Con l'introduzione degli angoli di truciolatura laserati, entra in gioco un approccio completamente nuovo nella progettazione degli utensili, sia dal punto di vista costruttivo che tecnologico. Invece della tradizionale lavorazione sottrattiva tramite processi di rettifica, il taglio laser richiede una progettazione negativa, in cui le geometrie degli utensili sono specificamente progettate per l'asportazione del materiale tramite il laser. Ciò comporta un aumento degli sforzi di progettazione, richiede processi CAD specializzati e pone nuove esigenze alla strutturazione dei dati.
„L'integrazione di geometrie di morsetti laserati negli strumenti in carburo segna un cambiamento fondamentale nella progettazione e produzione“, sottolinea Alexander Seifermann, responsabile della progettazione presso il produttore di utensili di precisione SIMTEK di Mössingen. „Dove in precedenza lavoravamo principalmente con la rettifica, oggi spesso utilizziamo il laser - con notevoli effetti su geometria, progettazione e applicazione. Dalla rimozione classica e su larga scala del materiale - verso la progettazione puntuale e tridimensionale di geometrie complesse in negativo.“
Il progresso tecnologico porta con sé vantaggi imprenditoriali: "I vantaggi sono chiari: possiamo creare geometrie di taglio ad alta precisione e circolari - con un controllo del truciolo ottimizzato e spesso un'ampia gamma di funzionalità", aggiunge Norbert Seifermann, amministratore delegato di SIMTEK. Nonostante le iniziali difficoltà da superare, il maggiore impegno vale la pena per la maggior parte dei casi d'uso degli utensili personalizzati. "I risultati di truciolatura sono così convincenti che stiamo gradualmente integrando le geometrie laserate nel nostro catalogo di utensili standard."
Ristrutturazione costruttiva: Dalla rimozione alla costruzione negativa
La classica progettazione degli utensili si basava sul principio dell'asportazione di materiale classica e su larga scala. La progettazione era concepita in modo tale che nella produzione, attraverso la rettifica, potessero essere generati gli angoli di taglio e le superfici di sfogo definiti da un semilavorato. Il laser, al contrario, richiede un modo di pensare completamente diverso: ora si modella ciò che verrà asportato in seguito.
Questa "costruzione negativa" comporta un notevole sforzo maggiore nel CAD e genera diversi set di dati aggiuntivi per ogni utensile. Il progettista deve stabilire con precisione quali aree devono essere rimosse - un principio che assomiglia alla costruzione di utensili nella pressofusione, ma che nella realizzazione è molto più complesso. "Poiché nel laser si lavora effettivamente con un negativo, il modello costruito serve solo per il controllo interno", spiega il responsabile della progettazione Alexander Seifermann.
„La produzione accede direttamente al modello negativo, lo posiziona virtualmente sulla lama e rimuove successivamente esattamente il materiale che era stato precedentemente definito in modo costruttivo.“
Il laser apre nuovi spazi di truciolatura - ma pone requisiti più elevati.
Le geometrie laserate consentono strutture altamente complesse: risparmi, rientranze, protuberanze - tutto viene progettato in tre dimensioni e realizzato con precisione. Questo crea nuove possibilità nel controllo dei trucioli e nell'ottimizzazione degli utensili. Tuttavia, aumenta anche la richiesta sulla progettazione: è necessario un know-how approfondito e un processo di coordinamento decisamente più stretto con il cliente. Inoltre, i programmi CAD di uso comune utilizzati da SIMTEK sono solo limitatamente adatti a questo processo - sono necessarie metodologie di lavoro speciali per garantire transizioni pulite e geometrie prive di errori. Alexander Seifermann e il suo team conoscono il problema: "Ciò che siamo riusciti a risolvere nel processo di rettifica attraverso esperienze e forme standard, diventa una sfida costruttiva nel laser."
