Il bollettino E The Sharp Gennaio 2021

Quando nel 2011 ANCA ha stretto una collaborazione con Precorp (ora parte del gruppo Sandvik-Coromant) per realizzare la macchina di elettrorettifica EDG, la missione era chiara: le due aziende volevano creare una piattaforma rotativa di elettroerosione ad alte prestazioni che non solo realizzasse strutture utensile ottimali, ma vantasse anche tempi ciclo leader sul mercato.

Fu Pat Boland, fondatore e amministratore delegato di ANCA, a intuire rapidamente che per superare la concorrenza dominante serviva il cervello e non la forza. "Il processo di erosione è semplice nella sua complessità. Alla base vi sono elettrodi positivi e negativi, dotati di elettroliti per generare scintille sulla superficie del materiale. Da 45 anni ANCA realizza i migliori utensili in carburo e acciaio rapido, e volevamo sfruttare quelle competenze per gli utensili in PCD,” racconta Pat.

Le macchine EDG ANCA dovevano essere abbastanza semplici da permettere di realizzare facilmente ogni genere di utensile brasato scanalato a taglio, ma sufficientemente complesse da permettere di creare infinite tipologie di utensili a punta solida, grezzi e Chevron. Pat aggiunge: “Ci siamo presto resi conto che, vista la complessità delle strutture utensile che volevamo permettere ai nostri clienti di creare, sarebbe stato difficile realizzare l'interpolazione a 5 assi mantenendo una distanza di erosione precisa.”

È qui che Boland, il quale aveva conseguito un Master in ingegneria elettronica all'Università di Melbourne, ha bussato alla porta della RMIT University di Melbourne e ha così fatto la conoscenza del dottorando in ingegneria elettrica, oggi dottore, Kotler Tee. Il dottor Tee ebbe suggerimenti preziosi per lui e fu rapidamente assunto da ANCA per guidare la creazione e l'implementazione del processo di elettroerosione. Lavorando fianco a fianco, Boland e Tee formularono nuove idee e crearono quello che oggigiorno è senza dubbio il processo di erosione più avanzato dal punto di vista tecnologico sul mercato.
 
Fase 1: mantenere la distanza di erosione ottimale con l'IAC

La prima sfida consisteva nel mantenere la distanza ottimale di erosione sia per le interpolazioni 2D semplici che per le interpolazioni di percorsi 3D complessi. “Mantenere la distanza ottimale durante l’erosione è fondamentale per la piena efficacia del processo. Non è difficile nelle interpolazioni di percorsi 2D rotativi; tuttavia, quando un’interpolazione 3D comprende 4 o 5 assi in movimento simultaneo, le modifiche alla superficie, al volume e al percorso diventano impegnative,” afferma il dott. Tee. “In base ai nostri test, sapevamo che lo standard prevedeva semplicemente di impostare la velocità di avanzamento della macchina al minimo consentito per mantenere una distanza utile dalle scintille. Eppure, ciò avrebbe aumentato l’air time e ridotto drasticamente le velocità di avanzamento.”  Per mantenere una velocità elevata e mantenere la distanza di erosione ottimale, è nata l’idea dell’Intelligent Adaptative Control (IAC).

Si tratta di una funzionalità servocomandata capace di monitorare e controllare la distanza di erosione in tempo reale durante il processo. Servendosi della funzionalità EtherCAT del sistema di controllo ANCA Motion AMD5x, l’IAC sincronizza i movimenti della macchina con le prestazioni del generatore. Regola e mantiene così la distanza ottimale dalle scintille, il che è molto importante nell’erosione di strutture 3D come le scanalature in PCD e le sgrossature su punte e frese a codolo. Con strutture che cambiano anche su 5 assi simultaneamente, l’IAC adatta in automatico la distanza e la velocità di avanzamento della macchina per ottimizzare la velocità di erosione e la finitura della superficie. Non soltanto le velocità vengono aumentate quando l’erosione avviene su percorsi lineari, ma possono anche essere diminuite in caso di cambiamenti di percorso.

