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Monday, 18 Dicembre 2017
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Il dimostratore INFINITE

Il sistema di texturuzzazione degli stampi infinite può permettersi di guardare tutti dall’alto verso il basso. Il progetto INFINITE si è difatti concluso, di recente, con lo studio e la messa a punto di un innovativo dimostratore di sistema di texturizzazione degli stampi.

di G. Catalano, V. Furlan e V. Petrogalli

Novembre-Dicembre 2017

Nel fascicolo di giugno-luglio 2017 della rivista Costruire Stampi è stato presentato il progetto europeo INFINITE[1], cui hanno partecipato due SME italiane, DS4 e ML Engraving. Il progetto INFINITE (il cui logo è mostrato in Figura 1) si è recentemente concluso con la realizzazione di un dimostratore di sistema di texturizzazione degli stampi innovativo. Il dimostratore è costituito da una cella integrata di lavorazione e visione con robot antropomorfo a 6 assi che porta all’estremità una testa di scansione 2D.
INFINITE nasce dalla lunga esperienza di integrazione di sistemi robotizzati, sorgenti laser e sistemi di visione di DS4[2] e dalla domanda di soluzioni innovative di ML Engraving[3]. Entrambe le aziende sono due SME bergamasche, l’una un produttore di sistemi di lavorazione speciali e con un contenuto fortemente innovativo, l’altra un riferimento tra chi si occupa di texturizzazione estetica e funzionale di superfici complesse. La Figura 2 mostra i loghi di DS4 e ML Engraving e del SITEC, Laboratorio per le Applicazioni Laser del Politecnico di Milano[4], che ha contribuito allo sviluppo del progetto.
In Figura 3 è invece presentato il dimostratore all’opera. La testa di scansione è opportunamente movimentata dal robot, che è in posizione sospesa e pertanto ha grande margine di movimento e può texturizzare con continuità anche larghe aree, permettendo la lavorazione di stampi di grandi dimensioni. La personalizzazione e miniaturizzazione della testa di scansione inoltre (disegnata ad hoc da DS4 insieme con i dispositivi ancillari di visione e misura) permettono accessibilità anche di stampi profondi e stretti.
In Figura 4 INFINITE è all’opera mentre lavora un tassello di uno stampo con un’impronta costituita da una semisfera. La posizione del tassello sulla tavola è stata identificata dal sistema di riconoscimento, mediante visione, installato sulla testa di scansione. La testa di scansione è montata sull’end-effector di un Robot Staubli, che a sua volta è sospeso sulla struttura portante. Il telaio porta anche la sorgente laser in fibra pulsata IPG Photonics da 100 W impiegata per l’operazione di ablazione e scavo.  

La procedura interna di qualifica del sistema INFINITE
Parallelamente con la realizzazione del dimostratore INFINITE, il progetto ha affrontato la qualifica delle sue prestazioni. In collaborazione con il suddetto SITEC, si è affrontata la definizione di una procedura interna per la qualifica della qualità raggiungibile dal nuovo sistema, se confrontato con i sistemi di texturizzazione cartesiani tradizionali. L’attività di qualifica e di confronto ha portato alla stesura di una procedura interna, che, a partire dalla messa a punto di un campione di riferimento, identifica una texture elementare la cui lavorazione mette in evidenza tre classi di errori:
errori tipici del sistema di movimentazione, ovvero del robot antropomorfo confrontati con la baseline che è costituita da un sistema cartesiano a 3 assi di traslazione e 2 di rotazione;
errori di strategia di lavorazione, ovvero della strategia che viene adottata per lavorare aree più grandi dell’area di lavoro del solo sistema ottico della testa di scansione e della modalità di ablazione in profondità;
errori del processo di ablazione, ovvero irregolarità di forma, re-depositi di metallo fuso, ossidazioni e alterazioni termiche, residui dell’interazione termica del fascio laser con la superficie dello stampo.
Il campione di riferimento è costituito dalla piastra illustrata in Figura 5. Si tratta di una piastra in acciaio per utensili 40CrMnMo7 rettificata (dimensioni 50 x 50 x 8 mm3) su cui con passo regolare viene realizzata una texture geometrica costituita da una semi-sfera (di diametro 2 mm e profondità 2 mm, con interasse di 5 mm). L’area texturizzata complessiva verrà poi divisa in due parti, ognuna di estensione 25 x 50 mm2, per introdurre anche il confronto tra texture sabbiata e non sabbiata. Alcuni difetti sono, infatti, più evidenti sulla superficie non sabbiata mentre altri su una superficie sabbiata a seguito della lavorazione laser.
I 256 livelli disponibili per rappresentare variazioni di colore nella scala dei grigi sono stati utilizzati per discretizzare la semi-sfera lungo la profondità, così da realizzarla per ablazioni successive di strati con spessore di 7.81 micron (si veda la digitalizzazione in scala di grigi della semi-sfera in Figura 6)
Facendo riferimento ai 3 errori fondamentali indicati precedentemente, ovvero 1) sistema di movimentazione, 2) strategia di lavorazione, 3) processo di ablazione, per ogni classe si sono identificati gli indicatori più opportuni e un metodo di misura/qualifica normato. Per brevità nel seguito si approfondiranno solo gli indicatori relativi all’errore dovuti al sistema di movimentazione e alla strategia di composizione della superficie da texturizzare sia essa ottenuta con un robot antropomorfo o con un sistema a 5 assi cartesiano. In particolare, dall’errore di movimentazione del sistema dipenderà l’errore di interasse, ovvero la differenza tra l’interasse reale e quello nominale (5 mm) tra le due cavità. La misura di interasse e il conseguente errore vengono assunti quali principali indicatori dell’accuratezza di movimentazione dei due sistemi a confronto. In verità, ciascun sistema di movimentazione viene messo a confronto con la precisione massima raggiungibile, che è quella che prevede di non spostare la testa di scansione lungo la superficie ma di realizzare l’intero campione di riferimento (50 x 50 mm2) all’interno dell’area di lavoro della lente f-theta. Così facendo vi sono due macro categorie di confronto: 1) con movimentazione degli assi, 2) senza movimentazione assi. Per ognuna di queste poi occorrerà specificare se la movimentazione avviene a opera del sistema robotizzato o del sistema cartesiano.
Tuttavia, anche la strategia di lavorazione influenza l’errore di interasse. La strategia di lavorazione riguarda principalmente la modalità con cui aree più estese dell’area massima lavorata dal sistema di scansione vengono ricoperte. La modalità tradizionale prevede la suddivisione della superficie in patch casuali, che possono anche tagliare e attraversare la texture, così da lasciare un errore di discontinuità (si veda la Figura 7). Soluzioni più furbe, soprattutto in presenza di geometrie regolari, come quella individuata, prevedono di elaborare opportunamente la superficie da texturizzare, così da evitare di sezionare le texture. Nel caso della categoria con movimentazione degli assi entrambe le strategie, di seguito definite rispettivamente con patch e senza patch, sono state introdotte nella lavorazione del campione di riferimento, così da qualificare l’accuratezza nella migliore e nella peggiore delle eventualità.
Pertanto verranno realizzati 3 diversi campioni di riferimento: 1 ) senza sistema di movimentazione assi (ovvero sfruttando la sola testa di scansione nell’area di lavoro della lente f-theta), 2) con movimentazione degli assi e con composizione della superficie a patch, 3) con movimentazione degli assi e composizione della superficie senza patch.

