Stato dell’arte e novità nell’unione per clinciatura

Figura 1 – Rappresentazione del processo di unione per clinciatura in tutte le sue fasi

In questo studio si mette in evidenza come le diverse varianti del processo di clinciatura possano essere efficacemente simulate, così da ottenere interessanti analisi e risultati senza dover investire ingenti risorse e tempi nella sperimentazione di giunzioni di prova. Le odierne analisi FEM, grazie al livello di maturità raggiunto, sono un valido strumento per l’industria permettendo di determinare i parametri di processo e di anticipare le performance dei componenti così prodotti.

Dal punto di vista industriale, negli ultimi anni, è stata posta crescente attenzione al problema energetico cercando di risparmiare risorse dove possibile e di limitare le emissioni. I recenti avvenimenti storici hanno confermato l’importanza della sfida energetica con cui il mondo della manifattura si deve confrontare. È ormai diventato fondamentale ridurre i consumi aumentando l’efficienza dei processi e, dove possibile, sfruttare processi a basso consumo.

Questa necessità si va a sommare alle altre richieste dei clienti che necessitano prodotti sempre più performanti pur limitando i costi. Non meno importante è la questione di consumi ed emissioni nel ciclo vitale del prodotto. Nei settori automotive o aerospaziale ogni grammo di peso risparmiato su di un componente provocherà un risparmio energetico nella vita di esso.

Riguardo alla tematica energetica il mondo della lamiera non fa eccezione: un interessante esempio è quello relativo all’unione tra di loro di diversi fogli. Le opzioni tradizionali più diffuse sono: la saldatura, la connessione meccanica (tramite viti o rivetti) e l’incollaggio. Tutte queste tecnologie presentano alcuni limiti specifici che possono essere superati da una efficiente tecnologia alternativa: la clinciatura.

La clinciatura

La clinciatura è un processo di unione particolarmente diffuso negli ultimi anni a livello industriale. Questo processo solitamente utilizza uno stampo e un apposito punzone per deformare plasticamente a freddo i materiali da unire. Il processo (rappresentato in Figura 1) è molto simile a un semplice stampaggio.

Questo tipo di unione presenta diverse caratteristiche uniche: si tratta di un processo particolarmente semplice, soprattutto rispetto alla saldatura o alla rivettatura, inoltre non richiede complessi equipaggiamenti, così da mantenere anche i costi contenuti. La giunzione per clinciatura può essere utilizzata sia per materiali metallici, che per non-metallici o anche combinazioni di due o più strati.

Le performance della giunzione così ottenuta sono solitamente ottime poiché si tratta di un processo a freddo, in cui si riesce a ottenere una dimensione del grano fine che permette di sopportare sollecitazioni importanti.

Simulazioni FEM

Negli ultimi anni hanno guadagnato notevole diffusione le tecnologie di analisi ad elementi finiti. Esse permettono di ottenere risultati simili ai test fisici, pur risparmiando tempo, forza lavoro, energia e materiale.

Le simulazioni a elementi finiti vengono effettuate attraverso appositi software in grado di partizionare il modello in diversi elementi e studiarne le interazioni durante il processo. A seconda del modello utilizzato è possibile valutare complesse non-linearità dovute a contatti tra diversi materiali e alle loro deformazioni.

Un esempio di modello FEM per la clinciatura (mostrato in Figura 2) sviluppato tramite il software commerciale ANSYS/LS-DYNA permette di approfondire l’effetto dei parametri di processo sul componente finito. Questi strumenti risultano interessanti appunto perché consentono di effettuare diverse prove virtuali, abbattendo così gli oneri altrimenti necessari.

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Figura 2 – Esempio di modello ad Elementi Finiti (FEM) per la clinciatura tramite stampo fisso

La clinciatura è disponibile industrialmente in diverse varianti: circolare o rettangolare, con stampi fissi o estendibili o in diverse combinazioni di materiali. Negli anni i ricercatori hanno avuto modo di mettere a punto diversi modelli in grado di studiare e simulare le diverse varianti del processo, così da riuscire, praticamente in ogni situazione, ad utilizzare le tecnologie digitali a supporto della produzione.

