo serve a simulare il possibile effetto di interazione tra il componente stampato e un punzone o una matrice nel processo di formatura della lamiera. In questo test la sfera scorre rispetto alla lamiera per una lunghezza di circa 10 mm. Le forze normali e tangenziali rispetto alla superficie sono misurate da una cella di carico che permette quindi anche di stimare istantaneamente il coefficiente di attrito. Il materiale utilizzato per la lamiera è un acciaio ad alta resistenza QP980, tipicamente utilizzato per i pannelli della carrozzeria delle auto. La sfera è invece in acciaio con alto contenuto di carbonio e cromo GCr15. Dopo ogni test sono state misurate le zone di scorrimento tramite un microscopio digitale Olympus. La morfologia 3D (come mostrato in Figura 2) può essere misurata per definire la profondità massima del solco e la sua posizione.
Fonte: Li, W., Zhang, L., Chen, X., Wu, C., Cui, Z., & Niu, C. (2020). Predicting the evolution of sheet metal surface scratching by the technique of Artificial Intelligence. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 112(3-4), 853–865. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06394-4
A cura di Stefano Grulli
