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Incisione e texturing laser su superfici complesse free-form

1. Esempio di lavorazione di deep-engraving su superfici piane. 1. Esempio di lavorazione di deep-engraving su superfici piane.

Il team laser di C.B.Ferrari ha conseguito in breve tempo risultati importanti, in particolare nelle applicazioni di incisione e texturing su superfici complesse free-form per il settore automotive, aerospace e stampi, lavorate a cinque assi meccanici e tre assi ottici; proprio le macchine laser sono considerate uno degli elementi strategici per lo sviluppo futuro dell’azienda.

di Gabriele Cuccolini, Mattia Franzoni, Federico Grossrubatscher, Fabio Pasquarelli, Massimo Scalabrini.

Febbraio-Marzo 2017

Fondata nel 1966, C.B.Ferrari ha compiuto quest’anno 50 anni di attività, caratterizzati da continue sfide volte alla costante ricerca di innovazione, altissima precisione e massime prestazioni dei propri prodotti. Nata nel mondo delle macchine per stampi, C.B.Ferrari ha perfezionato la propria offerta in questo settore con modelli di macchine a 5 assi oggi particolarmente apprezzate dai produttori di stampi per automotive, elettrodomestici, bottiglie e accessori per il settore della moda; in parallelo a questo settore strategico, C.B.Ferrari ha progressivamente diversificato la propria offerta con sistemi chiavi in mano per la lavorazione delle pale di turbina per applicazioni avio e energia, soluzioni dedicate al settore medicale e macchine per lavorare utensili, elettrodi, componenti di macchine per imballaggio e parti di meccanica di precisione.
Dopo una fase pionieristica di ricerca su processi di marcatura e deep-engraving su superfici piane iniziata nel 2004 (Figura 1), C.B.Ferrari crea una divisione dedicata per la produzione di macchine a tecnologia laser per l’incisione, il taglio, la saldatura e la foratura di componenti metallici. Sfruttando l’esperienza maturata dall’azienda con lo sviluppo e la realizzazione di macchine utensili, e grazie le sinergie tecniche e produttive con le altre divisioni, il team laser di C.B.Ferrari ha conseguito in breve tempo risultati importanti, in particolare nelle applicazioni di incisione e texturing su superfici complesse free-form per il settore automotive, aerospace e stampi, lavorate a cinque assi meccanici e tre assi ottici; proprio le macchine laser sono considerate uno degli elementi strategici per lo sviluppo futuro dell’azienda.
C.B.Ferrari opera oggi con due stabilimenti produttivi in Italia (Mornago e Modena), all’interno dei quali 170 dipendenti qualificati, forti di una lunga tradizione nel settore della meccanica di precisione, progettano e producono tutte le parti principali delle proprie macchine (compresi elettromandrini e tavole girevoli), realizzando internamente non solo le lavorazioni meccaniche ma anche quei processi, quali i trattamenti termici e la verniciatura, indispensabili per garantire la qualità e l’affidabilità nel tempo dei propri prodotti.
C.B.Ferrari si propone da sempre ai propri clienti con un servizio di consulenza completo, che comprende tra l’altro, ma non solo, assistenza pre e post vendita, pacchetti software CAM e di simulazione proprietari, realizzazione di progetti chiavi in mano, dimostrazioni, studio e ottimizzazione dei cicli produttivi, corsi di formazione, studio e realizzazione di sistemi completi di automazione, ritiro e revisione di macchine usate.

