Gli ausili di produzione sono strumenti quali maschere, attrezzature fisse, calibri, dima e utensili di presa (EOAT) utilizzati nei processi di produzione e assemblaggio. Piuttosto che essere parti destinate all’uso finale o a contatto con il cliente, si tratta di strumenti specifici per il processo, progettati per migliorare la precisione, la ripetibilità, la sicurezza e l’efficienza in fabbrica. Tradizionalmente, gli ausili di produzione vengono lavorati utilizzando il metallo, mentre quelli moderni vengono sempre più spesso stampati in 3D per essere più leggeri, adattarsi a geometrie complesse e ridurre i costi e i tempi di consegna per le piccole serie o quando i requisiti cambiano frequentemente.
I principali tipi di ausili di produzione includono maschere, attrezzature fisse, calibri, dima, utensili terminali (EOAT), ausili di assemblaggio e utensili di formatura.
Ogni tipo di ausilio di produzione ha una funzione specifica da svolgere. Può trattarsi di guidare gli utensili, tenere in posizione i pezzi, controllare le dimensioni, supportare l'automazione o aiutare a prevenire errori di assemblaggio. Migliorano l'uniformità, supportano il controllo qualità e aiutano a mantenere la produzione senza intoppi. Vediamo alcuni esempi comuni.
Le maschere guidano un utensile da taglio o di foratura, in modo che l'operazione avvenga sempre nello stesso punto e con la stessa angolazione.
Le maschere di foratura ne sono un ottimo esempio. Tradizionalmente, la lavorazione di una maschera di foratura temprata può richiedere diverse settimane. Nella lavorazione tradizionale, la realizzazione di una maschera di foratura temprata può richiedere settimane. Se il progetto del pezzo subisce modifiche, la rilavorazione comporta costi aggiuntivi e ritardi. Con la produzione additiva, geometrie complesse, boccole integrate e caratteristiche ergonomiche possono essere stampate in poche ore e, talvolta, anche come un unico pezzo.
I dispositivi di fissaggio mantengono il pezzo in posizione. I dispositivi di fissaggio stabilizzano i componenti durante la lavorazione, la saldatura o l'assemblaggio.
Ma la loro creazione con metodi tradizionali comporta spesso lunghi tempi di consegna da parte dei fornitori, utensili in acciaio più pesanti che causano affaticamento e sforzo all'operatore e costose riprogettazioni quando sono necessarie modifiche.
I dispositivi di fissaggio stampati in 3D, d'altra parte, possono ridurre il peso del 50-80% rispetto agli equivalenti in metallo lavorati. Ciò migliora la movimentazione dei materiali, la velocità di cambio formato e la sicurezza dell'operatore.
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I calibri e i dispositivi di ispezione misurano la precisione dimensionale e la ripetibilità. Può trattarsi del diametro di un foro, di una filettatura, dell'altezza di una superficie o di più caratteristiche contemporaneamente.
Per le piccole serie o il lancio di nuovi prodotti, la lavorazione di calibri e dispositivi di ispezione in alluminio può essere eccessiva, data la durata del programma. La stampa 3D consente una produzione molto più rapida di calibri su misura, in particolare per forme più complesse che sarebbero difficili da lavorare.
I modelli sono semplici strumenti di posizionamento utilizzati per la marcatura, il rifilatura, la foratura, la fresatura o l'allineamento. Sono comuni nella fabbricazione, nei compositi, nella lavorazione della lamiera, nella lavorazione del legno e negli assemblaggi di grande formato, dove è necessaria una parte fisica altamente precisa.
Tradizionalmente, le dime vengono tagliate da pannelli di alluminio, acciaio o composito. Pertanto, per programmi a basso volume o parti di grandi dimensioni, la lavorazione può richiedere molto tempo e consumare molti materiali.
Con la produzione additiva, le dime possono essere prodotte rapidamente, anche in grandi dimensioni, e possono gestire facilmente contorni complessi, marcature di allineamento e geometrie specifiche dei pezzi.
L'attrezzatura di fine braccio (EOAT) è l'hardware montato su un robot che interagisce effettivamente con il pezzo, come pinze, strumenti a vuoto, dita meccaniche o dispositivi di prelievo personalizzati. Negli ambienti automatizzati, l'EOAT influisce direttamente sui tempi del ciclo di produzione, sui limiti di peso e sui tempi di attività.
Tradizionalmente, l'EOAT è lavorato a macchina in alluminio e assemblato da più componenti. È resistente, ma spesso più pesante del necessario.
La produzione additiva consente di progettare l'utensile intorno al pezzo e al robot contemporaneamente. È possibile ridurre il peso per diminuire il carico sul robot, integrare internamente i canali del vuoto, combinare più componenti in un'unica struttura e modellare le superfici di contatto per adattarle a geometrie complesse.
Un EOAT più leggero comporta un minor carico sul robot, il che può migliorare l'accelerazione e ridurre l'usura nel tempo.
Gli ausili di assemblaggio supportano gli operatori durante le operazioni di assemblaggio manuali o semiautomatiche.
Possono tenere i pezzi in posizione durante il fissaggio, imporre l’orientamento in modo che i componenti non possano essere installati in modo errato, guidare cavi o tubi e supportare sequenze di assemblaggio in più fasi.
In un reparto di produzione molto trafficato, piccoli errori possono sommarsi, quindi gli ausili di assemblaggio sono spesso progettati secondo i principi del poka-yoke ("a prova di errore" in giapponese) per impedire fisicamente assemblaggi errati, piuttosto che affidarsi alla memoria dell'operatore o a liste di controllo.
