Lo stampo si fa micro!

Gli elettrodi con cui sono stati prodotti i microstampi.
Gli elettrodi con cui sono stati prodotti i microstampi.

Una delle più importanti e interessanti iniziative proposte dalla fiera MECSPE 2014, svoltasi lo scorso fine marzo, è stata dedicata al tema molto attuale e del quale in futuro si sentirà parlare sempre più spesso: quello delle microlavorazioni.

Tale unità dimostrativa è stata allestita grazie alla partecipazione di AITeM (Associazione Italiana di Tecnologia Meccanica), del Politecnico di Milano, dell’Università degli Studi di Bergamo, dell’Università degli Studi di Brescia, dell’Università degli Studi di Padova, del Politecnico di Bari e del CNR-ITIA di Milano, enti prestigiosi per i quali un gruppo di docenti e ricercatori ha illustrato ai visitatori alcune presentazioni sperimentali/scientifiche sul tema.

Claudio Giardini, membro di AITeM e docente di Tecnologie e Sistemi di Produzione presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Bergamo. Nel riquadro, il microfiltro medicale posato su una capocchia di fiammifero.
Claudio Giardini, membro di AITeM e docente di Tecnologie e Sistemi di Produzione presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Bergamo. Nel riquadro, il microfiltro medicale posato su una capocchia di fiammifero.

Claudio Giardini, membro di AITeM e docente di Tecnologie e Sistemi di Produzione presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Bergamo, spiega: «I microcomponenti sono ormai di uso comune e si stanno sempre più diffondendo in settori quali il biomedicale, l’elettronico, l’ottico, ecc. Per realizzare tali componenti, tuttavia, non è possibile utilizzare tecniche tradizionali “in piccolo”  con una semplice operazione di “downscale”, cioè di riduzione in scala, in quanto su scala micro il comportamento dei materiali e l’evolversi dei processi tecnologici sono assai diversi rispetto alla scala macro».

Per tale ragione, la produzione (asportazione di truciolo, elettroerosione, iniezione plastica), la movimentazione ed il controllo dimensionale di microcomponenti non possono essere improvvisati ma necessitano di investimenti di rilievo e tecniche assolutamente innovative; tecniche come quelle mostrate a Parma la scorsa primavera. Più nel dettaglio, ai visitatori di MECSPE è stata proposta la realizzazione di un micro filtro realizzato in poliossimetilene (POM) per applicazioni biomedicali (cioè adatto a filtrare liquidi organici quali il sangue) con diametro pari a 2 mm, spessore di 0,15 mm e con maglie “strettissime” da 0,07 mm.

Si è trattata di una “produzione” davvero all’avanguardia che ha coinvolto un nutrito team di aziende esperte: Open Mind Technologies Italia per la progettazione dei microstampi attraverso sistemi CAD/CAM; GF Machining Solutions per l’esecuzione degli elettrodi (microfresatura) e la realizzazione degli stampi stessi (elettroerosione a tuffo); Wittmann Battenfeld Italia per lo stampaggio a iniezione del micro filtro in plastica; Vision Engineering Ltd Italy per il controllo/collaudo finale.

Hanno partecipato all’iniziativa, come partner di supporto, anche Seco Tools Italia in qualità di fornitore di utensili, Heidenhain Italiana per il CNC delle macchine di asportazione di truciolo, e Autodesk per la simulazione del processo di iniezione.

Essendo il tema molto vasto, in questo articolo approfondiremo principalmente gli aspetti legati alla produzione del microstampo (attraverso la fresatura dell’elettrodo e l’elettroerosione a tuffo) e delle relative problematiche tecnologiche

Elettrodo e stampo “ridotto”

La Georg Fischer Machining Solutions è la società della multinazionale elvetica Georg Fischer specializzata nella produzione di macchine utensili per lavorazioni meccaniche di precisione e costruzione stampi. Giovanni Lavaselli, Area Sales Manager della filiale italiana del gruppo che ha sede a Cusano Milanino (MI), entra nel dettaglio dell’iniziativa: «Per noi la fiera MECSPE è un appuntamento ormai abituale, i riscontri sono sempre stati ottimi ed è per questo che abbiamo pensato a un’applicazione davvero speciale nell’ambito delle microlavorazioni».

