Produzione di spessori su misura tramite fresatura CNC

Uno spessore metallico è un pezzo di metallo sottile e piatto che viene spesso utilizzato per colmare piccoli spazi vuoti tra oggetti. Tra gli altri scopi per cui la produzione di spessori su misura risulta utile vi sono il sostegno, il livellamento delle superfici o la regolazione delle tolleranze nei macchinari.

Gli spessori metallici possono essere realizzati in titanio, acciaio inossidabile, alluminio, rame o ottone. Tra i motivi per cui gli spessori metallici vengono utilizzati in diversi settori industriali figurano:

• Elevata resistenza e durata: Sono altamente resistenti alle alte temperature e alle sollecitazioni rispetto alla plastica, il che li rende adatti ad applicazioni gravose.
• Risparmio sui costi nel lungo periodo: Lo spessore metallico assorbe le vibrazioni e l'usura, proteggendo così i macchinari complessi da eventuali danni. Ciò riduce i costi di riparazione e i tempi di fermo macchina.
• Estremamente versatile: Sono comunemente utilizzati nell'industria automobilistica per il distanziamento dei componenti del motore, il corretto allineamento dei macchinari, nelle costruzioni strutturali per livellare le travi e nel fissaggio industriale per il montaggio di macchinari su superfici irregolari.

Tra gli aspetti fondamentali da considerare nella produzione di spessori metallici figurano la scelta del materiale più adatto in base all’applicazione o alle condizioni ambientali, le tolleranze di precisione necessarie a garantire un corretto allineamento e i requisiti di carico. Altri fattori che influenzano la produzione sono lo spessore, la forma e la planarità.

Requisiti del cliente

Un cliente si è recato presso la sede di First Mold per richiedere un servizio di fresatura CNC finalizzato alla produzione su misura di spessori in piccole serie. Il materiale preferito dal cliente per la realizzazione di questo prodotto era il titanio. Gli spessori prodotti dovevano presentare un aspetto lucido standard con una tolleranza molto stretta di ±0,0254 mm. Il cliente ha posto particolare enfasi sul rispetto rigoroso delle tolleranze di planarità e spessore.

“Si può considerare una piccola sfida, soprattutto a causa delle tolleranze ristrette e delle caratteristiche del materiale”, ha affermato James Li, direttore generale di First Mold. “Ma il nostro obiettivo come azienda è sempre stato quello di mettere al primo posto le esigenze dei clienti”.”

Sfide e soluzioni

Sebbene si trattasse di un prodotto dall’aspetto relativamente semplice, la scelta del materiale e lo spessore personalizzato in titanio – realizzato con fresatura CNC a basso volume – hanno comportato sfide particolari. Il titanio è costoso e lo scarto anche di un solo pezzo comporta perdite ingenti.

I pezzi sottili in lega di titanio sono particolarmente difficili da lavorare con la lavorazione CNC. La maggior parte dei nostri concorrenti di solito non è disposta ad accettare questo tipo di ordini, poiché la lega di titanio è difficile da tagliare e più il pezzo è sottile, più tende a deformarsi. Inoltre, la produzione in piccole serie non è redditizia.

Produzione di spessori personalizzati in piccole serie

Il motivo per cui la maggior parte dei fornitori rifiuta prontamente la produzione di spessori in piccoli volumi è che non è redditizia. La fresatura CNC del titanio per realizzare uno spessore personalizzato comporta elevati costi fissi iniziali legati all’allestimento della macchina, alla programmazione, alla selezione degli utensili e al controllo qualità. Questi costi fissi iniziali devono essere ammortizzati su un numero ridotto di pezzi, il che comporta un costo unitario elevato. Altri motivi per cui i fornitori rifiutano la produzione di spessori personalizzati in piccole quantità includono:

• Mancanza di economie di scala nell'acquisto dei materiali: Quando producono spessori in piccole quantità, i produttori non possono beneficiare degli sconti previsti per gli acquisti all’ingrosso, il che comporta un aumento del costo delle materie prime.
• Aumento della manodopera impiegata: Le produzioni a basso volume richiedono spesso un maggiore intervento manuale, regolazioni personalizzate e l'impiego di personale qualificato, il che aumenta il costo complessivo di produzione.
• Requisiti rigorosi in materia di controllo della qualità: A differenza della produzione su larga scala, che spesso beneficia di processi automatizzati, le produzioni su scala ridotta richiedono ispezioni manuali rigorose e dispendiose in termini di tempo.

First Mold ha instaurato solidi rapporti con i fornitori di materie prime e si avvale di tecnologie hardware e software all’avanguardia per la fresatura CNC. La combinazione di questi fattori ci consente di produrre spessori in titanio in piccole serie che altri fornitori non osano accettare.

Deformazione di componenti sottili in titanio

Non tutti i fornitori sono in grado di produrre spessori su misura in titanio. Ciò è dovuto al basso modulo elastico del materiale, ovvero alla sua scarsa elasticità (~110 GPa rispetto ai ~200 GPa dell’acciaio). Inoltre, presenta una scarsa conduttività termica (circa 1/7 di quella dell’acciaio) e un’elevata reattività chimica. Queste proprietà possono causare deflessioni significative, squilibri nelle sollecitazioni residue o distorsioni indotte dal calore durante la lavorazione.