“Le svolte e le rotazioni lungo il percorso di erosione possono fare sì che l’elettrodo rotante entri a stretto contatto con l’utensile o si sganci da esso. Il risultato sono scintille talvolta ottimali, talvolta pessime o mancanti lungo la traiettoria,” aggiunge il dott. Tee. L’IAC ne tiene conto in automatico e mantiene la velocità di avanzamento maggiore possibile sulla lunghezza di qualsiasi percorso modificabile. Nel complesso, questo permette di aumentare le velocità, ridurre al minimo i danni termici, ottenere una finitura di superficie di qualità superiore, aumentare il tasso di asportazione del materiale (MRR) e diminuire il tempo ciclo.

Un ulteriore vantaggio dell’IAC è la facilità di realizzazione dei micro-utensili in carburo e PCD. Poiché questa funzionalità mantiene la distanza ottimale, la probabilità di collisioni con la mola e quindi di rottura dell’utensile sono bassissime. Questo aspetto è fondamentale nell’erosione di utensili sotto gli 0,5 mm.


Fase 2: ottimizzare il processo di erosione con l’ASC

La sfida successiva è stata creare scintille ottimali per favorire il processo di erosione. La corrente, la tensione, la durata, l’intervallo tra le scariche e di conseguenza la loro intensità variano a seconda del materiale lavorato. Pertanto, il PCD richiederà determinati parametri rispetto al carburo e all’acciaio rapido. La difficoltà è che i wafer in PCD sono generalmente da 0,6 mm con rivestimento da 1 mm in carburo. Il PCD sinterizzato, come per il processo Precorp-Sandvik “grezzo”, gli utensili Chevron e quelli a punta solida vengono anch’essi formati su un sostegno in carburo. Nelle erosioni aggressive, come le operazioni di sgrossatura, l’elettrodo rotante in rame erode il bordo PCD-carburo. Con i parametri di erosione ottimizzati per il PCD si può inavvertitamente erodere troppo lo strato di carburo, il che a sua volta provoca una sovraerosione sul bordo tra i due materiali: si parla di “sottolavorazione” in quanto viene eroso in maniera selettiva il carburo sottostante al PCD. Non solo: ciò può causare il “cobalt leaching”, che si verifica quando il cobalto, legante del PCD, viene eroso lasciando esposti intacchi di PCD.

Sarebbe come scavare sotto le fondazioni di una strada pavimentata: escavando troppo materiale, la strada finirà per crollare. Dai test sulle macchine è emerso che la sottolavorazione e il cobalt leaching durante una sgrossatura pesante causano un bordo friabile lungo il tagliente e un’usura precoce dell’utensile. Per evitare che ciò accada e per ottimizzare il processo di erosione è stato creato l’Adaptive Spark Control (ASC).

 
L’ASC si serve del servosistema ultra-veloce EtherCAT insieme ai processori DSP (Digital Signal Processors) e ai FPGA (Field Programmable Gate Arrays) sul generatore di elettroerosione, che è in grado di monitorare ed elaborare ogni scintilla in tempo reale. La forma d’onda di ciascuna scintilla viene monitorata in automatico e categorizzata in base al materiale eroso, alla distanza di erosione e ad altri fattori essenziali per un processo ottimale. Il generatore può quindi adattare dinamicamente il livello di energia di ogni singola scintilla (corrente, tensione, durata e intervallo) affinché sia compatibile con il materiale eroso.

L’ASC ottimizza il processo di erosione, riducendo la separazione del cobalto e la sottolavorazione sul bordo tra PCD e carburo.  Il tagliente ne esce così rinforzato e la finitura dell’utensile è tale che questo è meno soggetto alle scheggiature, per una durata più lunga, una minore usura e costi utensile più bassi. I test sugli utensili idonei alla lavorazione dei materiali plastici in fibra di carbonio (CFRP) hanno dimostrato un aumento della vita utensile anche del 60%.

