Dai nuovi materiali “intelligenti” e “smart”, ai componenti in CFRP, passando per l’integrazione funzionale e l’ottimizzazione strutturale.
Maggiore produttività e miglioramento nelle prestazioni: è ciò che richiede oggi il mercato delle macchine utensili. Sono molteplici, in questo contesto, gli approcci e le soluzioni possibili: se da un lato si ha la possibilità di ridurre i tempi di fermo mediante gestione avanzata di manutenzione e diagnostica, dall’altro si può intervenire sui parametri di processo. Occorrono, di conseguenza, componenti con proprietà specifiche quali, ad esempio, un elevato rapporto resistenza/peso, elevata affidabilità, costo contenuto, buona reperibilità. I componenti in materiale composito (CFRP – Carbon Fiber-Reinforced Polymers), ad esempio, si caratterizzano per un modulo di resistenza specifico più elevato rispetto ai materiali da costruzione tradizionali. Questa caratteristica, insieme all’elevata capacità di assorbimento di energia (correlata allo smorzamento interno delle matrici polimeriche), ben maggiore rispetto ai metalli, consente ulteriori benefici progettuali per il miglioramento di alcune prestazioni delle macchine utensili. I componenti in CFRP, in effetti, possiedono caratteristiche in grado di soddisfare molti dei requisiti di progetto e sono in grado, come dimostrato da esempi applicativi, di introdurre benefici al comportamento dinamico delle macchine e alla loro precisione.
La combinazione di componenti in CFRP con altri elementi, ovvero la realizzazione di strutture ibride, consente ulteriori possibilità di miglioramento progettuale. In particolare, sfruttando le potenzialità di diversi materiali, si può produrre un design particolarmente alleggerito e ottimizzato. Il rovescio della medaglia consiste nella presenza di alcuni limiti e criticità, ad esempio legati alla integrazione di componenti in CFRP fra loro e con altri materiali. Questi passaggi richiedono in genere processi di fabbricazione complessi e poco modificabili su scala industriale. Inoltre, data la varietà di requisiti geometrici e meccanici dei componenti di macchine utensili, si rendono necessarie soluzioni innovative, facilmente adattabili, in grado di sfruttare al meglio i vantaggi dei componenti CFRP. In questo modo si può produrre, ad esempio, un miglioramento del comportamento dinamico, un aumento della resistenza specifica, una riduzione delle masse e un abbattimento dei costi di produzione.
La struttura di una macchina utensile
Il telaio di una macchina utensile è una struttura funzionale essenziale per l’intero sistema. Le funzioni del telaio sono molteplici: assicurare una corretta configurazione geometrica degli elementi della macchina, reagire correttamente a carichi statici, dinamici e termici. Per quanto concerne la precisione del pezzo lavorato, la struttura della macchina utensile deve essere in grado di assorbire eventuali forze e coppie di disturbo. La Figura 1 mostra la configurazione della struttura di un centro di lavoro, evidenziandone i componenti principali.
Il comportamento meccanico e termico della struttura di una macchina utensile dipende dalle proprietà dei suoi materiali (fra cui modulo di Young, modulo di taglio, resistenza alla flessione e trazione, smorzamento interno, densità, conducibilità e capacità termica, coefficiente di dilatazione termica…), dalle dimensioni dei componenti strutturali, dalle modalità di assemblaggio e collegamento fra i componenti (collegamenti filettati, collegamenti forzati, saldature…).
I telai delle attuali macchine utensili impiegano una grande varietà di materiali, con prevalenza per i metalli (acciaio, ghisa e alluminio), i polimeri e, appunto, i compositi. Le soluzioni costruttive più recenti rendono possibile combinare sia materiali diversi (strutture ibride), sia materiali finora poco utilizzati, come i compositi. I materiali innovativi, inoltre, possono acquisire funzionalità nuove grazie alla loro ingegnerizzazione e diventare materiali “intelligenti” o “smart”, ad esempio, integrando al loro interno sensori o attuatori. Queste caratteristiche hanno il grande vantaggio di semplificare le complesse architetture elettroniche di diagnostica, fornendo in modo semplice un feedback o un’azione meccanica localizzata nello specifico componente. Con queste possibilità sarà possibile incrementare nel futuro prossimo le prestazioni delle macchine utensili e quindi soddisfare i requisiti di mercato in termini di elevate prestazioni, produttività, qualità, precisione ed efficienza.