Ad esempio, durante la lavorazione, il calore generato sul tagliente non viene dissipato dai trucioli, determinando un accumulo di temperature elevate che possono superare i 1000 °C. Il calore localizzato provoca un'espansione irregolare del titanio, materiale sottile e fragile, durante il taglio. Una volta raffreddato, ciò può causare deformazioni o distorsioni significative. Altri fattori che possono causare deformazioni durante la lavorazione del titanio includono:

• Deformazione dovuta al serraggio: Un serraggio irregolare, radiale o eccessivo può causare una pre-deformazione dello spessore. Una volta sbloccato dopo la lavorazione, lo spessore si deformerà o tornerà alla forma originale.
• Deformazione dovuta all'effetto “spring back”: Ogni volta che l'utensile di lavorazione passa sulla sottile fetta di metallo durante la sua produzione, questa si deforma e ritorna nella posizione iniziale. Ciò può causare imprecisioni dimensionali.
• Inhardimento: Ciò accade quando lo strato superficiale del 30% si indurisce. In tal caso, sarà necessaria una maggiore forza di taglio, il che genera tensioni interne.

First Mold dispone di un team di ingegneri che lavora da molto tempo con il titanio. Insieme, hanno messo a punto delle strategie per superare alcune delle difficoltà legate alla produzione di uno spessore personalizzato mediante fresatura CNC. Tra le strategie adottate da First Mold per soddisfare le esigenze del cliente figurano:

• Utilizzo dei morsetti a ganasce morbide: Ciò contribuisce a distribuire uniformemente la pressione, evitando un'eccessiva concentrazione della stessa.
• Integrazione del liquido di raffreddamento ad alta pressione: Ciò contribuisce a gestire il calore intorno alla superficie di taglio, oltre a facilitare la rimozione dei trucioli.
• Quando si utilizza un utensile da taglio affilato: Più affilato è l'utensile da taglio, minore è la forza di taglio. Ciò comporta una minore generazione di calore e una minore pressione sullo spessore.
• Rilassamento: Il team ha sottoposto lo spessore a ricottura per eliminare le tensioni interne prima della finitura. Questa misura ha garantito il rigoroso rispetto delle tolleranze di planarità e spessore.

Soluzioni personalizzate e consegna rapida per i prototipi

Mentre la maggior parte dei fornitori cinesi rifiuta di realizzare spessori personalizzati in titanio – lavorazioni di fresatura CNC in piccole serie –, First Mold è in grado di garantire consegne rapide anche per progetti con volumi ridotti, grazie alla nostra tecnologia all’avanguardia e alle partnership che abbiamo consolidato nel corso degli anni.

Ad esempio, in questo progetto, il produttore voleva che i prototipi fossero consegnati in meno di quattro settimane. L’approvvigionamento del titanio necessario per il progetto avrebbe assorbito gran parte del tempo a disposizione. Le scorte di First Mold e quelle dei nostri partner comprendono diverse materie prime. La disponibilità di materie prime ha permesso al team di accelerare la produzione dei prototipi di spessori personalizzati.

Il tempo risparmiato nella ricerca dei materiali viene investito nel perfezionamento del progetto CAD del prototipo. First Mold ha inoltre utilizzato l’avanzata macchina CNC a 5 assi per ridurre i tempi di configurazione fino al 40%, oltre che per aumentare la precisione. Il prototipo è stato sottoposto a test di precisione dimensionale, planarità e spessore utilizzando macchine di misura a coordinate (CMM) per garantire che fosse conforme alle specifiche del progetto fornite dal cliente.

Produzione di spessori metallici per settori industriali di fascia alta

Il cliente era un’azienda produttrice di articoli di alta gamma. La sfida nella produzione di spessori su misura per settori di alta gamma come quello aerospaziale, delle apparecchiature mediche, delle attrezzature sportive di alta gamma e dei macchinari di precisione consiste nel fatto che tali prodotti richiedono estrema attenzione all’integrità dei materiali, alla precisione e alle tecniche di produzione per eliminare eventuali difetti.

Ad esempio, è necessario rimuovere le bave dai bordi perché possono causare disallineamenti o creare zone ad alto attrito. Tra gli aspetti fondamentali da considerare nella produzione di spessori personalizzati di alta gamma figurano:

• Spessore uniforme: Lo spessore dello spessore di regolazione deve rispettare tolleranze estremamente strette per evitare guasti gravi alla macchina. Lo spessore deve essere uniforme su tutta la superficie per evitare concentrazioni di sollecitazioni o distribuzioni irregolari del carico.
• Finitura superficiale: La superficie deve presentare una finitura liscia per ridurre al minimo l'usura e l'attrito. Poiché il progetto prevedeva una produzione in piccole serie, First Mold ha ottenuto il livello desiderato di levigatezza e planarità della superficie utilizzando la tecnica della lappatura.

Dopo la fresatura CNC per applicazioni di alta gamma, First Mold pulisce e confeziona lo spessore per prevenirne la contaminazione. Il motivo è che nei settori aerospaziale e medico anche le particelle più piccole possono causare guasti.

I vantaggi ottenuti dal cliente grazie alla soluzione di First Mold

Il cliente non ha potuto nascondere il proprio entusiasmo quando ha ricevuto i prototipi degli spessori personalizzati in anticipo rispetto alla scadenza prevista. Dopo averli ispezionati, ha confermato che la tolleranza dimensionale, la planarità, lo spessore e la finitura superficiale erano conformi a quanto indicato nel disegno tecnico.

“Siamo davvero grati a First Mold per aver accettato di occuparsi di questo progetto di produzione di spessori in piccole quantità”, ha affermato il cliente. “In effetti, sono stati i primi, tra una dozzina circa di fornitori che abbiamo contattato, ad accettare di occuparsi di questo progetto. È stato un enorme sollievo”.”

First Mold non si è limitata a spedire al cliente solo alcuni prototipi. Abbiamo consegnato esattamente il numero richiesto di spessori personalizzati. Grazie all’impiego di tecnologie avanzate e a un team dedicato di ingegneri esperti nella lavorazione del titanio, questo progetto è stato portato a termine rispettando il budget del cliente.

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