Questi controlli intelligenti dell’erosione sono ora protetti da brevetti attribuiti ad ANCA.

 
Fase 3: potenziare l’elettronica con il generatore ANCA Motion SparX Erosion

Il pezzo mancante del puzzle era l’ottimizzazione dell’elettronica per consentire un’erosione ancora maggiore e più aggressiva, mantenendo al contempo ottimi risultati di finitura della superficie. Per riuscirci, ANCA si è affidata alle competenze della consociata ANCA Motion. Richard Colin, ingegnere elettronico senior, ha ricevuto il compito di creare il generatore leader nel settore sulla base della servopiattaforma AMD5x. Richard era esperto di alte frequenze ed elettronica ad alta potenza in quanto, prima di lavorare per ANCA Motion, aveva progettato Ground Power Unit (GPU) per l’aviazione. Ancora oggi Richard non si separa mai dalla sua giacca di pelle Pratt and Whitney. “Ho colto quest’opportunità al volo. Aspettavo da tempo l’occasione di lavorare con sistemi elettronici a semiconduttore di ultima generazione con velocità di commutazione ad ampia banda proibita”.

Rispetto alla componentistica equivalente, questa tecnologia nell'ordine dei Megaampere per impulso consente ai clienti ANCA di sfruttare una gamma di potenza superiore. Il generatore ANCA Motion SparX Erosion dimostra prestazioni superiori nella gamma di operazioni che vanno dalla sgrossatura super pesante alla finitura ultra-fine, servendosi della tecnologia PICO Pulse per l’ablazione ad alta densità energetica. Questo permette di offrire ai clienti una capacità di controllo superiore, velocità di avanzamento ottimizzate, una qualità superiore delle superfici e tempi ciclo drasticamente ridotti. Una precisione tale consente processi di erosione che spaziano da impulsi a bassissima energia per finiture ultra-sottili, fino agli impulsi ad alta densità di energia per la rimozione rapida di materiale.
Nel processo di erosione del PCD, il tempo ciclo è direttamente legato all’MRR. Il generatore ANCA Motion SparX Erosion consente un aumento senza precedenti dell’MRR grazie alla nuova sgrossatura super-pesante e alla finitura super e ultra-sottile. Il risultato è una rimozione del materiale a velocità mai viste prima nonché il dimezzamento del tempo ciclo rispetto alle macchine della concorrenza. Senza dubbio il tempo ciclo più breve sul mercato. Anche la qualità della superficie erosa viene migliorata in tutte le modalità di potenza. È facile ottenere superfici lucidate di Ra < 0,1 µm e Rz < 0,5 µm mediante il nuovo processo di finitura ultra-sottile con tecnologia PICO Pulse. Queste operazioni consentono di realizzare taglienti di qualità superiore, necessari per le applicazioni più impegnative degli utensili da taglio.
L’uso dell’intelligenza in un settore un tempo dominato dall’elettronica di forza bruta non  dà soltanto un vantaggio competitivo ad ANCA, ma consente anche un approccio più smart alla costruzione di utensili. “La differenza tra il nostro approccio e quello dei nostri concorrenti è che ANCA si concentra sugli obiettivi che i clienti si pongono di raggiungere con il processo di erosione. Ci hanno chiesto vigorosamente un processo ottimizzato per gli utensili in PCD elicoidali e circolari. Abbiamo lavorato a stretto contatto con ANCA Motion per progettare un generatore di elettroerosione compatibile non soltanto con gli utensili da taglio, bensì con una gamma infinita di strutture altamente complesse, piuttosto che riutilizzare il generatore originariamente creato per l’elettroerosione a filo. Il nostro approccio ha rivoluzionato il settore. Lasciamo che siano le strutture a dettare il processo e non il processo a dettare le strutture disponibili.”

“Abbiamo vinto la forza bruta con l’intelligenza, proprio come la tartaruga ha superato la lepre,” scherza il dott. Tee.

 

15 gennaio 2021