Texturing/deep engraving su superfici complesse di dimensioni medio-grandi
Il laser texturing è un’ottima alternativa a processi tradizionali come la fotoincisione chimica e l’elettroerosione. I vantaggi rispetto alla fotoincisione chimica risiedono soprattutto nella pulizia del processo, nella ripetibilità e nella totale indipendenza dal materiale essendo possibile lavorare anche materiali come il rame, i ceramici e i carburi; il processo laser, inoltre, è meno inquinante e più sicuro per gli operatori in quanto non vengono utilizzate sostanze chimiche pericolose. L’elettroerosione richiede invece tempi e costi elevati nella preparazione dell’elettrodo.
La tecnologia laser per asportazione presenta inoltre un vantaggio a livello di ingombri non essendoci contatto con la zona di lavoro, con conseguente diminuzione delle sollecitazioni (usura) e dei rischi di collisione. Tutto questo rende il laser estremamente flessibile rispetto a molte tecnologie, permettendo di texturizzare superfici decisamente complesse un tempo impensabili, e creando elevate possibilità di personalizzazione del prodotto.
Con il laser texturing, tecnologia ormai evoluta e consolidata, è possibile incidere direttamente sugli stampi fresati delle texture di qualsiasi tipo, dalle più artistiche alle più geometriche e regolari (Figure 2 e 3). Nella fotografia di Figura 2, in particolare, è riportato uno stampo per bottiglie di plastica dove sono riportate texture di entrambe le tipologie.
Il principio fisico su cui si basa il texturing è l’ablazione laser, per cui il materiale viene asportato vaporizzandolo layer per layer con un processo termico fino all’ottenimento della geometria desiderata sulla superficie del pezzo, utilizzando il fascio laser come utensile grande poche decine di micron.
Il processo consiste nel distribuire il fascio laser tramite uno Scanner 3D dotato di una coppia di specchi galvanometrici e di una lente motorizzata che permette di mantenere il fuoco su superfici free-form tridimensionali; il singolo layer di lavorazione viene suddiviso in più piazzamenti le cui dimensioni dipendono dalla configurazione del sistema ottico. La configurazione ottimale di macchina individuata da C.B.Ferrari per raggiungere con elevata flessibilità ogni zona di lavorazione è caratterizzata da 5 assi meccanici (3 lineari e 2 rotativi), in aggiunta ai 3 assi ottici sopra menzionati (Figura 4).
La parte meccanica della macchina è gestita mediante controlli numerici Heidenhain, Siemens o Bosch, mentre la parte ottica è governata tramite un Software sviluppato da C.B.Ferrari; sempre di C.B.Ferrari è il CAM in grado di gestire più configurazioni macchina (tipo di controllo, configurazione assi, caratteristiche sistema ottico e laser) e di esportare in modo funzionale e semplice i file di lavorazione sia per la parte meccanica che quella ottica, utilizzando opportuni algoritmi di compensazione che evitano la formazione di difetti tra le zone di giunzione tra i vari piazzamenti e le superfici lavorate.
Il Material Removal Rate si attesta tra 1 e 10 micron per ogni layer di lavorazione e, per quanto la massima profondità di asportazione possa essere significativamente superiore, tempi di lavorazione accettabili si conseguono con profondità tra 0,1 e 1 mm. Poiché a parità di rateo d’asportazione, materiali con caratteristiche meccaniche e termodinamiche differenti richiedono una differente quantità di energia per essere lavorati, in base al tipo di materiale, alle dimensioni della superficie da lavorare e alla qualità della texture da realizzare è necessario dimensionare le caratteristiche della sorgente e del sistema ottico da utilizzare; inoltre, la qualità superficiale ottenuta solitamente è inversamente proporzionale a tale rateo.
C.B.Ferrari installa scanner ottici che possono lavorare in un range dai 2.000 ai 10.000 mm/sec, sorgenti fibrate Nd:YAG ad impulso fisso al nanosecondo che possono sviluppare potenze dai 20 ai 100 W e frequenze dai 10 ai 500 kHz e, nei casi in cui il processo può essere sensibile a minimi difetti di natura termica (bruciature, riporti di materiale, deformazioni), sorgenti al picosecondo e femtosecondo, sia a impulso fisso che variabile.
L’ampia gamma di modelli di fresatrici di C.B.Ferrari, unita all’esperienza nell’integrazione delle stesse all’interno di sistemi di produzione automatizzati, permette a C.B.Ferrari di offrire ai propri clienti non solo macchine standard, ma anche soluzioni altamente customizzate.

Soluzione completa: dalla geometria CAD al pezzo finito
C.B. Ferrari ha implementato una metodologia per il laser texturing a 5 assi di superfici free-form mediante un pacchetto software interamente sviluppato all’interno dell’azienda. Il software CALM (Computer Aided Laser Manufacturing) è un vero e proprio CAM per lavorazioni laser implementato in linguaggio di programmazione C++ e librerie OpenGL per la parte grafica. Il software è suddiviso in vari moduli acquistabili separatamente:
- Marcatura;
- Deep-engraving;
- Texturing;
- Taglio, Saldatura, Foratura.
In questa sede verrà analizzato il modulo relativo al laser texturing. Il programma produce le istruzioni per tutti i dispositivi componenti il sistema laser:
- Il programma di lavorazione generale in formato XML (*.job);
- I files in formato HPG-3D contenenti le istruzioni per la testa galvanometrica (*.hpg);
- Il part program in G-code per il CNC della macchina utensile (*.nc);
- I parametri di lavorazione per la sorgente laser in formato XML (*.pro).
Il file JOB contiene la lista dei file HPG nell’ordine con la quale devono essere processati dalla testa di scansione. I files in formato HPG contengono i punti di accensione e spegnimento del laser per ogni linea di scansione nel sistema di riferimento della testa galvanometrica. Il file ISO è il file delle movimentazioni degli assi meccanici della macchina CNC. Il file PRO contiene i parametri di lavorazione laser (corrente, frequenza, velocità..). Tutte queste informazioni sono poi utilizzate dal software di lavorazione presente a bordo macchina il quale effettua materialmente la lavorazione e si occupa della sincronizzazione laser, CNC e testa di scansione. È possibile visualizzare il preview dei percorsi laser sulla superficie come mostrato in Figura 5. Nel CALM C.B. Ferrari è possibile operare su tre differenti tipologie di file di input
- File OBJ;
- File STL;
- File DXF 3D.

