Appunti del corso Tecnologie delle strutture aerospaziali metalliche e in composito (parte 2)

RUGOSITÀ NELLE OPERAZIONI DI FRESATURA

La rugosità teorica dipende da fattori geometrici mentre la rugosità reale dipende da

● Deformazioni plastiche

● vibrazioni

● dilatazioni termiche differenziali

● attrito

● struttura cristallina

● velocità di taglio

● angolo

● raggio di raccordo tra taglienti

● profondità di passata

● avanzamento

● usura utensile

La qualità del materiale determina la velocità di taglio. La velocità deve essere tenuta tanto

più bassa quanto più è duro il materiale da lavorare. Un acciaio bonificato ha una velocità di

fresatura bassa. Mentre l’alluminio è facilmente lavorabile perché la sua rigidezza è circa ⅓

dei acciai quindi la velocità di taglio è molto alta. Non dipende esclusivamente dai materiali

da lavorare ma dipende anche dal materiale dell’utensile. Solitamente gli utensili sono trattati

termicamente con la tempra superficiale oppure si utilizzano taglienti in carburi.

MACCHINE A CONTROLLO NUMERICO

Le macchine a controllo numerico o CNC (controllo numerico computerizzato) è un sistema

che controlla i movimenti della macchina in modo tale da far seguire all’utensile traiettorie

predefinite su specifici assi escludendo l’intervento degli operai.

Le istruzioni vengono date alla macchina in file G-code e sono una sequenza di istruzioni. Si

possono ottenere precisioni elevate e sono dotate di encoder che sono dei misuratori di

spostamenti e rotazione. Gli encoder forniscono dei feedback esatti sulla posizione della

testa. La posizione della testa può essere misurata anche attraverso dei laser che sono più

precisi.

La caratteristica principale della macchina a controllo numerico sono i g.d.l. che permettono

il movimento. Meno g.d.l. hanno e meno ho la possibilità di svolgere pezzi complessi.

Nella macchina (pg.26) ho una fresa dritta e posso spostarmi lungo i 3 assi e negli altri due

assi di rotazione.

Le macchine a controllo numerico si differenziano in funzione dei gradi di libertà permessi

● Le macchine CNC a 2 assi

○ Consentono il movimento solo su X e Y e le lavorazioni non avranno alcuna

profondità

● Le macchine CNC a 2.5 assi

○ Consentono di lavorare in 3 dimensioni ma possono avere solo una

interpolazione sugli assi X e Y. L’asse Z serve solo per variare di quota

● Le macchine CNC a 4 assi

○ Aggiungono il movimento di rotazione all’utensile o al pezzo da lavorare

● Le macchine CNC a 5 assi

○ Ho la liberta di movimento nello spazio perciò mi posso muovere lungo x, y e

z e posso svolgere anche le rotazioni attorno a 2 assi

ELEMENTI COSTITUENTI DI UNA MACCHINA CNC

Gli elementi costitutivi sono

● dispositivi di bordo

● gli encoder

○ Informano il computer sulla posizione e il movimento della testa

○ Si dividono in due tipologie

■ Lineari

■ Rotativi

● I motori

○ Sono necessari per controllare i movimenti negli assi

● Il computer

○ Trasforma il G-code in movimenti della macchina. Inoltre acquisisce i dati

dagli encoder e le istruzioni e stabilisce la posizione dell’utensile e ne

governa il movimento

Quando si realizza un componente con una macchina a controllo numerico si parte dal

progetto CAD e poi c’è il software CAM, cioè il percorso che la macchina deve fare per

realizzare il componente. In generale o si muove il componente o si muove l’utensile.

ADDITIVE MANUFACTURING

Le tecnologie di fabbricazione additiva, o Additive Manufacturing Technologies, sono

definite come “quei processi industriali che aggregano materiali al fine di creare oggetti

,partendo direttamente dai loro modelli matematici tridimensionali (CAD), tramite la

sovrapposizione di molteplici strati di materiale, procedendo in maniera opposta a quanto

avviene nei processi sottrattivi tradizionali”. La tecnologia di additive manufacturing nasce

dall’esigenza di realizzare strutture metalliche di forme complessa, non ottenibili con le

tecnologie tradizionali, che consentono di ottenere caratteristiche meccaniche superiori a

fronte di una notevole diminuzione della massa del prodotto finale.

Date le sue caratteristiche, l’additive manufacturing è attualmente adottato in diversi ambiti

applicativi. Viene preferito alle tradizionali tecniche in quanto garantisce

● variabilità di impiego delle materie prime

● capacità di ottenere manufatti con geometrie complesse

● prototipazione rapida

● elevata velocità di realizzazione del manufatto

I da queste proprietà seguono i seguenti vantaggi derivanti dall’impiego delle AM

● produzione di strutture con geometrie complesse attraverso

l’OTTIMIZZAZIONE TOPOLOGICA

○ L’ottimizzazione topologica è quel particolare tipo di studio, effettuato con

software di nuova generazione, in grado di ridefinire la forma di un

componente meccanico, andando a diminuire il peso tramite la sottrazione

di materiale inutile ai fini del mantenimento delle proprietà meccaniche.

○ L’ottimizzazione nella fase progettuale unita alla versatilità delle AMTs crea

strutture dalla forma complessa e le rinforza localmente in quelle zone

soggette ad una maggiore concentrazione degli sforzi meccanici.

