Ricercatori impiegano la metrologia 3D per fare ricerche nel campo dei metodi di produzione per componenti di metallo

La città di Brema è nota per i suoi famosi Musicanti. Ma gli appassionati di ingegneria sanno che il nuovo simbolo della città anseatica è l’Ingegneria della Deformazione. Il termine è stato coniato dall’Università di Brema in cui nel 2001 venne creata l’Area Speciale di Ricerca 570 che porta lo stesso nome e riceve finanziamenti dalla Fondazione Tedesca per la Ricerca (DFG). L’Istituto di Brema per la Metrologia, Automazione e la Scienza della Qualità (BIMAQ) svolge un ruolo attivo in questo programma. L’Istituto usa una Leitz Reference per investigare le cause della deformazione in componenti tipici dell’auto. Un altro progetto BIMAQ è dedicato all’energia eolica. In futuro le misure dei componenti delle dentature di grandi dimensioni offriranno informazioni preziose per l’ottimizzazione della produzione.

BIMAQ è fiera di possedere un laboratorio di misura ben attrezzato. In una sala metrologica climatizzata di 160 m2, l’istituto possiede strumenti di misura a coordinate di elevata precisione, per ruote dentate e rugosità di ogni tipo e caratteristiche. Questi vanno ad aggiungersi ad altri sistemi di misura per la verifica in-process e l’analisi non distruttiva dei bordi con l’uso di sistemi di rilevamento tattili, ottici, termici, magnetici, acustici e sensori. Al centro vi è una Leitz Reference con una corsa di misura di 1.000 x 700 x 600 mm e il software di misura QUINDOS 7.

Oggetti da testare: dentature tipiche dell’automotive

I ricercatori usano la CMM per studi approfonditi sulle deformazioni delle dentature tipiche dell’automotive. “L’Area Speciale di Ricerca Distortion Engineering è stata creata nel 2001. Ora siamo nell’ultima di tre fasi e stiamo rivolgendo la nostra attenzione alle dentature”, dice il Direttore dell’Istituto, il Professor Gert Goch. “Partiamo dal presupposto che la deformazione sia il risultato di diversi processi che interagiscono tra loro. Per questo motivo stiamo ora studiando l’intera catena di produzione delle dentature, ogni fase — dalla fusione, alla lavorazione, fino alla rettifica. I test comportano la misura di 1.800 ruote dentate che rappresentano ciascuna un determinato stato nel processo produttivo multi-fase. Derivano tutte dalla stessa barra di acciaio, hanno tutte un diametro di 120 mm e un foro con diametro di 45 mm. L’Istituto di tecnologia dei materiali supporta la BIMAQ nel progetto. Ha l’attrezzatura e la competenza necessaria per produrre queste ruote dentate. La “storia” delle ruote è documentata in modo molto scrupoloso e memorizzata in un database. In questo modo il personale nel laboratorio metrologico può scoprire esattamente in quale punto della produzione si verifica la deformazione.

“Noi misuriamo le ruote dentate nel modo più preciso e completo possibile e conformemente ai programmi di test”, afferma Martina Fuhrmann, ricercatrice alla BIMAQ. La Leitz Reference raccoglie 750 punti di misura al secondo, l’errore volumetrico della misura longitudinale della macchina di misura a coordinate è di 0,9 + L/350 µm, un buon punto di partenza per il lavoro dei ricercatori. “Noi usiamo la scansione ad alta velocità per registrare un gran numero di punti di misura sulle ruote dentate. Misuriamo 9 x 3 linee su tutti i denti per tracciare la topografia dei profili dei denti, e applichiamo lo stesso approccio meticoloso al lato anteriore della ruota dentata. Alla fine otteniamo una descrizione completa dell’oggetto. Valutiamo i punti misurati nel modo più completo possibile e determiniamo in questo modo qualunque scostamento e deformazione. In una fase successiva possiamo poi sviluppare nuove strategie per la produzione e la misura delle dentature”.

