Archives Dicembre 2019

Tecnologia modulare che riduce gli scarti di micro lenti

Tecnologia modulare che riduce gli scarti di micro lenti

Sistema di stampa ad iniezione per micro lenti ottiche Credit: Instituto IPT

La produzione di micro lenti ottiche ha già dimostrato di avere un enorme potenziale nell’industria delle telecomunicazioni dei beni di consumo massivo, dove le ottiche di plastica con un diametro di pochi millimetri sono utilizzate come obiettivi per fotocamere nei telefoni cellulari.

La produzione in serie di questi oggetti ad alta precisione ha dei limiti tecnici. Uno di questi è l’alto tasso di scarto che spesso raggiunge il 40%. L’Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione IPT di Aquisgrana, insieme ai suoi partner di progetto Innolite GmbH e Polyoptics GmbH, ha sviluppato un nuovo metodo di produzione per costruire in modo modulare i sistemi di micro lenti ottiche con lunghezze focali diverse.

Il progetto di ricerca “HiTecMass”

In questo tipo di sistemi ottici le più piccole imperfezioni comportano forti deviazioni funzionali nel prodotto finale. Questo effetto diventa più pronunciato quanto più piccola è la lente. Per i sistemi micro-ottici, quindi, è indispensabile una produzione ad alta precisione dei singoli componenti, nonché un allineamento e un montaggio finale che coincidano alla perfezione.

Con la produzione di massa, i costi di investimento aumentano rapidamente e spesso sono assorbiti minimizzando i costi di produzione, attraverso lo spostamento della produzione in paesi a basso salario come la Cina. Ed é esattamente qui che inizia il progetto di ricerca “HiTecMass”.

Lo sviluppo di questo procedimento abbina il sistema di produzione delle micro lenti con la stampa ad iniezione e l’assemblaggio attraverso sensori ad alta precisione. Con l’aiuto del cosiddetto “metodo di adattamento della tolleranza”, le lenti possono essere combinate tra loro in modo tale che le deviazioni di tolleranza delle singole ottiche risultanti dal processo di stampa ad iniezione si compensino reciprocamente.

Quali vantaggi?

Il nuovo schema di processo produttivo, quindi, non solo migliora la qualità del prodotto, ma riduce anche il tasso di scarto menzionato all’inizio. Allo stesso tempo, i costi di investimento per la produzione di sistemi micro-ottici sono tali che permettono di evitare lo spostamento della produzione in paesi a basso salario, in altre parole, un vantaggio occupazionale e fiscale per il paese in cui risiede la fabbrica.

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Mercato produttori di macchinari per la plastica e la gomma

Mercato produttori di macchinari per la plastica e la gomma

L’analisi delle statistiche del commercio estero del Centro Studi Amaplast pubblicate dall’Istat ha mostrato un nuovo calo, anche se meno marcato rispetto ai mesi precedenti, delle importazioni e delle esportazioni italiane di macchinari per la plastica e la gomma.

Confrontando i primi sei mesi del 2018, le importazioni nel periodo gennaio-giugno 2019 hanno riportato una riduzione di circa il 17% (-20% a marzo), mentre le esportazioni hanno subito un rallentamento di circa il 5% (-8% a marzo).

Tra le cause, la contrazione degli scambi con la Germania, principale e storico partner commerciale italiano per i macchinari dedicati alla plastica e alla gomma: la fornitura di impianti di produzione italiani alle società di trasformazione tedesche ha subito un crollo del 26% e l’acquisto di tecnologia tedesca da parte delle società italiane è diminuito di un terzo.

Complessivamente, nel periodo di riferimento, le imprese di trasformazione italiane hanno importato meno macchinari dai loro principali fornitori europei – Germania, Austria, Francia e Svizzera – a beneficio dei fornitori asiatici, soprattutto Cina e Giappone, anche se in misura minore in termini di valore totale.