○ Questa caratteristica non può essere riprodotta facilmente ed

economicamente attraverso le tecniche tradizionali.

● prodotti dalle proprietà uniche

○ L’impiego delle AMTs consente lo sviluppo di materiali metallici caratterizzati

da proprietà esclusive perchè ho la possibilità di plasmare la struttura

cristallina del materiale.

○ Difatti, variando i parametri di processo dell’AMT utilizzata è possibile

ottenere un prodotto che abbia microstruttura, resistenza a fatica, durezza e

finitura superficiale desiderate.

● economicità

○ Le AMTs sono tutte tecnologie Near-Net-Shape, ovvero tecnologie che

permettono lo sviluppo di prodotti la cui geometria è molto vicina a quella

finale richiesta in fase di progettazione, con una notevole riduzione dei

prodotti di scarto.

○ Il riciclaggio del materiale inutilizzato o il minor utilizzo dello stesso,

rispettivamente nelle tecniche a polvere o a deposizione diretta, permette

una diminuzione dei costi di approvvigionamento e produzione.

○ Pur mantenendo inalterate le caratteristiche meccaniche è possibile quindi

ridurre il materiale di scarto ed ottenere anche una riduzione del peso della

struttura.

○ Ciò comporta una diminuzione della produzione di CO2 sia durante il

processo produttivo, sia nell’impiego del prodotto finito. Infatti, con la

riduzione del peso del velivolo aumenta necessariamente anche la sua

autonomia e si riducono di conseguenza le emissioni prodotte.

○ Tutte queste caratteristiche rendono le AMTs delle soluzioni più ecologiche se

confrontate con le tecniche tradizionali.

● manutenzione e riparazione delle strutture

○ Ulteriore vantaggio nell’utilizzo delle AMTs in ambiente aerospaziale è la

possibilità di utilizzare le suddette tecniche per la riparazione delle strutture

metalliche attraverso il ripristino delle parti danneggiate (tecniche PBF) o con

il ripristino di quelle zone andate incontro ad usura meccanica (tecniche

DED).

○ Le tecniche AM possono essere utilizzate con successo anche nell’ambito

della manutenzione aeronautica e, in futuro, anche per la riparazione di

eventuali parti danneggiate dei lanciatori una volta ultimate le operazioni di

rientro nel campo spaziale.

PROCESSI AM METALLICI PER L’INDUSTRIA AEROSPAZIALE

Per la classificazione delle varie AMTs saranno prese in considerazione solamente quelle

tecniche che utilizzano materiale metallico, poiché suscitano maggiore interesse nel settore

aerospaziale. Prerequisito per l’utilizzo delle AMTs è l’esistenza del modello matematico

tridimensionale del prodotto finito, realizzato tramite un software CAD. Una volta portata a

termine la progettazione 3D e il casting dei materiali di impiego è possibile procedere allo

sviluppo.

Le principali AMTs per i materiali metallici in ambiente aerospaziale si dividono in due

categorie

● Powder Bed Fusion (PBF)

● Direct Energy Deposition (DED)

PROCESSI POWDER BED FUSION (PBF)

I processi più promettenti in tema Additive Manufacturing sono quelli di fusione su letto

di polvere, noti come PBF.

In questo particolare processo il materiale utilizzato si presenta in forma metallica

particellare. Tale tecnica consiste nel produrre un componente solido usando una fonte

termica che induca una fusione selettiva delle polveri metalliche (powder), disposte su una

piattaforma (bed), strato dopo strato. I processi PBF a loro volta si suddividono in due

principali categorie a seconda del tipo di fonte termica utilizzata per indurre la fusione del

materiale metallico

● Laser ad elevata potenza (SLM SELECTIVE LASER MELTING)

○ Nella tecnica Selective Laser Melting (SLM) il processo di sviluppo deve

necessariamente avere luogo in una camera a vuoto, in maniera tale da

evitare la formazione di ossidi sullo strato superficiale delle polveri

metalliche disciolte.

○ Il processo inizia con la deposizione di uno strato di polvere sulla

piattaforma di lavoro, collegata ad un elevatore in grado di scorrere lungo la

propria normale. Lo strato di polvere metallica viene successivamente

livellato dal passaggio di un rullo o una racla.

○ In seguito, un raggio laser ad elevata potenza fornisce l’energia necessaria

per indurre la fusione delle polveri metalliche.

○ Il raggio laser segue le linee guida della proiezione 2D del modello CAD da

riprodurre. Ottenuto il primo strato, l’elevatore fa scendere la piattaforma di

una quantità pari allo spessore del successivo strato da deporre ed il

processo può così ripetersi fino al raggiungimento del prodotto finale.

○ Una volta ultimato lo sviluppo del componente è possibile estrarlo e passare

alla successiva rimozione delle particelle di polvere non interessate dalla

fusione.

○ I principali vantaggi nell’impiego della tecnologia SLM sono

■ Capacità di produrre prodotti di qualità elevata con geometrie anche

complesse

■ Miglior processo PBF-Laser che garantisce la completa fusione delle

particelle di metallo garantendo eccellenti proprietà meccaniche

■ Capacità di ottenere componenti di qualità superiore rispetto ai

tradizionali processi di fonderia o deformazione plastica

■ prettamente indicata per la produzione in serie di piccole/medie

quantità

■ considerata una tecnologia “pulita” in quanto permette il riciclo del

materiale in eccesso ed è anche caratterizzata da un bas