La metrologia su macchina guida l’efficienza in AM su larga scala
Nei campi di grano dell’Indiana meridionale, Thermwood Corp. sta realizzando apparecchiature uniche per la produzione di additivi su larga scala (LSAM). Le macchine LSAM producono componenti di dimensioni da grandi a molto grandi da materiali compositi termoplastici rinforzati, creando utensili industriali, maestri, modelli, stampi e impianti di produzione utilizzati nell’industria aerospaziale, automobilistica, della fonderia e marittima.
Le macchine Thermwood LSAM stampano, rifiniscono e sondano. Il software CAPPSNC restituisce i dati metrologici al controller NC e regola gli offset di lavoro e altri parametri della macchina mentre cambiano. La misurazione e la regolazione della macchina diventano automatiche.
Il processo LSAM è un mix unico di design della macchina e scienza dei materiali. Gli operai posano un grosso granello di termopolimero a temperatura ambiente. La società lo descrive essenzialmente come un esercizio di raffreddamento controllato: il raffreddamento polimerico, non la potenza della testina di stampa, determina la velocità di stampa. L’output della testina di stampa determina la dimensione di una parte che può essere stampata nel tempo di livello disponibile. Sono disponibili testine di stampa LSAM in grado di stampare oltre 228 kg all’ora, il che rende possibili parti molto grandi. Thermwood produce macchine LSAM con dimensioni dell’area di lavoro da 10 × 10 ‘(3,05 × 3,05 m), fino a 10 × 100’ (3,05 × 30,5 m). Le macchine stampano e rifiniscono componenti in termopolimero.
Il processo è soprannominato stampa a strato verticale (VLP). Utilizzando grandi perline di stampa e la ruota di compressione brevettata Thermwood, crea strutture stampate solide, completamente fuse, praticamente prive di vuoti. Queste strutture possono sostenere il vuoto in un’autoclave pressurizzata a temperatura elevata senza la necessità di rivestimenti costosi.
Nel 2019, Boeing, per conto dell’Air Force Research Laboratory (AFRL), ha contattato Thermwood, con sede a Dale, Ind., Per valutare la capacità di LSAM di ridurre i tempi e i costi di fabbricazione di strumenti compatibili con l’autoclave per realizzare componenti aerospaziali compositi. Lo strumento demo iniziale sarebbe per la pelle della fusoliera per un concetto AFRL.
L’attrazione principale di LSAM per gli utensili in autoclave era la velocità: la capacità di produrre uno strumento completo in pochi giorni rispetto alle settimane o ai mesi richiesti con le lavorazioni convenzionali. L’apparecchiatura LSAM potrebbe anche stampare componenti di grandi dimensioni, riducendo in tal modo tempi e costi di assemblaggio.
Boeing e AFRL hanno stampato in 3D una sezione di un grande strumento per valutare la funzionalità LSAM. Lo strumento di media scala (4 ‘[1,22 m] di lunghezza contro 10’ [3,05 m] per l’utensile finale) è stato stampato sulla macchina dimostrativa LSAM di Thermwood utilizzando un nucleo di stampa da 40 mm con 25% di polietersulfone rinforzato con fibra di carbonio (PESU) .
Uno dei vantaggi del software CAPPSNC è la sua capacità di convertire i dati metrologici calcolati che raccoglie in parametri di lavorazione e di aggiornare direttamente il controller.
Lo strumento di test iniziale aveva la stessa larghezza, altezza e percorso del cordone dello stampo finale, incorporando tutte le principali caratteristiche dello stampo finale, ma compresso in lunghezza. Lo strumento di media scala ha raggiunto un traguardo fondamentale come primo strumento ad alta temperatura stampato con VLP. Sono stati necessari 5 ore e 15 minuti di tempo di stampa con una grammatura di 166,5 kg (367 lb). Dopo la lavorazione finale, lo strumento è stato sondato per il profilo della superficie e testato per l’integrità del vuoto. Lo strumento ha superato il test del vuoto a temperatura ambiente e ha raggiunto tolleranze dimensionali del profilo della superficie. Lo strumento a fondo scala peserà 1.435 libbre (635,03 kg) e richiederà 18 ore per la stampa. Boeing e Air Force stanno documentando attentamente tutti i parametri operativi del progetto per trasferire la tecnologia ai programmi di produzione.
La produzione efficiente di tali parti è un passo avanti, ma una parte fondamentale include la misurazione per confermare una buona parte, mantenere il controllo di qualità e confermare la conformità agli standard dei clienti e dell’industria (in questo caso, il governo). Parti di grandi dimensioni come gli utensili AFRL non hanno il lusso di essere rimosse da apparecchiature di produzione, trasferite su una macchina di misurazione a coordinate (CMM) per la misurazione, quindi restituite all’LSAM per la regolazione e la finitura.
