Ottimizzare i parametri di processo per la produzione di componenti speciali

L’ottimizzazione dei processi, soprattutto a livello aziendale, assume sempre di più un ruolo chiave. Oggi non è più possibile, per la maggior parte dei settori, tollerare scarti e costi non giustificati, diventa quindi obbligatorio lavorare continuamente per migliorare le performance e ridurre i costi, andando a cercare e risolvere le inefficienze. L’ottimizzazione di tutti i processi, compreso quello produttivo, rispecchia un duplice vantaggio: per il fornitore, che è in grado di produrre meglio spendendo meno e per il cliente che ottiene prodotti di maggiore qualità in tempi rapidi. Nei processi industriali, secondo i moderni paradigmi, l’ottimizzazione è vista come processo di miglioramento continuo. È quindi importante lavorare ininterrottamente all’analisi e al superamento delle inefficienze.

L’ottimizzazione può essere affrontata da diversi punti di vista, ad esempio, in campo produttivo, gestionale o progettuale. In ogni caso è importante seguire metodologie strutturate e rigorose, così da raggiungere risultati solidi e affidabili.

L’idroformatura

Nel mondo della lamiera il processo di idroformatura genera un crescente interesse, soprattutto nell’ industria automotive e aerospaziale. I vantaggi sono diversi rispetto alle tecnologie di formatura tradizionali, ad esempio, incremento della formabilità della lamiera, miglior qualità superficiale, accuratezza dimensionale superiore e ridotto ritorno elastico. Tutto ciò insieme alla possibilità di creare geometrie complesse. Negli ultimi anni diverse metodologie per l’idroformatura sono state proposte, un esempio è l’imbutitura idromeccanica (Figura 1). In questo processo il punzone deforma la lamiera, trasformandola nella sua forma finale, agendo contro un fluido a pressione controllata. Operando in questo modo il processo è molto controllabile e la qualità dei prodotti ottenibili è piuttosto elevata.

Componenti conici

L’imbutitura di componenti conici presenta ulteriori sfide rispetto alla formatura dei più semplici componenti cilindrici. Infatti i componenti conici, prodotti tramite i metodi tradizionali di formatura, presentano diversi problemi dovuti ad una piccola regione di contatto tra punzone e lamiera.

Questo provoca importanti sforzi localizzati in un’area e, conseguentemente, un’elevata probabilità di rompere la lamiera. Inoltre, con le tecnologie tradizionali, è possibile anche che si formino grinze per mancanza di vincoli. Questi motivi solitamente spingono ad utilizzare processi alternativi a passi, rotativi, oppure l’idroformatura, che permette di realizzare componenti di ottima qualità, superando i problemi citati precedentemente.

Per quanto riguarda l’idroformatura di componenti conici la letteratura scientifica non presenta alcuno studio comprensivo in grado di fornire una visione sistematica del problema. L’obiettivo degli autori della ricerca è proprio quello di creare uno studio completo, sviluppando una sperimentazione specifica con l’obiettivo di ottimizzare i parametri di processo e definire una linea guida per ottenere risultati di qualità.

La sperimentazione

Gli autori della ricerca hanno quindi definito un componente sperimentale conico da realizzare ed analizzare. Le geometrie di questo componente (Figura 2a) mostrano un angolo di 120°. Il punto di partenza è una lamiera circolare, in rame puro al 99,9 %, di diametro di 70 mm e spessa 2 mm. Anche in questo caso, come spesso avviene per le campagne sperimentali, è stato sviluppato un modello ad elementi finiti (FEM) utilizzando il software commerciale Abaqus.

L’obiettivo di questa simulazione virtuale è quello di sviluppare un’analisi dettagliata del processo di formatura. È stato comunque scelto dagli autori di confrontare i risultati teorici con la creazione di componenti fisici tramite l’utilizzo di un macchinario sperimentale (Figura 2c).