Per produrre il micro filtro per uso biomedicale con diametro pari a 2 mm e maglie da 0,07 mm, è stato necessario realizzare un elettrodo in rame di dimensioni ridottissime su una fresatrice a cinque assi ad alta velocità Mikron HSM 200 U LP. Lavaselli precisa: «Si tratta di una macchina molto compatta e sviluppata per conseguire la massima precisione e qualità della superficie lavorata; è stata equipaggiata di motori lineari sugli assi X, Y e Z e motori torque sugli assi rotanti». La vera difficoltà nell’esecuzione dell’elettrodo è risieduta nelle dimensioni ridottissime, con zone di larghezza pari anche solo a 0,07 mm. «È stato necessario garantire una precisione dell’ordine del micron, la massima accuratezza del posizionamento e dello staffaggio, la perfetta movimentazione degli utensili e degli assi, oltre che un programma d’esecuzione del lavoro adeguato. Un’impresa davvero non facile».

Fase di realizzazione dell’elettrodo in rame su fresatrice a cinque assi ad alta velocità Mikron HSM 200 U LP della GF Machining Solutions.
Fase di realizzazione dell’elettrodo in rame su fresatrice a cinque assi ad alta velocità Mikron HSM 200 U LP della GF Machining Solutions.

Un’altra difficoltà è stata quella di impostare i corretti parametri di taglio: dovendo utilizzare utensili con diametri estremamente ridotti, e quindi con velocità di taglio bassissima, la velocità di rotazione del mandrino è stata necessariamente alzata a valori elevatissimi, cioè a 50.000 giri/min. Allo stesso modo, si è aumentata anche la velocità di avanzamento degli utensili, per garantire l’esecuzione del pezzo in tempi accettabili. «Dovendo lavorare con parametri così “estremi” – riprende Lavaselli – è stato fondamentale dotare la macchina di un CNC all’altezza, capace di impostare le migliori strategie di taglio, i movimenti il più possibile puliti, e minimizzare le vibrazioni».

Esempio di scostamenti con e senza Dynamic Precision (cortesia Heindenhain).
Esempio di scostamenti con e senza Dynamic Precision (cortesia Heindenhain).

Una volta realizzato, l’elettrodo è stato adoperato sulla macchina di elettroerosione a tuffo Form 1000 per la produzione del microstampo. Lavaselli osserva: «Form 1000 è una macchina di altissima precisione progettata proprio per la lavorazione di manufatti di dimensioni ridottissime. È equipaggiata con un potente controllo numerico le cui nuove funzionalità rispondono alle necessitò delle applicazioni su scala micrometrica». La macchina si muove in X sulla tavola e in Y e Z sulla testa, con vasca di lavoro e livello del dielettrico regolati automaticamente a seconda dell’altezza del pezzo.

«Anche in questo caso – riprende l’Area Sales Manager di GF Machining Solutions – l’elemento di difficoltà è rappresentato dalle dimensioni, in quanto la scala micrometrica fa sì che il gap tra elettrodo e pezzo sia ridotto con conseguente minimizzazione delle correnti e dell’energia. Ciò significa che è più complesso il controllo del processo, e in particolare il controllo della scarica deve essere assai accurato; la precisione della lavorazione deve essere garantita da una struttura molto rigida della macchina, in modo da evitare qualsiasi tipo di deformazione che potrebbe alterare l’elettroerosione».

Giovanni Lavaselli conclude con una considerazione di carattere generale: «Vi è stato molto interesse da parte dei visitatori del MECSPE per la nostra proposta. Riteniamo che nel futuro vi saranno molte imprese che si butteranno nel settore delle “microlavorazioni”, e per tale ragione stiamo cercando di presentare tecnologie e prodotti adeguati».

