Innovazione nei Processi Tecnologici MATMEC-DIEM

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1 Innovazione nei Processi Tecnologici MATMEC-DIEM Prof. Ing. Giovanni Tani

2 Temi di ricerca Processi fusori Estrusione Tecnologia laser Macchine Utensili Processi per asportazione di truciolo Reverse Engineering

3 Processi fusori Focus Group nnovabologna Monitoraggio della Fase di Colata Inserimento Termocoppie

4 Processi fusori Attrezzatura Portatile Monitoraggio Colata Inserimento Termocoppie nel Raffreddatore 3000 H T C (W /m 2 C ) m m C h ill m m C h ill m m C h ill t im e Coefficienti di Scambio Termico all Interfaccia determinati Sperimentalmente 70

5 Processi fusori Superamento della velocità di 0.5 m/s nel canale a valle del filtro: 500 mm/s gli eventuali ossidi che si formano non possono essere trattenuti dai filtri Parziale riempimento del canale: Fenomeno di cascata può dar luogo ad una depressione all interno del canale con richiamo di gas dalla sabbia circostante Parziale riempimento degli attacchi di colata: Tecnologie Fusorie: Colata in Sabbia a Gravità Colata in Conchiglia a Gravità Fenomeno di cascata Pressocolata

6 Processi fusori Previsione della Microstruttura A 50 microns A 26 microns B B Previsione indiretta della Caratteristica Meccanica

7 Processi fusori ELEMENTO STRUTTURALE Analisi e Sperimentazione condotta su un getto per la determinazione della temperatura della lega durante la fase di riempimento Dimensioni Motta: 1000mm*1000mm

8 Estrusione Die Design Process Simulation Critical Die Slow Zones Evaluation of Process Conditions Die Optimization Fast Zones

9 Die Design Variations Estrusione Die codeproduction Rate (mt/min) Velocity Limit Velocity Limit Temp. ( C) with no Defects with Defects SS SS SS-475 4,2 9,9 SS-485 8,8 9,2 SS ,5 SI-435 SI-470 SI , BS-410 BS-435 BS-474 BS , BI-428 BI-435 BI-458 BI ,4 18, BB-400 BB-430 BB-470 BB NN Production Rate (mt/min) No defects Transition Defects No Data Available Production Rates Optimal Design

10 Estrusione Pressure: N/mm2 Critical

11 Estrusione Welding characterization is obtained with destructive test such as tensile test, expanding tests, crack propagation, etc. Such results are related to die design by means of FEM simulations BB Small Chamber (BS) 25 Intermediate Chamber (BI) BI Big Chamber (BB) 10 5 Production Rate (mt/min) 15 BS Defects F Weld zone F Temperature ( C)

12 Estrusione Die-Load 680 tonn. 647 tonn. Stroke Die strength: Maximum process load: 1200 tonn. At the critical process condition, an elastic simulation of the tool is realized. Die: AISI H-13: Rm=900 MPa at 500 C Critical stress

13 Tecnologia laser Possono essere misurate potenze sino a 25 kw (fascio laser non focalizzato) e densità di potenza sino a 2*107 W/cm2 (fascio laser focalizzato). Tali limiti sono dovuti al carico termico massimo sul sensore piroelettrico e sull ago cavo. I limiti inferiori della misura sono in relazione all entità del rumore di fondo. Dalle misure di densità di potenza realizzate in differenti posizioni del percorso ottico della radiazione laser si ottengono le seguenti misure: % Misure della caustica 2D o 3D Misure di stabilità di puntamento Position in time diagram; Radius in time diagram; Beam position plot diagram w x, w y my [m m ] y[mm] % x[mm] y[mm] 0.00 z [m m ] y [m m ] 0.00 x[mm] 0.50 x [m m ] Caratterizzazione del fascio Laser m x [m m ] 0.3 1

14 Tecnologia laser Modo di oscillazione trasversale TEM22 Modo di oscillazione trasversale TEM22 Rappresentazione tridimensionale del campo elettrico nel fascio luminoso Rappresentazione tridimensionale della distribuzione della potenza nel fascio luminoso Caratterizzazione del fascio Laser

15 Tecnologia laser Caratteristiche della cella di lavoro laser Sorgente laser a CO2, λ = 10,6 μm (produzione El.En. di Calenzano (FI)). Potenza erogata massima: 3000 W Tavola-CNC (produzione R.T.M. of Vico Canavese)

16 LAVORAZIONI LASER Taglio Saldatura Saldatura Ibrida Laser MIG Ablazione Fresatura Laser Trattamenti termici Deposizione

17 Lavorazioni Laser Saldatura Laser CO2

18 Tecnologia MIG: caratterizzazione sperimentale del processo Nel campo della saldatura MIG, il DIEMTech ha esperienza sul campo acquisita durante campagne sperimentali. La sorgente combinata CEBORA MIGTIG-MMA da 380 A in dotazione è in grado di eseguire saldature su specifica con messa a punto dei parametri di processo in funzione delle diverse tecniche adottabili (Generatore sinergico a controllo elettronico). Ogni prova può essere corredata da micrografie dettagliate, prove di durezza e test di caratterizzazione sia statica che dinamica sui giunti.