Le esigenze per CAD, produzione e comunicazione con i clienti stanno aumentando notevolmente - e con oltre 3.500 nuove sviluppi personalizzati all'anno, non è una cosa da poco. Allo stesso tempo, stiamo aprendo nuove possibilità con geometrie laserate: migliore controllo dei trucioli, maggiore durata degli utensili, processi più stabili e l'integrazione di più fasi di lavorazione in un unico strumento.
Competenza dall'esperienza
L'ingresso nel taglio laser delle geometrie di morsetti è stato per SIMTEK un processo di apprendimento faticoso - attraverso tentativi, errori ed esperienze è emersa nel corso degli anni un'esperienza approfondita. Oggi sia gli utensili speciali che quelli standard possono essere dotati di geometrie laserate. Questi utensili offrono vantaggi enormi, soprattutto nella lavorazione di piccoli pezzi, con rame, alluminio o altri materiali privi di piombo, in termini di direzione del truciolo e qualità della superficie.
Tuttavia, nell'introduzione delle geometrie laser spesso c'è ancora bisogno di chiarimenti. In questo contesto, gli esperti di SIMTEK sono a disposizione dei loro clienti per fornire consulenza e mostrare i vantaggi che una geometria laserata comporta. In questi casi, la geometria pianificata viene inizialmente visualizzata e spiegata per rendere trasparente l'intento costruttivo. Questo processo di coordinamento porta di solito a domande e può prolungare leggermente il processo di approvazione, ma garantisce anche nella maggior parte dei casi una maggiore comprensione e, infine, risultati migliori.
Il termine "laser" non significa sempre la stessa cosa.
Nei colloqui si fa occasionalmente riferimento al fatto che il laseraggio delle geometrie degli utensili sia consolidato da anni. Tuttavia, è necessario fare una distinzione: mentre questa tecnologia si è già dimostrata efficace nel settore degli utensili in PKD (diamante policristallino), il laseraggio del carburo cementato - in particolare nel contesto degli utensili per la microproduzione - rappresenta una sfida decisamente maggiore.
A causa delle caratteristiche tecnologiche, i materiali si comportano in modo diverso durante il processo di laseratura: le particelle di PKD si decompongono a partire da circa 700°C in grafite. In presenza di ossigeno, l'abbattimento ossidativo e la decomposizione iniziano già a circa 600°C, mentre in vuoto la decomposizione si ritarda a partire da 1300°C. La grafite si decompone, diventa sempre più instabile e può essere rimossa relativamente facilmente. "Questo processo inizia soprattutto ai bordi dei grani, che sono particolarmente importanti negli utensili da taglio - lì si trova spesso il bordo di taglio o una forma definita di guida del truciolo", precisa Alexander Seifermann. Al contrario, il punto di fusione del tungsteno nel carburo è di circa 3400°C, mentre il punto di ebollizione supera i 5000°C. A queste temperature, tuttavia, altri componenti leganti come il cobalto e il carbonio evaporano già, rendendo la lavorazione molto difficile.
Dopo che SIMTEK ha lanciato pubblicamente le geometrie laserate per la prima volta all'AMB 2024, anche altri si sono uniti al trend. "Eravamo consapevoli che anche altri produttori di utensili avrebbero intensificato il loro lavoro sul tema del laser, dopo aver visto che funziona", sottolinea Norbert Seifermann. Se inizialmente si trattava di strutture più semplici e lontane dal tagliente principale, ora le geometrie sono diventate più complesse.
Inoltre, si aggiungono forme ISO sinterizzate o stampate. "Laseriamo microgeometrie che non possono più essere sinterizzate o stampate, e lo facciamo laserando fino al bordo di taglio - in modo mirato e con alta precisione." Il risultato sono bordi di taglio estremamente affilati. "Ciò che visivamente può sembrare un bordo di protezione è in realtà un angolo circolare esattamente definito, inserito con precisione e funzionalmente calibrato", precisa il responsabile della progettazione Alexander Seifermann.