Nel caso di Thermwood, un software di misurazione avanzato come CAPPSNC di Applied Automation Technologies Inc., Rochester, Michigan, consente alle macchine utensili stesse di eseguire misurazioni come una CMM e di utilizzare quel feedback in tempo reale per regolare i parametri di lavorazione, come gli offset di lavoro, come cambiano. CAPPSNC offre funzionalità per sviluppare rapidamente programmi di misurazione offline ed eseguire questi programmi direttamente su macchine utensili a controllo numerico in modo simile a una CMM.
I risultati delle misurazioni vengono utilizzati per regolare i parametri del processo di lavorazione, come il calcolo di offset di lavoro precisi, compensazione dinamica dell’utensile e altri feedback di dati critici, in un processo automatizzato, insieme alla fornitura di rapporti di ispezione e SPC senza la necessità di rimuovere la parte dalla macchina .
CAPPSNC si collega alla macchina utensile tramite un cavo Ethernet e può leggere e scrivere su qualsiasi parametro del controller. Ha anche una connessione live con il controller della macchina utensile. Il software converte i dati metrologici calcolati che raccoglie in parametri di lavorazione e aggiorna il controller. Funziona al di fuori del controller della macchina utensile ma funziona come parte del processo di lavorazione. L’uso di tale feedback ad anello chiuso per fornire la correzione per il processo di lavorazione consente al sistema di adattarsi automaticamente ai fattori che influenzano il processo di lavorazione e la qualità delle parti.
La raccolta di dati metrologici, la loro conversione in parametri significativi e la loro distribuzione ai sistemi che possono utilizzarli riduce i costi per la produzione di parti.
I vantaggi di questo approccio di misurazione realizzato in ogni fase del processo di fabbricazione delle parti sono:
Pre-processo: la preparazione della configurazione dei pezzi sulla macchina prima di iniziare il processo di lavorazione può essere impegnativa, costosa e richiede molto tempo. L’automazione che misura rapidamente la posizione di una parte può eliminare la necessità di avere dispositivi costosi e una configurazione manuale delle parti. Le parti che richiedono una configurazione delle coordinate a sei gradi di libertà sono particolarmente difficili da configurare con l’offset di lavoro standard. Una misurazione del pezzo che produce un sistema di coordinate più adatto può essere automaticamente convertita in un offset di lavoro che individua il pezzo nello spazio 3D e prepara la macchina per l’elaborazione.
Durante il processo: molte variabili possono influire sulla qualità del pezzo finito durante la lavorazione. L’usura dell’utensile da taglio, nonché la forma effettiva dell’utensile da taglio sotto pressione durante il processo di taglio, influiscono sul modo in cui verrà generata la forma del pezzo. Sebbene esistano altri metodi per calcolare l’usura e gli offset dell’utensile, questi sono metodi statici e non includono la deformazione dell’utensile sotto pressione di taglio. La misurazione della forma e delle dimensioni finali può aiutare a calcolare l’offset dinamico dell’utensile per queste modifiche. Un processo automatizzato, a misura di taglio, a circuito chiuso e controllato dalla metrologia può ottenere parti che sono sempre in tolleranza, indipendentemente dalla complessità delle loro forme.
Post-processo: i dati raccolti da molti centri di lavoro possono essere visualizzati sul funzionamento della produzione effettiva in fabbrica. Gli algoritmi intelligenti in grado di lavorare con i dati possono calcolare parametri di produzione ottimali, creando infine un sistema di intelligenza artificiale (AI) a livello di fabbrica.
“Stampando componenti di grandi dimensioni e tagliandoli sulla stessa macchina, Thermwood sta ottenendo risultati entusiasmanti”, ha affermato Chris Affer, ingegnere applicativo senior per Applied Automation Technologies. “Molti parametri di processo possono influenzare la parte finale. CAPPSNC aiuta a regolare la produzione in tempo reale e perfeziona la parte nello spazio in modo da produrre più parti buone. “
Ha aggiunto Duane Marrett, vicepresidente marketing di Thermwood, “Abbiamo clienti che richiedono la precisione della posizione dei punti sui loro componenti e la misurazione in atto. CAPPSNC è paragonabile al controllo della nostra macchina, che forniamo e programmiamo noi stessi, e genera un codice G che ci consente di aggiungere processi di misurazione automatizzati e adeguamento dei processi alla nostra produzione. “
La produzione basata sui dati è un termine relativamente moderno che enfatizza una verità fondamentale: i dati sono la linfa vitale della produzione e la fonte del miglioramento del processo. La lavorazione adattiva è il processo mediante il quale i dati metrologici generati sulla macchina utensile vengono raccolti e restituiti al controllo NC per perfezionare automaticamente i processi della macchina utensile in tempo reale. Per i nuovi sistemi di produzione come LSAM, la lavorazione adattiva consente di migliorare sia le parti di alta qualità che il processo.