19 Lavorazioni Laser Tecnologia IBRIDA: studio e ottimizzazione dei parametri di processo Saldatura ad arco: Sorgente energetica a basso costo Buona saldabilità di lamiere con gap non controllato Saldatura laser: Elevate penetrazioni Elevate velocità di saldatura Bassi apporti termici Saldatura ibrida: Elevate stabilità del processo Alte velocità di produzione Ottime proprietà metallurgiche

20 Lavorazioni Laser Materiale: Fe 370 e AISI 304 inossidabile a matrice austenitica Provino metallografico : 4Ai_3s. Giunzione. Spessore (mm): Potenza laser: P = 2.5 kw. Potenza laser (kw): Velocità di processo: v = 1.8 m/min. Velocità di saldatura (m/min): Gas di assistenza: Azoto. Materiale: AISI 304. Spessore: 3.0 mm

21 Tecnologia laser Prova di trazione per il provino 14Ai_1.5s. Giunzione. Materiale: AISI 304. Spessore: 1.5 mm. Potenza laser: P=2.5 kw, velocità di processo: v = 3.3 m/min. Confronto tra i valori sperimentali e calcolati della profondità di penetrazione per alcune penetrazioni realizzate in AISI 304. Spessore: 3 mm. Potenza laser: 2 kw. Velocità di processo variabile. Gas di assistenza: Azoto Prova di trazione 14Ai_1.5s Tensione [MPa] TENSIONE NOMINALESALDATURA 4.00 TENSIONE NOMINALE METALLO BASE e=0.73 σ=697 MPa e=0.72 σ=663 MPa Penetrazione Valori sperimentali (AISI 304) Valori calcolati Joint Efficiency (P/(t*V), kj/mm2) e 70.00

22 Lavorazioni Laser FRESATURA LASER Asportazione laser di features complesse Processo particolarmente indicato per il settore stampi

23 Superficie Profondità di scavo Fondo scavo

24 MODELLO DI REGRESSIONE Realizzato con tecniche statistiche DOE su un progetto fattoriale 2³ vz = f I v f I f v Iv f Iv

25 Modellazione del processo in C++

26 Macchine Utensili Modellazione di Centri di Lavoro: Analisi del Moto ed Analisi della Lavorazione Modelli di Elementi di macchine: Struttura Meccanica Componenti Ausiliari Attrito; Modelli di CNC ed Azionamenti; Modelli INTEGRATI: Assi o Gruppi cinematici, M.U. e Centri di lavoro CNC ed Azionamenti;

27 MODELLI DI CNC & AZIONAMENTI

28 Modelli A PARAMETRI CONCENTRATI di: Assi o Gruppi cinematici d 2α 1 = 2 J m d t dα K am ( β α ) F dt + K t i a dγ dβ R2 R1 R 2 + K c ( β R1 γ R 2 ) R 2 K v ( γ θ ) Cc dt dt dγ ( d 2γ 1 1 η c) dβ = K c ( γ R 2 β R1 ) + Cc R2 R1 dt dt d 2 t J pc 1 + η c R 2 R1 d m0 dγ dγ sign µ F sign 0 1 dt 2 dt d2θ d2ϑ 1d dθ dθ + µ 02 m02 Jrt + fvrr1 sign sign b 2 dt dt d t d t dm02 dθ dm0 dθ + µ 02 H3 sign + µ 0 F sign = Kv( γ θ ) 2 dt 2 3 dt Jrv (5)

29 Modelli FEM di: - Assi o Gruppi cinematici, - M.U. e Centri di lavoro CNC ad Alta Velocità o Analisi dinamica dei componenti e della struttura macchina completa nelle diverse configurazioni di lavoro. o Analisi Dinamiche o Ottimizzazione della struttura meccanica

30 SISTEMI INTEGRATI degli Assi Controllati

31 Modello FEM integrato in SIMULINK SISTEMA INTEGRATO del Centro di lavoro modello della meccanica derivato dall analisi FEM

32 Studi del comportamento dinamico per più configurazioni

33 Simulazioni Risultati di una prova del cerchio nel piano X-Z con dati: - raggio del cerchio: 5 mm (piccoli spostamenti) - velocità periferica: 6000 mm/min. Risposta al comando Gradino seno Raggio medio simulato: mm Raggio medio reale: mm

34 Simulazione traiettorie 3D

35 Modellazione del processo di Taglio

36 Modelli dei processi di Taglio Simulazioni FEM Evoluzione del truciolo temperatura Velocità di deformazione Forze Fymax = 2530 N Fymax = 730 N s=a=4

37 Reverse Engineering & sistemi CAD/CAM Sviluppo di sistemi e procedure per la compressione del tempo di sviluppo prodotto

38 Reverse Engineering: trend Forte sviluppo dei sistemi di acquisizione ottici. Acquisizione indipendente dalla complessità delle superfici. Miglioramento delle funzionalità dei software di ricostruzione ed analisi. Integrazione tra i sistemi di acquisizione ed i software commerciali CAD/CAM

39 Reverse Engineering: sviluppi Sviluppo di procedure e sistemi per il controllo di qualità superficiale. Procedure innovative per il confronto con le superfici teoriche. Integrazione di soluzioni all'interno di moduli CAD esistenti.

40 Integrazione RE/ CAD/CAM Sviluppo di funzioni avanzate per la modifica di geometrie complesse. Modifica diretta di modelli ibridi (CAD+STL). Imposizione di vincoli geometrici/morfologici