Il controllo della spazzola richiede dialogo - perché la comunicazione è fondamentale.
Le geometrie laserate aprono possibilità completamente nuove nella lavorazione meccanica - dalla frattura del truciolo mirata, al deviare fino all'avvolgimento definito. Tuttavia, per sfruttare appieno questi potenziali, è fondamentale uno scambio stretto tra l'utente e il produttore. "Più sappiamo sul caso d'uso specifico, più precisamente possiamo progettare la geometria", spiega Norbert Seifermann. Questo è particolarmente vero per materiali impegnativi come l'acciaio da stampaggio C10, l'alluminio privo di piombo o il rame. Qui è possibile realizzare fratture del truciolo sicure per il processo con parametri coordinati e geometrie laserate - anche dove i limiti fisici ostacolano una frattura completa del truciolo.
Informazioni pratiche come base per risultati ottimali
Affinché uno strumento possa esprimere il suo pieno potenziale, sono indispensabili indicazioni precise sui materiali, sui valori di taglio e sulle condizioni di utilizzo. Nella pratica si è dimostrato che piccole deviazioni nella velocità di avanzamento o nella qualità del materiale possono avere un grande impatto sul comportamento di truciolatura. "Se conosciamo questi parametri in anticipo, possiamo ottimizzare la geometria di conseguenza", sottolinea Alexander Seifermann. Per gli utensili speciali, che spesso vengono utilizzati solo in piccole quantità o in applicazioni uniche, il feedback costruttivo è particolarmente prezioso. In questo modo, geometrie di successo possono essere sviluppate ulteriormente in modo mirato. "Una stretta collaborazione con i nostri clienti ci consente di sviluppare soluzioni pratiche anche senza una simulazione digitale completa - in modo individuale, affidabile e orientato all'applicazione."
Dal caso speciale allo strumento standard
A differenza della produzione su misura individuale, nel settore standard di SIMTEK è possibile eseguire test interni. Molte delle geometrie standard attualmente utilizzate si basano quindi su soluzioni speciali precedentemente implementate con successo. "Abbiamo trasferito le conoscenze dallo sviluppo speciale, ad esempio per geometrie basate su raggio pieno, in strumenti standard e lì le abbiamo stabilite con grande successo", spiega il responsabile della progettazione il metodo adottato.
Particolarmente per le lame a profilo circolare completo, la geometria generata dal laser è particolarmente efficace: consente una guida uniforme del truciolo su tutta l'area di taglio, a differenza della rettifica classica, in cui l'angolo di truciolo varia involontariamente a seconda della velocità di avanzamento e della profondità di incisione.
Maggiore efficienza grazie a un'adeguata modifica geometrica Un esempio concreto di applicazione mostra chiaramente il vantaggio delle geometrie laserate: dove in passato erano necessari due utensili e un supporto aggiuntivo per eseguire incisioni radiali e distacchi, oggi basta un unico utensile laserato, come dimostrano i fatti. Questo non solo riduce i cambi utensile e il consumo energetico, ma diminuisce anche notevolmente l'usura della macchina e dell'utensile.
Un ulteriore esempio pratico riguarda la lavorazione di una vite di drenaggio dell'olio con diversi diametri e un'incavatura assiale. Mentre nel processo di rettifica per tali compiti di solito era necessario utilizzare due utensili separati con una geometria di guida limitata, attraverso il taglio laser è possibile integrare angoli di taglio e di truciolo in modo tale che tutte le fasi di lavoro possano essere eseguite con un solo utensile - senza compromessi nella guida del truciolo.
Norbert Seifermann ha dichiarato: "Con la rettifica avremmo introdotto un gradino di truciolo nella direzione principale del truciolo - ma qual è in questo caso la direzione principale del truciolo? Probabilmente avremmo scelto un angolo di truciolo di 0°, il che è estremamente subottimale. Con il laser, invece, la geometria può essere adattata esattamente al processo in modo circolare."