Il CNC giusto 

Alla fresatrice è stato abbinato il controllo numerico “top di gamma” iTNC 530 HSCI della Heidenhain, nella nuova versione “completamente digitale”, che permette la gestione di una enorme quantità di dati e informazioni in modo molto più rapido e preciso. Nel particolare caso delle microfiltro realizzato a Parma, il controllo numerico ha dovuto anzitutto leggere, decifrare e “rispondere”, attraverso complessi algoritmi proprietari, alle informazioni dei trasduttori lineari e angolari di precisione HEIDENHAIN posti all’interno della macchina per rilevare spostamenti di natura micrometrica. In secondo luogo, il CNC ha dovuto garantire la massima “pulizia” del movimento, in modo da non favorire la nascita di microcricche nel materiale o la rottura degli utensili; infatti, trattandosi di microlavorazioni, con asportazioni di truciolo dell’ordine del decimo di millimetro, ma con elevatissima velocità di rotazione del mandrino, ogni scostamento o vibrazione “normalmente tollerato” avrebbe potuto generare errori o imperfezioni.

Molte sono le funzioni di cui dispongono i controlli numerici Heidenhain e, nel caso specifico delle microlavorazioni, di grande rilevanza è il pacchetto denominato “Dynamic Precision” che permette di sfruttare al meglio il potenziale di accuratezza della macchina utensile equipaggiata con il controllo iTNC 530 HSCI. I vantaggi sono molteplici: produzione efficiente, migliore qualità delle superfici lavorate, maggiore accuratezza del pezzo e riduzione dei tempi di lavorazione. Ciò è possibile grazie alle funzioni: CTC (compensazione di errori di posizione di assi accoppiati), AVD (smorzamento attivo delle vibrazioni nelle fasi di messa in servizio e in lavorazione), e PAC/LAC/MAC (adattamento dei parametri di regolazione in funzione di posizione/carico/movimento). La combinazione di tali funzioni assicura un movimento degli assi più morbido e fluido, consentendo di minimizzare le vibrazioni e ottenere lavorazioni più precise e migliori finiture superficiali anche con avanzamenti elevati e movimenti complessi.

Realizzazione dell’elettrodo con l’ausilio del CAM hyperMILL di Open Mind.
Realizzazione dell’elettrodo con l’ausilio del CAM hyperMILL di Open Mind.
 

Il futuro sarà “mini”

AITeM, Associazione Italiana di Tecnologia Meccanica, è un punto di riferimento culturale e professionale per aziende, per operatori di settore e istituzioni, sui sistemi di produzione manifatturiera e sui processi di trasformazione. Claudio Giardini osserva: «AITeM costituisce un luogo di incontro nel quale gli operatori della ricerca e dell’innovazione, tra cui le aziende manifatturiere e le università,  si confrontano sulle problematiche più urgenti del settore, scambiano informazioni, promuovono e mettono a punto nuovi e innovativi progetti nell’ambito delle tecnologie di produzione. In questo contesto si muove la nostra partecipazione a Parma: le microlavorazioni sono e saranno la sfida del futuro perché in molti settori industriali stiamo assistendo alla necessità di miniaturizzare prodotti e componenti».

Ciò significa “miniaturizzare” 100 – 1000 volte anche le macchine e le attrezzature, e ripensare i relativi processi produttivi e i software di controllo e di simulazione: «Per realizzare a livello micro un componente, non basta cambiare l’unità di misura, ma è necessario rivedere completamente le tecnologie. Entrano in gioco molti nuovi fattori, tra i quali il diverso comportamento dei materiali lavorati, plastici, metallici, ecc. Vi è molta strada da fare e l’applicazione mostrata a MECSPE è un primo esempio di studio avanguardistico nel settore. La difficoltà nella realizzazione del microfiltro medicale non sta tanto nella sua dimensione ridottissima, quanto nel garantire in tali dimensioni determinate caratteristiche funzionali legate alla qualità della superficie, alla resistenza chimico-fisica, ecc.» Nel caso specifico, il manufatto è stato ideato per “interagire” con il fluido organico, per esempio il sangue, e filtrarlo in modo da trattenere determinate cellule e particelle in esso contenute.

Giardini conclude con una considerazione di carattere generale: «Il nostro obiettivo è quello di far convergere l’interesse delle aziende della filiera sul tema delle microlavorazioni, ed è per questo che qui a Parma abbiamo anche organizzato miniconvegni didattici.