Considerando le macro aree di mercato, l’Europa si attesta quale maggiore mercato di esportazione, nonostante un calo della quota di mercato, a seguito di una riduzione del valore complessivo di circa il 9%. Il secondo posto se lo è aggiudicato il NAFTA, sebbene con risultati meno incoraggianti (+ 1%) rispetto allo scorso anno, mentre le vendite agli Stati Uniti hanno continuato a crescere (+ 15%). Nell’insieme, le esportazioni verso il Sud America sono diminuite (-6%), anche se i mercati più importanti mostrano segnali di ripresa.

Segnali d’allarme

In un contesto di instabilità, influenzato negativamente da un clima di turbolenza politica ed economica, le opinioni raccolte dalle società che operano nel settore della plastica e della gomma hanno rivelato una prospettiva meno che ottimista, soprattutto per la preoccupante tendenza al rinvio o alla riduzione degli ordini da parte dei clienti.

https://www.machinesitalia.org/news/doubts-and-hopes-italian-manufacturers-plastics-and-rubber-processing-machinery

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Resistenza e tenacità per un aumento della potenza nei componenti in acciaio

Resistenza e tenacità per un aumento della potenza nei componenti in acciaio

Un aumento della densità di potenza nelle trasmissioni meccaniche in acciaio comporta una maggiore durata e permette ai sistemi esistenti di trasmettere i carichi maggiori o ridurne ingombri e pesi. Dopo decenni di lavoro che hanno permesso di migliorare significativamente la qualità degli ingranaggi agendo su finiture superficiali e micro-geometrie, i trend si stanno rivolgendo al miglioramento della composizione chimica con nuovi materiali aventi purezze molto elevate.

Obiettivo: migliori performance dell’acciaio

Gli acciai cementati sono spesso la migliore scelta per la produzione di trasmissioni ad ingranaggi grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche. Hanno un contenuto di carbonio contenuto, tipicamente tra 0.1 e 0.2 wt%. La superficie cementata contiene carbonio in percentuali fino allo 0.85 – 1 wt%. Il carbonio è diffuso in modo omogeneo e permette di avere un gradiente tra la superficie ed il cuore. Il gradiente può essere controllato attraverso i trattamenti termici garantendo profili adeguati per ogni tipo di applicazione. Su un materiale, se opportunamente temprato, la cementazione permette di arrivare ad una superficie molto resistente a flessione, fatica da contatto e fenomeni di usura. Il contenuto di carbonio tra lo 0.1 e lo 0.2 wt% che si ha a cuore permette una buona resistenza a fatica da flessione e fatture da sovraccarico.

Il gradiente nel contenuto di carbonio gioca un ruolo importante anche nell’evoluzione degli sforzi residui durante il trattamento termico. Di conseguenza si viene a generare uno sforzo residuo di compressione in prossimità della superficie aumentando ulteriormente le performance a fatica. All’aumentare del contenuto di carbonio la temperatura alla quale la martensite si forma tende a decrescere. Per ogni incremento del contenuto di carbonio pari a 0.1 wt%, si ha una riduzione della temperatura di formazione della martensite di approssimativamente 50°F [1]. di conseguenza durante la tempra di un acciaio cementato si ha trasformazione della sola superficie. La formazione della martensite a partire dall’austenite porta ad un aumento del volume compreso tra l’1 ed il 4% [2][3]. Quando si ha una trasformazione iniziale del cuore a basso contenuto di carbonio la austenite in superficie è in grado di adattarsi all’espansione attraverso deformazioni plastiche. Solo successivamente questa viene a trasformarsi in martensite ed indurirsi. A cuore quindi non si hanno deformazioni plastiche ed incrudimento. L’espansione volumetrica della superficie risulta nella formazione di sforzi residui di compressione. Al fine di ottimizzare tali sforzi è importante avere un gradiente di carbonio che permetta la giusta trasformazione da austenite in martensite.