Figura 2 – Il componente studiato (a), definizione delle quattro zone del componente conico (b) e il macchinario utilizzato per la sperimentazione (c).

Design of Experiment

Per riuscire ad ottenere risultati significativi ed assicurarsi un processo realmente ottimizzato è fondamentale procedere con attenzione e rigore, in modo da non lasciare nulla “al caso”. In questo modo è possibile avere risultati solidi, interessanti e talvolta anche inaspettati. Esistono delle tecniche statistiche per la progettazione degli esperimenti (chiamate in inglese “Design of Experiments” o DoE) molto utilizzate in ambito scientifico e industriale.

Negli ultimi anni risultano particolarmente diffuse le metodologie sviluppate dall’ingegnere giapponese Taguchi. Per applicare tali tecniche, gli autori dello studio hanno identificato, per il processo di idroformatura, i principali parametri controllabili in gioco (pressione, coefficiente di attrito, raggio della matrice e forza del premilamiera) e diversi livelli di essi.

Il risultato è una combinazione di parametri e livelli che dovranno essere sperimentati. Gli esiti di tutti gli esperimenti sono poi stati valutati in modo da minimizzare la variazione di spessore della lamiera. Infatti, l’obiettivo dello studio è quello di minimizzare gli effetti indesiderati e produrre così componenti di buona qualità che non debbano essere scartati.

Negli esperimenti svolti con la metodologia di Taguchi viene solitamente utilizzato il rapporto segnale-rumore come indicatore di robustezza. Questo rapporto è in grado di mostrare la variazione di un singolo parametro sul risultato indipendentemente dall’effetto degli altri.

Risultati

Gli autori hanno innanzitutto confrontato il modello virtuale ad elementi finiti con i componenti idroformati ed hanno confermato una buona accuratezza delle simulazioni. Inoltre, per meglio investigare l’effetto dei parametri controllabili di processo, sono state individuate quattro diverse zone di test sul componente (Figura 2b). La zona A è sulla punta del cono, la zona B è sulla parete inclinata, la zona C è sul raccordo laterale ed infine la zona D è sulla parete laterale. L’assottigliamento della lamiera infatti è un fenomeno indesiderato che deve essere evitato in tutte le zone del componente. La zona più delicata per la creazione di un componente conico è chiaramente quella della punta del cono. In questa zona è possibile notare dai risultati che il coefficiente d’attrito è il parametro più importante. La pressione rimane una scelta di fondamentale importanza per tutte le zone studiate, mentre il raggio di raccordo della matrice è importante soprattutto per ottenere una buona qualità della zona D. Invece, il parametro di forza del premilamiera ha un effetto praticamente trascurabile in tutte le zone, tuttavia non è possibile eliminare tale componente per evitare altri difetti come, ad esempio, le grinze.

Componente ottimizzato

Lo svolgimento di questa ricerca permette quindi di definire il set di parametri ottimale per la produzione, così da ridurre gli effetti indesiderati di assottigliamento della lamieraInoltre, tramite un’attenta analisi dei risultati, è anche possibile approfondire la conoscenza del processo che sicuramente diventerà preziosa per il futuro. Risulta sicuramente interessante, oltre al risultato di ottimizzazione del processo specifico, anche la procedura utilizzata dai ricercatori. Questa metodologia strutturata permette di muoversi in diversi ambiti ancora incerti, procedendo in maniera cauta e utilizzando la statistica come supporto per trarre le conclusioni. Le procedure di progettazione e analisi degli esperimenti non sono tecniche esclusive per il mondo della ricerca, ma possono essere validi alleati anche nel mondo dell’industria.

di Stefano Grulli

Fonte: Safari, M., & Joudaki, J. (2020). Process parameters selection in manufacturing of sharp conical parts based on Taguchi design of experiments. Sādhanā, 45(1). doi:10.1007/s12046-020-01371-9

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Source: Stampi
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