Efficiente fornitura di fluido da taglio negli utensili di fresatura realizzati con la produzione additiva

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Nel campo della produzione in rapida evoluzione, la ricerca di efficienza, sostenibilità ed efficienza dei costi ha portato a ricerche e progressi tecnologici rivoluzionari. Una di queste aree di innovazione è l’applicazione dei processi di produzione additiva nella progettazione e produzione di utensili da taglio.

L'uso del fluido da taglio (refrigerante, MWF) è indispensabile nella fresatura di materiali e componenti impegnativi e difficili da lavorare, come i componenti strutturali aerospaziali in leghe di titanio. La fresatura produttiva utilizzando fluido da taglio ad elevate pressioni di alimentazione presenta all’industria manifatturiera grandi sfide per ridurre i costi economici ed ecologici. In particolare, l’aumento della durata dell’utensile e la riduzione dell’uso necessario di fluido da taglio possono dare un contributo significativo a una produzione sostenibile, a risparmio di risorse e competitiva in Germania. La produzione di utensili raffreddati internamente complessi e progettati individualmente mediante processi di produzione convenzionali è molto complessa, costosa e possibile solo in misura limitata.

La libertà geometrica di progettazione dei processi di produzione additiva offre un enorme potenziale in termini di fornitura di fluido da taglio personalizzata, mirata e con poche perdite. Elaborando materiali in polvere metallica, il processo Laser Powder Bed Fusion (LPBF) può essere utilizzato per riprogettare la fornitura di fluido da taglio degli utensili da taglio indicizzabili. Queste possibilità sono state esplorate nel progetto Tacoma (AiF) presso il Laboratorio di macchine utensili e ingegneria della produzione (WZL) dell'Università RWTH di Aquisgrana. L'obiettivo era sfruttare il potenziale degli utensili di fresatura prodotti in modo additivo utilizzando il processo LPBF per quanto riguarda un'alimentazione adattata del fluido da taglio per aumentare la durata dell'utensile e l'affidabilità del processo. Usando l'esempio delle frese con sedi tangenziali degli inserti, sono state dimostrate le possibilità e i limiti di canali di alimentazione del fluido ottimizzati e di un design con ugelli mirati. Il progetto si è concluso nel marzo 2023 dopo un periodo di tre anni e la collaborazione con l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT e un ampio consorzio di aziende partecipanti provenienti dai settori della produzione di utensili, produzione di macchine utensili, applicazioni e periferiche per fluidi da taglio.

Nel progetto di ricerca Tacoma sono stati sviluppati utensili di fresatura indicizzabili a fila singola e multifila con alimentazione mirata e a basse perdite di fluido da taglio, prodotti utilizzando il processo LPBF e analizzati in esperimenti di lavorazione. I risultati sono stati resi utilizzabili nelle linee guida di progettazione e nelle raccomandazioni per le PMI. Dopo la qualificazione di un acciaio da cementazione bassolegato 18MnCrMoV4-8-7 nel processo LPBF, durante le indagini fluidomeccaniche sono state identificate geometrie di canali e ugelli adatte. Sfruttando la libertà geometrica della progettazione è stato possibile ridurre le perdite di portata fino al 21% e modellare il getto privo di fluido da taglio in modo più mirato mediante forme degli ugelli adattate.

I risultati sono stati poi utilizzati nella progettazione di un sistema di alimentazione del fluido adattato nell'utensile di fresatura. La progettazione è stata supportata da simulazioni numeriche CFD al fine di poter fare dichiarazioni sulla capacità prestazionale anche prima della validazione sperimentale. Testando un'ampia varietà di varianti di fornitura con elevata complessità geometrica e diversità negli utensili di fresatura prodotti in modo additivo per la sgrossatura dell'acciaio trattato termicamente 42CrMo4+QT e della lega di titanio Ti-6Al-4V, sono state estratte varianti adatte e risultati per un fluido da taglio ottimale sono stati ottenuti concetti di fornitura. L'adduzione mirata e con poche perdite del fluido da taglio al tagliente dell'utensile, soggetto a carichi meccanici e termici elevati, ha comportato un aumento della durata dell'utensile fino al 70% rispetto all'utensile di riferimento. Allo stesso tempo, la portata volumetrica è stata quasi dimezzata, riducendo così notevolmente il fabbisogno di energia elettrica della macchina utensile.

L’enorme aumento dell’efficienza e delle prestazioni d’uso può compensare i costi economici ed ecologici aggiuntivi nel processo di produzione degli utensili da taglio prodotti con la produzione additiva. In un calcolo dei costi esemplificativo, è stato stimato che il prezzo dell’utensile prodotto in modo additivo fosse quasi del 50% più alto rispetto a quello dell’utensile di riferimento prodotto in modo convenzionale. Considerando l'intera durata utile dell'utensile, i costi operativi per gli utensili prodotti da LPBF sono stati inferiori del 39% rispetto ai costi calcolati per l'utensile secondo lo stato della tecnica. I risultati di una valutazione del ciclo di vita secondo la norma DIN EN ISO 14040/44 hanno mostrato anche il potenziale per un impatto ambientale ridotto durante l'utilizzo dell'utensile. L'impronta di CO2 calcolata per la durata utile dell'utensile è stata ridotta del 20% grazie all'uso più efficiente del fluido da taglio e alla maggiore durata dell'utensile degli inserti da taglio.