All’aumentare del contenuto di carbonio una volta che il materiale è stato indurito si ha una maggiore resistenza ma anche un decremento della tenacità. Questi fattori in competizione tra loro creano una sfida per il progettista. Al fine di migliorare le performance degli ingranaggi è importante avere sia buoni livelli di tenacità che sforzi residui di compressione. Il contenuto di carbonio a cuore ha l’impatto maggiore sulla resistenza ed è quindi quello su cui lavorare per primo per migliorare le performance dell’ingranaggio. Un uso attento degli elementi di lega è fondamentale per aumentare la tenacità a cuore. Bisogna anche considerare l’impatto del contenuto di carbonio sugli sforzi residui. L’aumento del carbonio porta ad un decremento degli sforzi residui di compressione. La chiave è quindi aumentare il contenuto di carbonio fino a quando i benefici in termini di aumento della resistenza non vengano azzerati da una riduzione degli sforzi residui che si possono ottenere.
Tabelle 1 e 3 mostrano le proprietà meccaniche nominali di acciai per ingranaggi esistenti. Il valore di snervamento è collegato alla nucleazione della cricca mentre la durezza ed il valore di rottura sono correlati alla propagazione delle cricche. Le ultime 2 colonne mostrano i valori di fatica stimati come il 50% del valore di rottura ed in funzione della durezza rockwell C [4]. Le prove Charpy mostrano una correlazione bassa. Se valori relativi a prove di fatica flessionale sono disponibili, anche questi sono riportati nella tabella. In ogni caso i valori in rosso sono calcolati utilizzando le equazioni riportate in fondo ad ogni colonna.

Tabella 1 mostra le proprietà nominali di alcuni acciai da cementazione per ingranaggi una volta temprati tra 300 e 500°F. Resistenza energia di impatto Charpy e resistenza a fatica sono differenti ma i valori nominali di snervamento (130 KSI), rottura (175 KSI) e limite di fatica (80 KSI) sono quelli caratteristici per questa classe di materiali. Valori Charpy tra 15 e 65 ft-lbf sono inversamente correlati alla resistenza. Ai valori nominali di resistenza l’energia d’impatto è pari a 30 ft-lbf.

Tabella 2 mostra le proprietà nominali di alcune leghe speciali per uso militare o aeronautico che possono operare anche in condizioni di assenza di lubrificazione. In questi casi la necessità di utilizzo anche in assenza di lubrificante con le conseguenti alte temperature di esercizio richiede elevate durezze superficiali resistenze a cuore e tenacità. Le performance di questi materiali sono impressionanti ma anche il prezzo è molto alto. I rimanenti acciai descritti in questo articolo, a che includono anche il nuovo acciaio ultraresistente ad elevata tenacità hanno invece prezzi molto più contenuti.

Tabella 3 mostra le proprietà nominali dell’acciaio ultraresistente temprato a 400°F. Per questo acciaio il contenuto di carbonio è compreso tra lo 0.24 e lo 0.34 wt%. Il livello di carbonio cade nel range previsto dalle direttive sulla cementazione per ottenere una buona distribuzione di sforzi residui ed aumentare al contempo le proprietà elastiche e a fatica nel cuore. I valori nominali di snervamento e rottura sono indicativamente pari a 180 e 230 KSI. Il limite di fatica è pari a 115 KSI. Per questo acciaio un aumento della resistenza sia a discapito della tenacità che si riduce al range 20 – 35 ft-lbf. Se la resistenza e le proprietà a fatica sono aumentate rispetto agli acciai tradizionali (come mostrato in Tabella 1), la tenacità e inferiore agli acciai tipicamente utilizzati.

Il passaggio da un acciaio cementato tradizionale a nuove leghe è un processo che richiede tempo e risorse. Al fine di giustificare cambiamento è importante avere un aumento delle proprietà elastiche pari ad almeno il 25 per 100 in combinazione con un aumento altrettanto elevato nella tenacità. I valori minimi richiesti risultano quindi:
• 180 KSI YS,
• 220 KSI UTS,
• 110 KSI limite di fatica
• 40 ft-lbf Charpy

Pubblicazioni precedenti hanno descritto come un miglioramento della purezza degli acciai permetta un aumento delle performance anche per gli ingranaggi [5]. Queste tecnologie offrono soluzioni interessanti per applicazioni critiche ad elevata densità di potenza. Le tecnologie per ottenere e valutare acciai puri sono molte e vanno dalle tecniche produttive come la fusione ad arco alle tecniche di indagine come la scansione al microscopio elettronico (SEM). In questo modo è possibile avere acciai certificati che permettono un aumento delle prestazioni del sistema.

 

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