Laser Next

Nel settore automotive negli ultimi anni c’è stata un’evoluzione “silenziosa”, poco visibile agli automobilisti ma ben evidente ai produttori: è stato ampliato il numero di componenti realizzati con il processo di stampaggio a caldo. Non solo l’uso di questa tecnologia è stato esteso in più particolari all’interno della scocca (alleggerisce la vettura e ne incrementa la robustezza limitando così i consumi di carburante), ma anche a nuovi ambiti geografici come gli Stati Uniti e la Cina.
Come conseguenza, si è reso necessario l’impiego di un maggior numero di macchine laser, per il rifilo finale delle parti stampate. O, meglio, di una maggiore capacità produttiva.
Prima Power vanta un grande installato nel mondo (300 macchine operative per questa applicazione solo negli ultimi quattro anni), un’esperienza decennale nel mercato, una banca dati relativa sia alla tipologia di pezzi da tagliare (effettuano gli studi sui tempi per i clienti), sia ai programmi simulati. Inoltre, l’ufficio tecnico dispone di un elenco di esperienze nate dal confronto con gli utilizzatori, con le loro problematiche e con le esigenze tecnologiche. Poter contare su queste informazioni ha permesso a Prima Power di fare un ulteriore, netto passo avanti nella tecnologia laser destinata al mondo dell’auto. Il risultato è Laser Next, una macchina specializzata proprio per questo mercato.

Nascita di un’idea
Rispetto a modelli general purpose, i progettisti di Prima Power hanno eliminato ogni componente non idoneo al mercato automotive, reinvestendo questo “risparmio” su quei particolari (come l’impiego di motori lineari, un layout migliorato ecc.) che invece hanno un significativo impatto con produzioni specifiche. Occorre infatti soddisfare le esigenze di un settore che lavora su tre turni, con saturazioni prossime al 100%, virtualmente senza margini di errore e dove anche il minimo dettaglio può influire sull’esito finale del processo.
Si tratta di incombenze non semplici, per questo è stato deciso di pensare una macchina “su misura” per questo settore applicativo.
Innanzitutto Laser Next è studiata fin nei minimi dettagli: grazie alla “lista di criticità” ottenuta lavorando fianco a fianco con gli utilizzatori sono stati identificati una serie di accorgimenti tecnici che vanno dall’impostazione del progetto fino a quelle finezze che, insieme, garantiscono un alto OEE (Overall Equipment Efficiency, efficienza complessiva di un impianto). La stessa architettura della macchina è stata pensata partendo da zero, senza vincoli legati ad altri progetti che, per quanto ottimizzati, non risultano perfettamente adatti alle specificità del settore automotive.
Ultimo, ma non meno importante, si è pensato al flusso di materiale intorno alla macchina. Sapere come vengono impostati gli stabilimenti dei clienti ha permesso di ragionare anche su quei dettagli apparentemente ininfluenti sul ciclo di lavoro, ma che in definitiva consentono di ridurre i costi complessivi.