La strategia: componenti degli ingranaggi più stabili per l’energia eolica

Anche se questo progetto è ancora in una fase iniziale, il team usa la Leitz Reference per esplorare campi nuovi e promettenti. La produzione delle grandi scatole di ingranaggi per gli impianti di energia eolica offre un enorme potenziale per i miglioramenti. Questi impianti sono progettati per una durata di 20 anni. Tuttavia la maggior parte di queste scatole di ingranaggi devono essere sostituite prima, talvolta già sei anni dopo l’installazione. Inoltre è difficile ottenere pezzi di ricambio. Il libro degli ordini dei produttori è stracolmo e i tempi di consegna molto lunghi.

Non sorprende dunque che gli operatori dell’impianto facciano richieste di misura a contratto all’istituto. “Se si sospetta che vi sia un difetto nella ruota satellite, è probabile che si chieda il nostro intervento. Non si possono ottenere i disegni costruttivi. Sicchè per ricostruire il progetto della ruota satellite, gli operatori dello stabilimento devono ricorrere al classico reverse engineering. Con la Leitz Reference e il software di misura QUINDOS 7, che è particolarmente adatto per le dentature, possiamo misurare componenti fino ad un determinato diametro. Usando una ruota satellite con un diametro di 530 mm, la BIMAQ ha dato prova di saper padroneggiare la misura di geometrie non note. La ruota aveva delle rigature e doveva essere sostituita appena possibile. I ricercatori usavano la Leitz Reference e il software di misura QUINDOS 7 per misurare vari parametri, come il diametro primitivo, la forma del profilo, l’angolo di pressione e l’angolo di elica per stabilire la geometria della ruota dentata.

A causa degli enormi costi di manutenzione, i responsabili dello stabilimento premono per un miglioramento della qualità della scatola ingranaggi in modo che si possa ridurre la frequenza dei guasti. Queste sono le domande che si pongono alla BIMAQ: come si possono eseguire misure su grandi ruote cilindriche che siano significative dal punto di vista industriale, e che rendano possibile prevedere le caratteristiche funzionali e la durata di una ruota dentata? Quali sono le cause del malfunzionamento che in seguito causeranno dei danni, a parte la deformazione? Che misure si devono adottare per permettere ai produttori delle grandi ruote dentate di controllare e migliorare il loro processo di produzione? Si spera che le risposte vengano offerte dalla macchina di misura a coordinate della serie PMM-F con corsa di misura di 2500 x 2000 x 700, studiata per misurare componenti di grandi dimensioni.

La Leitz PMM-F: una fonte di informazioni estremamente precisa

“Non appena la nuova macchina sarà nella sala metrologica, potremo davvero partire con il progetto dell’energia eolica”, dice il Prof. Goch. “Hexagon Metrology ha elaborato un concetto adatto alle nostre esigenze. La nuova macchina andrà incassata a pavimento. Questo significa che il piano di misura sarà allo stesso livello del pavimento. I componenti degli impianti eolici arrivano attraverso una rampa e vengono poi trasportati alla PMM-F con un veicolo a cuscino d’aria. Questo semplifica di molto la gestione dei componenti.” La BIMAQ vuole usare la stessa strategia di misura per la misura dei componenti di energia eolica con la Leitz PMM-F: i set delle ruote dentate che rappresentano l’intera catena produttiva si devono misurare interamente. Gli errori geometrici che si verificano periodicamente, come gli errori di eccentricità e di passo, forniranno informazioni preziose ai ricercatori.

Tuttavia le conclusioni circa le cause dei danni e dei guasti delle stazioni di energia eolica si possono trarre solo assieme alle informazioni fornite dai sensori nei sistemi. I sensori misurano lo stato dei vari parametri fisici negli impianti eolici, come le vibrazioni. Ma questi dati non hanno sufficiente contenuto informativo. Per fornire queste informazioni, sarebbero necessari dei sensori in grado di misurare le forze dinamiche, le tensioni e i momenti per un decennio o più. Anche la BIMAQ è coinvolta nell’ottimizzazione di questi sensori - c’è molto da fare. Con le macchine di misura a coordinate Leitz, la BIMAQ è ben attrezzata per affrontare questo compito.