Il confronto tra il sistema robotizzato INFINITE e il sistema tradizionale cartesiano
Una volta definita la procedura di qualifica della qualità di lavorazione si è proceduto a lavorare, in condizioni di parametri di processo identiche, tre campioni di riferimento con il sistema cartesiano e tre con il sistema robotizzato INFINITE (in Figura 8 le piastre lavorate dal sistema cartesiano).
I principali parametri di processo sono stati: diametro spot minore di 70 micron, lunghezza focale 254 mm, area di lavoro 110 x 110 mm2, potenza sorgente laser IPG 100 W, frequenza dell’impulso 100 kHz, velocità di scansione 2 m/s, durata dell’impulso 250 ns. Come evidenziato in precedenza, l’errore dovuto alla strategia che comporta la realizzazione della stessa figura in due patch distinti è maggiormente evidente sulla superficie non sabbiata, come mostrato in Figura 9.
L’errore di interasse, illustrato in Figura 10, mette in evidenza chiaramente il successo del progetto INFINITE che in ogni caso raggiunge valori dell’errore inferiori alla specifica target. Tutti gli errori misurati difatti sono inferiori a 0,035 mm, confermando quindi il raggiungimento di uno dei vincoli di progetto più stringenti. Inoltre sempre dalla Figura 10 si deduce come, sebbene le prestazioni del sistema cartesiano siano superiori e soprattutto meno disperse, la soluzione robotizzata risulta ripetibile e confrontabile.

Il caso di studio
Una volta verificato il raggiungimento del target progettuale, il progetto INFINITE si è concluso con lo studio di un caso industriale significativo. In particolare, il caso di studio ha riguardato la lavorazione di un inserto per lo stampaggio a iniezione di palline da golf, texturizzate con cavità semisferiche regolari (in Figura 11 il modello 3D della pallina da golf e della texture da realizzare).
Una volta realizzati i due tasselli, quello lavorato con il sistema cartesiano tradizionale e quello lavorato con il sistema robotizzato INFINITE, lo stampaggio delle palline da golf è stato commissionato a ORP STAMPI[5].
In Figura 12 si presentano i due tasselli prima e dopo lavorazione, mentre la successiva Figura 13 mostra il semi-stampo superiore e il semi-stampo inferiore pronti per l’iniezione con i due tasselli inseriti. La Figura 14 infine mostra lo stampo aperto a seguito del processo di iniezione.
In conclusione, dal confronto visivo con la qualità dei prodotti risultanti dal processo di iniezione appare evidente come non sia possibile distinguere tra oggetti ottenuti da impronte lavorate dal sistema robotizzato INFINITE (Figura 15) e dal sistema cartesiano (Figura 16).
Anche a una successiva misura più accurata i due prodotti appaiono confrontabili e sovrapponibili, testimoniando la bontà del sistema robotizzato.

Conclusioni
Il progetto europeo INFINITE aveva come target la realizzazione di un nuovo concetto di sistema di texturizzazione basato su un’architettura robotizzata. Il sistema robotizzato INFINITE ha dimostrato di aver raggiunto il target di accuratezza inizialmente previsto dal progetto e di essere in grado di produrre superfici texturizzate confrontabili con quelle dei sistemi cartesiani tradizionali. Date queste due premesse, si apre ora una fase successiva (prevista dallo strumento europeo SME Instrument[6]) che è quella di industrializzazione e definizione dei contesti di mercato e business di questo nuovo sistema. Se difatti in termini di qualità e accuratezza il sistema robotizzato risulta confrontabile con quello cartesiano, occorre ora sfruttare commercialmente le potenzialità di questa nuova soluzione, identificabili principalmente nel minore costo di sistema, nella flessibilità di lavorazione su grandi aree e nella facilità di identificazione e riferimento dello stampo, resa possibile dal sistema di visione e dall’intelligenza embedded.

QUALIFICA AUTORI
Guendalina Catalano, Valentina Furlan  - Dipartimento di Meccanica, Politecnico
di Milano, Veronica Petrogalli - DS4 Srl

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Comunicazione tecnica per l'industria