Nel progetto AI-SLAM, i ricercatori del Fraunhofer Institut stanno dimostrando che i processi di rivestimento e riparazione degli stampi per pressofusione possono essere automatizzati utilizzando sensori e intelligenza artificiale.
Nel progetto AI-SLAM, i ricercatori del Fraunhofer ILT, in collaborazione con partner internazionali, stanno dimostrando che i processi di rivestimento e di riparazione degli stampi per pressofusione possono essere automatizzati utilizzando sensori e intelligenza artificiale.
La produzione e la manutenzione professionale degli stampi per pressofusione sono fondamentali per l’industria della fonderia: essendo tra i beni più costosi, questi stampi svolgono un ruolo decisivo nel determinare qualità, efficienza e redditività. Anche quando sono progettati in modo ottimale e realizzati con cura, l’usura è un fattore inevitabile che prima o poi comporta la necessità di sostituire gli stampi con costi notevoli. Inoltre ogni problema a uno stampo comporta tempi di fermo produzione, tempi di setup aggiuntivi e, talvolta, la necessità per il produttore di realizzare nuovi inserti o persino interi stampi. Allo stesso tempo, i produttori sono sottoposti a una pressione crescente per produrre e gestire gli stampi in modo economicamente vantaggioso e sostenibile. “In un settore in cui ogni minuto di produzione conta, abbiamo bisogno di processi in grado di prolungare il ciclo di vita degli utensili, ridurre i tempi di inattività e ottimizzare i processi produttivi dal punto di vista ambientale”, spiega Thomas Schopphoven, responsabile del Dipartimento di Deposizione Laser di Materiali presso il Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT di Aquisgrana, in Germania.
Gli approcci tradizionali, che comunemente utilizzano acciai per utensili ad alta lega, stanno raggiungendo i loro limiti fisici. Una maggiore durezza e resistenza all’usura spesso implicano processi complessi, tempi di consegna lunghi e costi elevati delle materie prime. Oltre alle considerazioni sulla durata utile, aumentano anche le richieste di flessibilità nella produzione di utensili: le modifiche al prodotto richiedono regolarmente cambiamenti agli inserti dello stampo, ai sistemi di iniezione e ai sistemi di raffreddamento, il che pone ulteriori sfide per i costruttori di utensili.
Bisogna trovare delle nuove soluzioni. Tecnologie di produzione innovative come la deposizione laser di materiale (LMD) consentono agli utenti di riparare gli utensili, rivestire selettivamente le aree soggette a sollecitazioni particolarmente elevate e adattare in modo flessibile le geometrie attraverso approcci di produzione additiva ibrida. In questo modo, gli stampi possono essere utilizzati più a lungo, adattati più rapidamente e gestiti in modo più efficiente in termini di risorse. In un momento in cui l’economia circolare sta acquisendo sempre maggiore importanza nella produzione di utensili industriali, questa tecnologia offre un enorme potenziale per il futuro.
Il progetto AI-SLAM, realizzato dai ricercatori del Fraunhofer ILT, in collaborazione con partner internazionali, mira ad automatizzare i processi di manutenzione e riparazione con l’intelligenza artificiale.
Deposizione laser di materiale e EHLA
La deposizione laser di materiale (LMD), spesso chiamata laser cladding, è un processo di stampa 3D ampiamente utilizzato nell’industria in numerosi settori, come per esempio per la riparazione di componenti di turbomacchine o per il rivestimento di rulli e cilindri. Un raggio laser crea un bagno di fusione di dimensioni precisamente regolabili sulla superficie di un pezzo, mentre la polvere metallica viene alimentata simultaneamente in questo bagno di fusione. Grazie al controllo preciso dei percorsi, il materiale viene depositato localmente, strato per strato, consentendo non solo di ricostruire le aree usurate, ma anche di creare nuove geometrie funzionali. La caratteristica chiave risiede nell’elevato livello di controllo del processo: i parametri del laser, l’alimentazione della polvere e la velocità di avanzamento sono coordinati con precisione in modo da ridurre al minimo l’apporto di calore e le sollecitazioni termiche.
Un ulteriore sviluppo di questo processo è la pluripremiata deposizione laser di materiale ad altissima velocità (EHLA), sviluppata da Schopphoven diversi anni fa presso il Fraunhofer ILT: “Mentre la deposizione laser convenzionale (LMD) è utilizzata principalmente per strati più spessi, nell’ordine dei millimetri, l’EHLA consente la produzione di rivestimenti molto sottili e resistenti all’usura, con spessori a partire da circa 30 µm”. Il vantaggio decisivo risiede nella precisione e nell’efficienza: l’EHLA permette di lavorare anche combinazioni di materiali difficili da saldare, come acciai per utensili altolegati o carburi cementati, migliorando l’affidabilità del processo e mantenendo bassi i consumi energetici. Grazie all’integrazione in macchine CNC a 5 assi, la tecnologia può essere utilizzata per rivestimenti e piccole riparazioni, ma anche per la produzione additiva. È possibile realizzare geometrie complesse a forma libera su semilavorati con elevata precisione. La tecnologia combina le capacità dei settori della produzione, del rivestimento e della riparazione in un unico processo utilizzabile sia per la produzione di nuovi utensili che per la loro rigenerazione. Di particolare interesse per la costruzione di utensili è la possibilità di rinforzare selettivamente le zone funzionali senza dover riprogettare l’intero utensile. Il basso apporto termico consente di lavorare geometrie delicate senza distorsioni, mentre l’elevata velocità di deposizione permette di produrre su grandi superfici in modo economicamente vantaggioso.
Vantaggi per l’industria della fonderia
I vantaggi di LMD ed EHLA per l’industria della fonderia sono numerosi e vanno ben oltre il semplice prolungamento della durata degli utensili. Il processo offre chiari vantaggi economici e tecnici, in particolare per gli stampi per pressofusione esposti a forti sbalzi di temperatura e usura abrasiva. Le ricerche attuali dimostrano che il rivestimento mirato delle zone funzionali può ridurre significativamente l’usura. Nei test di usura per attrito radente, sono stati osservati miglioramenti fino a 40 volte superiori rispetto all’acciaio per utensili convenzionale, a seconda della lega e dei parametri di processo.
LMD consente inoltre un utilizzo più efficiente dei materiali. Mentre gli utensili convenzionali sono spesso realizzati interamente in costoso acciaio per utensili ad alta lega, LMD permette ai produttori di utilizzare acciaio strutturale a basso costo come substrato. Solo le aree effettivamente esposte a carichi elevati vengono rivestite con una lega dura. Questo principio di “materiale su richiesta” riduce i costi e minimizza le esigenze di lavorazione. La deposizione di materiale quasi a forma finale elimina gran parte delle operazioni di fresatura, che richiedono molto tempo, e gli stampi possono essere messi in funzione più rapidamente.
Grazie alla tecnologia LMD, gli stampi che in precedenza dovevano essere completamente sostituiti dopo la formazione di crepe o scheggiature possono ora essere rigenerati. Le aree danneggiate vengono saldate selettivamente e poi lavorate in modo che gli stampi riacquistino la loro geometria originale. Questo approccio può ridurre i costi e la dipendenza da lunghe catene di approvvigionamento per nuovi stampi. Questa flessibilità è un fattore decisivo, in particolare per gli stampi di pressofusione di grandi dimensioni e complessi che richiedono una personalizzazione.
Foto: Fraunhofer ILT, Aquisgrana, Germania.