Cambiamento costruttivo con impatti
Mentre la progettazione inizialmente valutava ogni nuovo strumento in modo individuale, questo si è ora sviluppato in un principio di progettazione collaudato. Il primo passo: una geometria circonferenziale, adatta ai valori di avanzamento previsti. "Questo influisce direttamente sul comportamento della macchina: gli strumenti funzionano più silenziosamente, le forze di taglio diminuiscono, le vibrazioni vengono ridotte - e allo stesso tempo è possibile realizzare valori di taglio più elevati", afferma Norbert Seifermann.
Un caso concreto dimostra questo effetto: con un materiale facilmente lavorabile, il passaggio a uno strumento laserizzato ha permesso non solo di migliorare notevolmente la qualità della superficie, ma anche di eliminare completamente un passaggio di rifinitura.
Rettifica parigina sostituita da laserizzazione
Anche se il controllo dei trucioli è spesso l'obiettivo principale, valori di taglio più elevati, tempi di lavorazione più brevi e migliori qualità superficiali giustificano l'uso di geometrie laserate. Un esempio chiaro è il cosiddetto "taglio parigino" - una geometria ibrida complessa, rettificata, per operazioni di tornitura a inserimento e longitudinale. Tuttavia, questa geometria generava trucioli di flusso incontrollato ed era più complessa da produrre per il costruttore di utensili. Passando a una soluzione laserata, SIMTEK è riuscita a risolvere completamente il problema. La precedente variante rettificata è stata ormai rimossa dal catalogo ed è stata sostituita dalla versione laserata.
Geometrie standard con sistema - e con limiti
Nonostante tutti i progressi, l'area standard rimane limitata a geometrie universali come ad esempio sgrossatura e finitura. Queste devono funzionare per una varietà di materiali. Ne derivano inevitabilmente conflitti di obiettivi: ciò che funziona eccellentemente per un cliente può essere inadeguato per un altro. Una copertura completa di tutti i casi d'uso non è quindi realistica nello standard - qui l'utensile speciale rimane la scelta migliore.
Tagliare con il laser con misura - La redditività decide
Nonostante le possibilità tecnologiche, il taglio laser non è sempre economicamente sensato. Soprattutto per piccole serie o lavorazioni semplici, una geometria tagliata al laser può superare il reale fabbisogno. La decisione dovrebbe sempre essere presa in modo individuale, a seconda del materiale, dell'operazione di lavorazione, dei tempi di ciclo e di attrezzaggio, nonché della quantità prevista. Inoltre, può capitare che una variante tagliata al laser sia convincente, ma una lavorazione a rettifica si integri meglio nei requisiti di tempo di ciclo del cliente. Pertanto, il motto è: non tagliare al laser tutto ciò che è tecnicamente possibile, ma solo ciò che è economicamente vantaggioso e sicuro dal punto di vista del processo.
Conclusione: Da caso speciale a soluzione di serie
Il laser consente di adattare gli utensili esattamente alle specifiche esigenze dei clienti - ad esempio attraverso geometrie circolari per processi di inserimento e copiatura. Questo riduce i cambi utensile, risparmia tempo di lavorazione e aumenta la sicurezza del processo. Anche problemi precedentemente difficili da gestire, come i trucioli aggrovigliati nei fori filettati o i bordi di costruzione con angoli di taglio negativi, possono essere risolti con successo grazie a geometrie laserate. Ciò che è iniziato come un approccio sperimentale presso SIMTEK è oggi una tecnologia consolidata con processi chiaramente definiti. Le geometrie degli utensili laserati offrono un controllo affidabile dei trucioli, elevate durate e aprono nuove possibilità nello sviluppo degli utensili. Per circa l'80-90% delle applicazioni, gli utensili laserati in 3D rappresentano un'alternativa realistica - e spesso superiore - alla rettifica convenzionale, sia dal punto di vista tecnico che economico.
Autore: Ralf M. Haassengier
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