Poiché si tratta di un settore nuovo, in cui l’Italia risulta in ritardo rispetto ad altri Paesi avanzati, cerchiamo di far nascere progetti finanziati da aziende che hanno voglia di inventare prodotti nuovi e intraprendere strade diverse, inesplorate».

Del resto, oltre a quello biomedicale, i campi di applicazione e i settori di sbocco possono essere diversissimi: ottico, elettronico, biologico, ecc.

Si tratta di settori di nicchia ma di avanzato contenuto tecnologico, con un notevole potenziale industriale.

CAD/CAM evoluti e staffaggio speciale

Per la realizzazione dell’elettrodo per asportazione di truciolo, importante è stato il supporto di Open Mind Technologies Italia S.r.l. (Rho, MI), come spiega l’amministratore delegato, Francesco Plizzari: «Noi abbiamo contribuito alla progettazione dell’elettrodo, alla programmazione CAM della lavorazione sulla macchina utensile e alla progettazione del suo staffaggio.

Francesco Plizzari, Amministratore Delegato di Technologies Italia S.r.l. (Rho, MI).
Francesco Plizzari, Amministratore Delegato di Technologies Italia S.r.l. (Rho, MI).

Lo staffaggio, in particolare, è stato molto delicato: stiamo parlando di un oggetto di dimensioni ridottissime e quindi difficile da bloccare sulla macchina». Per la fase di progettazione Open Mind ha proposto il nuovo potente software hyperCADS, mentre per la programmazione CAM, il software utilizzato è stato hyperMILL. Plizzari spiega: «La lavorazione è stata necessariamente limitata ai tre assi, vista la forma dell’elettrodo, grazie a hyperMILL, è stato possibile ottimizzare l’intera programmazione attraverso lavorazioni di finitura ad HSC, con approccio al pezzo “a rampa e spirale” per la “tutela automatica degli spigoli, e grazie al “riconoscimento automatico feature” e al “database utensili”».

Matteo Foglietta, Specialista Tecnico di Prodotto di Seco Tools Italia S.p.A. (Guanzate, CO)  mostra una fresa “Jabro Mini” con attacco.
Matteo Foglietta, Specialista Tecnico di Prodotto di Seco Tools Italia S.p.A. (Guanzate, CO)
mostra una fresa “Jabro Mini” con attacco.

Quando l’utensile è decisivo

Matteo Foglietta, specialista tecnico di prodotto di Seco Tools Italia S.p.A. (Guanzate, CO), spiega la difficoltà di eseguire lavorazioni del genere dal punto di vista dell’utensileria: «La Seco Tools è azienda che fornisce soluzioni d’eccellenza nell’ambito delle asportazioni meccaniche d’asportazione di truciolo. Abbiamo aderito all’iniziativa per dimostrare che possiamo essere partner all’avanguardia anche nel particolare settore delle microlavorazioni».

Per tale ragione, la Seco, oltre a mostrare la gamma dei suoi utensili più evoluti, ha messo in evidenza le possibilità applicative di frese “Jabro Mini” in metallo duro rivestite in PVD, con diametri compresi tra 0,1 e 2 mm.

Giovanni Lavaselli, Area Sales Manager di GF Machining Solutions Cusano Milanino (MI), accanto alla macchina di elettroerosione a tuffo Form 1000. Nel riquadro, il microstampo finito.
Giovanni Lavaselli, Area Sales Manager di GF Machining Solutions Cusano Milanino (MI), accanto alla macchina di elettroerosione a tuffo Form 1000. Nel riquadro, il microstampo finito.

Si tratta di utensili adatti a lavorazioni complesse, su scala micrometrica, con elevati requisiti di finitura, utilizzate per esempio nel settore medicale, come nell’esempio illustrato a Parma. Foglietta conclude: «Oltre agli utensili noi forniamo i relativi portautensili, in modo da garantire la massima rigidità del sistema, il che è fondamentale per questo tipo di applicazioni. I nostri portautensili, nel caso specifico, garantiscono un’accuratezza pari a 3 micron, e sono dotati di attacco simmetrico HSK 32, una “coppia trasmissibile” compresa tra i 15 e i 20 N/m.  Si tratta di una soluzione perfetta per assicurare massima stabilità nel caso di microfresatura ad elevato numero di giri».

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