Importazione da file OBJ
I file OBJ sono i file più utilizzati nelle applicazioni di texture e sono il risultato del processo di mappatura UV di una bitmap a 256 colori su di una superficie free form. Questo processo di mappatura può essere realizzato da pacchetti software già esistenti in commercio come Rhinoceros, Maya, 3D-Coat, Photoshop, UV-Layout …
Nelle Figure 6, 7 e 8 sono riportati nell’ordine la bitmap della texture da applicare, la superficie in formato iges e il file OBJ caricato a video nel CAM pronto per essere elaborato.
Nel CALM C.B. Ferrari è possibile selezionare tutti i parametri di processo come per esempio distanza linee di campitura, angolo di lavorazione, massima profondità di lavoro e anche la strategia di suddivisione della superficie in piazzamenti in base alla massima deviazione tra le normali e all’errore cordale ammesso. In Figura 9 è riportato un preview della suddivisione effettuata su un singolo layer di lavorazione.
Per ridurre i tempi di lavorazione il software permette, tramite criteri assimilabili all’algoritmo del “commesso-viaggiatore” TSP (Traveling Salesman Problem), di ottimizzare i movimenti macchina a 5 assi riducendo i percorsi effettuati. All’interno del software è presente un algoritmo di proprietà di C.B. Ferrari che permette di ridurre al minimo i segni e i difetti che inevitabilmente si formerebbero nelle zone di giunzione sulla texture.

Importazione da file STL
Questa tipologia di importazione è in genere la più pesante dal punto di vista computazionale in quanto, come ben noto, i file STL contengono milioni di triangoli; queste tipologie di file ovviamente sono molto utili quando le texture provengono da scansioni effettuate con macchine tridimensionali. Per lavorare con questa tipologia di file è necessario importare il file della superficie grezza e il file della parte da lavorare entrambi in formato STL. In Figura 10 è riportato un file di una texture applicata su una porzione di una calotta sferica.
Nelle immagini di Figura 11 successive si riporta una lavorazione ottenuta a partire da una scansione di un particolare realizzato manualmente con un bulino su gomma. In pratica, la superficie gommosa è stata scansionata con una macchina di misura e dalla nuvola di punti acquisiti è stato possibile generare un file STL della superficie piana; il file è stato poi mappato sulla superficie di un tacco da scarpe e realizzato con la macchina laser C.B.Ferrari. Nella fotografia, la parte inferiore del tacco è stata realizzato a partire da un file STL, mentre quella superiore da un file OBJ.

Importazione da DXF 3D
Questa tipologia di input è stata sviluppata in collaborazione con la software house VISUAL per particolari applicazioni laser legate al settore degli stampi per pneumatici da auto/moto (Figura 3). Attiva da vent’anni nello sviluppo e nella personalizzazione di prodotti CAD/CAM proprietari, Visual garantisce ai propri clienti il massimo grado di personalizzazione, assistenza, azione tempestiva sulle segnalazione e sulle richieste, in modo da ottimizzare l’applicativo in regime di produzione. Le soluzioni Visual sono state impiegate sia in Italia che all’estero in molteplici campi quali: stampi dei pneumatici, occhialeria, stampi per calzature, oreficeria, coclee per movimentazione flaconi, strumenti musicali, tecnologia laser e applicazioni con impiego di robot antropomorfi.
Obiettivo finale dell’azienda è quello di offrire una soluzione al problema tecnologico (forniture software, hardware e tutto ciò che serve all’integrazione) garantendo al committente un flusso di comunicazione continuo, senza interruzioni e attese dovute a terze parti.
Nell’ambito della collaborazione tra Visual e C.B. Ferrari, si è studiata insieme ai produttori di stampi per pneumatici una metodologia di lavorazione laser in grado di sostituire le normali lavorazioni di fresatura con frese e bulini. Questa procedura si basa su un particolare algoritmo di spalmatura di curve bidimensionali, rappresentative dei percorsi di bulino, su una superficie tridimensionale; il risultato finale mantiene le due dimensioni basilari, larghezza e altezza, perfettamente coerenti con la geometria di partenza. La spalmatura dà luogo a un file vettoriale tridimensionale delle curve di partenza; queste curve possono essere utilizzate come un percorso utensile da realizzare con una macchina utensile a 5/6 assi, oppure come una geometria di base per l’esecuzione di percorsi di marcatura/tracciatura e lavorazione laser. Nell’applicazione in esame esiste la possibilità di definire un “pennino”, ovvero una sezione dell’ipotetico utensile fresa, e ricostruire fedelmente l’impronta che tale utensile lascerebbe durante la lavorazione, il tutto con una precisione centesimale (come se si usasse un utensile di diametro di qualche micron); il risultato finale è una lavorazione estremamente definita e precisa nei minimi dettagli impossibile da ottenere con utensili tradizionali ad asportazione di truciolo.
Nelle Figure 12, 13 e 14 sono mostrate le curve vettoriali di un Giglio spalmate su una superficie free-form, la geometria importata nel CALM C.B. Ferrari e lo stampo lavorato.

Si ringraziano per la preziosa collaborazione Alberto Vaccari,
Silvia Annicchiarico, Raffaele Stradi
e Federico Montanari.

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