Qualità del giunto

A livello industriale diventa fondamentale valutare la qualità delle giunzioni; infatti esse devono essere in grado di sopportare le sollecitazioni previste e durare a lungo nel tempo. Sono diversi i fattori di processo che influenzano la qualità del giunto e numerosi sono anche gli studi che vanno a mostrare come essi impattino sul risultato finale. Molto importante è il posizionamento delle lamiere sugli stampi per evitare di creare giunzioni in posizioni non ottimali.

Diversi ricercatori hanno invece concentrato gli studi sulla scelta dei parametri geometrici di punzone e stampo. Dimensioni, giochi, angoli e smussi sono da combinare attentamente per ottenere risultati di processo ottimali. Non meno importanti sono i parametri fisici come, ad esempio, velocità del punzone, forza del premilamiera e spessore della parte inferiore del giunto.

Grazie alle analisi ad elementi finiti è infatti possibile studiare diverse combinazioni di parametri, valutando i risultati sul componente finale e prevedendo dettagliatamente quello che altrimenti richiederebbe analisi onerose sia per tempistiche che per costi.

Valutazione dei giunti

Dopo aver analizzato la producibilità dei giunti è importante anche studiare le performance e la qualità di essi. Solitamente gli studi sulle rotture dei giunti ottenuti per clinciatura si basano su test a trazione o sulla resistenza a fatica. Anche per questo esistono adeguate simulazioni ad elementi finiti in grado di stimare, supportati da esperimenti fisici, la resistenza dei componenti finali.

In Figura 3 viene mostrata una simulazione di rottura di un giunto prodotto per clinciatura utilizzando il software commerciale ABAQUS. Per questo scopo possono essere utilizzate metodologie di simulazione inverse: i parametri vengono ricavati da esperimenti reali a cui viene adeguato il modello FEM. Questi parametri sono ricavati su rotture di giunti semplici, ma il modello può poi essere applicato in situazioni più complesse. Interessante è anche investigare le rotture a fatica dei giunti clinciati e anche in questo caso le simulazioni FEM risultano preziose.

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Figura 3 – Esempio di simulazione FEM di test a trazione di un giunto clinciato

I risultati delle ricerche relative alle rotture a fatica sono in grado di identificare le zone più critiche delle giunzioni e permettono di dimostrare l’importanza di effettuare lavorazioni a freddo per ottenere prestazioni elevate.

Le novità

La clinciatura è un processo utilizzato già dagli anni Ottanta, quindi si potrebbe pensare che sia ormai ampiamente diffuso e consolidato. Tuttavia diversi studi sono in atto per testare e validare interessanti varianti del processo. Un’alternativa è quella della clinciatura senza stampo dove il punzone lavora su una contro-superficie piana offrendo interessanti vantaggi in alcune condizioni. In questi casi la semplificazione dello stampo porta ad un risparmio di risorse che può risultare significativo.

Un’altra variante è quella della clinciatura piana: in questo caso viene mantenuta inalterata la superficie esterna di una delle lamiere, così da preservare l’estetica evitando protrusioni da entrambi i lati. A livello accademico sono sotto studio anche soluzioni che combinano la clinciatura con il “Friction Stir Welding” ovvero una saldatura per attrito, così da offrire vantaggi in alcune condizioni particolari. Come mostrato dai ricercatori i campi di applicazione delle simulazioni ad elementi finiti sono molteplici.

Le diverse varianti del processo di clinciatura possono essere efficacemente simulate, così da ottenere interessanti analisi e risultati senza dover investire ingenti risorse e tempi nella sperimentazione di giunzioni di prova. Le odierne analisi FEM, grazie al livello di maturità raggiunto, sono un valido strumento per l’industria permettendo di determinare i parametri di processo e di anticipare le performance dei componenti così prodotti.

Inoltre la ricerca continua ad approfondire il tema dell’unione per clinciatura, dato il crescente interesse in settori come l’automotive, l’aerospazio e quello degli apparecchi domestici.

A cura di Stefano Grulli

Fonte: Zhang, Y., Xu, H., Peng, R., Lu, Y., & Zhu, L. (2021). The state of the Art of Finite Element Analysis in mechanical clinching. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. https://doi.org/10.1007/s40684-021-00366-z