Concettualmente semplice
A livello architetturale, la struttura cantilever ha consentito di creare una macchina modulare. Al suo interno è divisa in parti con funzioni specifiche: la tavola rotante è un oggetto pre-assemblato, collaudato e potenzialmente in grado di funzionare in modo autonomo. Allo stesso modo, la macchina è un modulo con un braccio che viene ripiegato su se stesso per il trasporto, con evidenti vantaggi logistici ed economici. Sul retro è presente un blocco funzionale preposto al supporto di tutti i servizi (pneumatici, idrici, di raffreddamento), inclusa la cappa di aspirazione. All’atto pratico, l’installazione di una Laser Next si riduce alla posa con il carroponte dei singoli moduli e al loro cablaggio, mentre altri modelli prevedono il montaggio in loco di ogni singola parte e il relativo collaudo: un rapporto di una settimana contro tre.
La struttura in granito sintetico offre diversi benefici: è molto veloce da produrre, due settimane rispetto ai tre mesi di una struttura in acciaio elettrosaldato, ed estremamente ripetibile grazie alla produzione tramite stampo. Come noto, lo smorzamento delle vibrazioni del granito è migliore rispetto a quello ottenibile con l’acciaio: aumentare velocità e accelerazione è possibile anche operando nel campo delle frequenze di risonanza, il tutto senza impattare sulla qualità della lavorazione.
La modularità si estende poi oltre la singola macchina. Per loro natura, le macchine laser vengono installate in genere in multipli di tre per saturare la produzione di una pressa per stampaggio a caldo: in media, il tempo ciclo delle presse è circa un terzo di quello necessario alle macchine laser per tagliare il particolare. È importante quindi affiancare fisicamente le macchine in modo che occupino il minor spazio possibile. Questa informazione ha portato una semplice constatazione: sui fianchi della macchina non devono essere presenti accessi a qualsiasi tipo di vano o strumento, permettendo così di affiancare a pochi centimetri l’una dall’altra gli impianti di taglio.
Vista in pianta, infatti, Laser Next ha una sagoma rettangolare: al suo interno sono racchiusi i moduli e gli impianti necessari al suo funzionamento, lasciando di fronte e sul retro il passaggio per sviluppare dei corridoi più spaziosi, nei quali si muovono operatori e mezzi di servizio come i muletti. Come accennato, queste migliorie non incidono direttamente sulla produttività della macchina, ma risultano particolarmente apprezzate da chi deve costruire e far funzionare lo stabilimento.
Le zone nelle quali è necessario intervenire per la manutenzione e la verifica dei valori dei circuiti idrici e pneumatici sono in posizione facilmente accessibile, coperte da pannelli in plexiglass che da un lato proteggono la componentistica ma, dall’altro, la rendono comunque visibile e ispezionabile senza dover rimuovere pannelli o aprire sportelli.

I numeri di Laser Next
Laser Next è la macchina 3D più veloce prodotta da Prima Power e la più veloce sul mercato per questa applicazione: la velocità in traiettoria raggiunge infatti i 208 m/min con 2,1 g di accelerazione. Rispetto alle attuali macchine top di gamma, significa ottenere il 25% di parti in più da una singola macchina. Questo, unito al fatto che gli ingombri a terra sono inferiori del 40%, porta a un 80% di produttività per m2 in più. È un dato tenuto in grande considerazione dalle aziende che lavorano per il comparto automotive, poiché possono quasi dimezzare la dimensione degli stabilimenti in cui operano, con conseguente riduzione dei costi logistici, edilizi, di gestione ecc.
Il campo di lavoro è pari a 3.050×1.530×612 mm, rispettivamente sugli assi X, Y e Z.
Gli assi rotanti sono in grado di operare in continuo (asse A), con ±135° (asse B) e ±12 mm (asse C). La risoluzione è pari a 0,001 mm sugli assi lineari e di 0,00006° su quelli rotativi.

Dettagli che contano
I motori lineari non sono vantaggiosi solo dal punto di vista dinamico, ma sono una garanzia per mantenere le prestazioni nel tempo: tutto ciò che si muove grazie a viti a ricircolo di sfere è infatti soggetto a usura, con conseguente variazione delle prestazioni nel tempo. Una volta collaudati gli assi e ottenuta la precisione voluta, i motori lineari permettono di lavorare con prestazioni costanti durante l’intero arco di vita della macchina.
I direct drive sono presenti anche sulla testa di taglio e azionano gli assi rotativi: rispetto ai motori tradizionali con ingranaggi e rinvii, mostrano i propri punti di forza anche nella precisione di posizionamento e nella fluidità di movimento, in particolare nelle inversioni. Inoltre, poiché gli ingranaggi trasmettono coppia in ogni condizione, in caso di collisione gli ingranaggi si possono rompere e/o trasmettere alla testa l’intera forza d’urto. I motori diretti invece, hanno un limite nella trasmissione della coppia, oltre il quale semplicemente “cedono” ruotando. Altri due sistemi anticollisione proteggono ulteriormente la testa: due dispositivi di sgancio magnetico sono progettati e tarati per cedere prima che avvenga un danno irreparabile. In caso di produzione intensiva, un eventuale crash può essere risolto in pochi minuti grazie a un intervento minimo. Un soffietto di collegamento tra le parti mantiene isolato il percorso ottico dall’intrusione di polvere o altri agenti contaminanti.
A tal proposito, Prima Power ha scelto soluzioni volte alla massimizzazione della capacità di taglio lavorando su due fronti: oltre a una sorgente laser in fibra di altissima qualità, ha ottenuto un significativo vantaggio evitando interruzioni della fibra stessa per l’inserimento di uno shutter meccanico. In altri modelli, infatti, questo dispositivo intercetta il raggio laser per mettere in sicurezza l’impianto in fase di rotazione della tavola o di intervento dell’operatore, in modo da evitare qualsiasi azionamento accidentale del sistema. La nuova versione prevede l’utilizzo di un dispositivo completamente elettronico basato su moduli di sicurezza certificati, che interrompono l’alimentazione al laser. Questo ha permesso di evitare di interrompere la fibra ottica per l’inserimento dello shutter meccanico, che deve necessariamente convogliare e rifocalizzare il fascio in aria libera: la maggiore qualità del fascio consente di ottenere una velocità di taglio superiore, senza dimenticare che l’assenza di alcune parti meccaniche ne elimina la manutenzione, i guasti ecc.
Motori diretti e stabilità ottica, dunque, consentono di ottenere la stabilità delle performance richiesta dai produttori di componenti per l’automotive.
Anche la tavola rotante è di nuova concezione: si tratta di un asse a controllo numerico a tutti gli effetti e vanta un tempo di rotazione di soli 2,3 secondi nonostante i 4 metri di diametro. A fronte di un tempo ciclo medio di circa 40 secondi, ridurre di 2 secondi la cadenza significa aumentare del 5% la produttività e, quindi, i margini: una percentuale che nel mondo dell’auto ha un valore enorme, anche perché ottenuto a parità di costo macchina.
Grazie a un innovativo sistema di frenatura è stato possibile migliorare il tempo di bloccaggio, che a sua volta ha permesso di ridurre l’area di sicurezza protetta da fotocellule: il risultato è, ancora una volta, una riduzione degli ingombri al suolo e una migliore ergonomia per l’operatore.
Per sigillare le parti mobili sono stati impiegati dei lamierini in acciaio armonico che, a contatto tra loro una volta raggiunta la posizione di chiusura dell’area di lavoro, evitano la fuoriuscita delle radiazioni prodotte dal laser. Rispetto a quelle in gomma usate su altri modelli risultano infatti più affidabili negli anni.
Durante la lavorazione si generano polveri molto dure e abrasive, che potrebbero influire negativamente sulle prestazioni della macchina e inquinare l’ambiente di lavoro in fase di rotazione della tavola. Per questo l’impianto di aspirazione dei fumi e delle polveri è molto sofisticato: all’interno della cabina devono essere infatti evacuate tutte le polveri prima che si depositino sulle parti mobili. Il flusso d’aria è pensato per dirigersi dalla zona di lavoro verso le bocche di aspirazione posizionate sul lato opposto.
Per lo stesso motivo, il dispositivo di raccolta degli sfridi è stato progettato senza la presenza di parti mobili a diretto contatto con le polveri: tagliando materiali ferromagnetici, l’evacuatore è composto da un tappeto statico sotto al quale si muovono dei magneti che catturano gli sfridi e li trasferiscono fuori dall’area di lavoro. Questi due dispositivi, ad aria e magnetico, garantiscono l’evacuazione completa dei corpi estranei e limitano la possibilità di contaminazione degli organi meccanici e dei dispositivi ottici.
Il convogliatore agevola l’installazione modulare multi-macchina, potendo scorrere sotto a tre macchine affiancate e portando gli sfridi in un unico cassone per gli scarti. Questo riduce il numero di cassoni necessari, riducendo il traffico di muletti che si occupano della loro movimentazione all’interno dello stabilimento.

I risultati
Come visto, Next non è semplicemente il nome della macchina, ma rappresenta una filosofia che racchiude in sé più concetti: è ovviamente uno step successivo rispetto alle macchine attualmente in commercio, ma indica anche la vicinanza di Prima Power al cliente e alle sue esigenze. Infine, indica che le macchine possono essere affiancate, posizionandole vicine tra loro.
Prendendo come benchmark la lavorazione del montante tra le portiere di un’auto, Prima Power ha misurato negli anni la produttività dei vari modelli immessi sul mercato: nel 2005 la produttività era di circa 30 pezzi/ora, salendo fino a 60 pezzi/ora con il modello Rapido nel 2013. Laser Next ha compiuto un ulteriore, significativo passo avanti, arrivando a 76 pezzi/ora. Questo senza contare gli altri vantaggi citati che, anche se non hanno un effetto diretto sulla cadenza produttiva, portano benefici tangibili sui costi complessivi dello stabilimento.