Abbiamo riscontrato che i dispositivi di assemblaggio lavorati sono spesso sovradimensionati rispetto al carico che gestiscono tipicamente. La produzione additiva rende più facile progettare strumenti leggeri ed ergonomici su misura per l’esatta geometria del pezzo, risparmiando tempo, costi dei materiali e affaticamento dell’operatore.
Gli strumenti di formatura includono ganasce morbide, strumenti di piegatura, dispositivi di rifilatura, stampi di laminazione, strumenti di termoformatura e altri ausili per la modellatura dei pezzi.
Nella produzione ad alto volume, gli utensili in acciaio temprato hanno ancora senso perché sono costruiti per milioni di cicli. Ma non tutti i lavori vengono eseguiti su quella scala e, per le piccole serie, gli utensili ponte, le transizioni dal prototipo alla produzione o i programmi con geometria in evoluzione, la lavorazione di utensili completamente temprati può richiedere tempo e budget.
La produzione additiva viene sempre più utilizzata per:
La stampa 3D rappresenta un'alternativa interessante, grazie alla velocità, alla capacità di adattare con precisione la geometria degli utensili al pezzo, di iterare rapidamente ed evitare un eccessivo investimento in utensili metallici nelle prime fasi.
Gli ausili di produzione vengono utilizzati in fase di assemblaggio, lavorazione meccanica, ispezione, saldatura, imballaggio, movimentazione dei materiali e automazione robotica. Questi strumenti garantiscono la ripetibilità, riducono gli scarti, controllano i tempi di ciclo e assicurano il regolare svolgimento della produzione in fabbrica. Se realizzati con la produzione additiva, possono essere consegnati più rapidamente e adattati in tempi brevi all'evolversi delle esigenze di produzione.
Sulla linea di assemblaggio, la ripetibilità è fondamentale. Le maschere e i dispositivi di serraggio posizionano i pezzi in modo coerente, consentendo agli operatori di fissare, incollare o assemblare i componenti senza approssimazioni. Quando i pezzi sono fissati correttamente, i tempi di ciclo si stabilizzano e le variazioni diminuiscono.
La sfida della lavorazione tradizionale è la velocità. Se viene lanciata una nuova variante di prodotto o cambia la disposizione dei fori, potrebbe essere necessario rielaborare o sostituire il dispositivo di fissaggio. La produzione additiva consente di aggiornare rapidamente gli ausili di assemblaggio e i dispositivi di fissaggio, riducendo i tempi di inattività e mantenendo la linea in movimento.
I dispositivi di controllo e i calibri verificano se i pezzi soddisfano i requisiti dimensionali. Quando gli strumenti di ispezione subiscono ritardi, la convalida rallenta e le prime fasi di produzione si basano maggiormente sulla misurazione manuale.
Con la produzione additiva, è possibile produrre dispositivi di ispezione in pochi giorni anziché in settimane, anche quelli con geometrie complesse. Ciò porta a una convalida più rapida, a una maggiore uniformità e a un rilevamento precoce dei problemi dimensionali. Nel caso di Valeo, il tempo di ispezione è stato ridotto da 25 minuti a soli 20 secondi.
I dispositivi di fissaggio e i modelli rigidi mantengono i componenti nella posizione corretta durante la saldatura o l'incollaggio. Se i componenti si spostano o non sono posizionati correttamente, si ottengono distorsioni, disallineamenti e rilavorazioni.
I dispositivi di fissaggio tradizionali saldati o lavorati a macchina sono resistenti, ma spesso sono pesanti e lenti da produrre. Gli strumenti di posizionamento stampati in 3D possono essere realizzati molto più rapidamente e sono progettati per essere più leggeri e maneggevoli.
Per lavori di fabbricazione di volume medio-basso, ciò contribuisce a ridurre i tempi di configurazione e a controllare i costi degli utensili, pur mantenendo la precisione.
Anche nelle officine specializzate nella lavorazione meccanica, gli ausili di produzione svolgono un ruolo fondamentale. Ganasce morbide, maschere di foratura e dispositivi di serraggio personalizzati mantengono i pezzi fermi durante la lavorazione CNC e le operazioni secondarie. Quando questi strumenti subiscono ritardi, le macchine rimangono inattive o gli operatori devono improvvisare.
La produzione additiva consente di produrre rapidamente ganasce morbide e guide di foratura, spesso in pochi giorni anziché in settimane. Ciò libera la capacità CNC per la produzione di parti anziché per l'attrezzatura interna e contribuisce a ridurre i colli di bottiglia.
Gli ausili di produzione vengono utilizzati anche tra un processo e l'altro, come vassoi personalizzati, nest e supporti che proteggono i pezzi durante la movimentazione dei materiali, il trasporto e l'imballaggio.
La produzione additiva semplifica la realizzazione di supporti leggeri e su misura che si adattano perfettamente alla geometria del pezzo. Ciò migliora la protezione e riduce gli sprechi.
Nelle celle automatizzate, l'End-of-Arm Tooling (EOAT) deve afferrare saldamente i pezzi e ripetere lo stesso movimento migliaia di volte al giorno.
Tradizionalmente, l'EOAT è lavorato a macchina in alluminio, che funziona bene ma può essere più pesante del necessario. La produzione additiva consente di modellare l'utensile esattamente in base al pezzo e spesso di renderlo più leggero.
Un utensile più leggero riduce il carico sul robot. Nelle celle più veloci, ciò può contribuire a migliorare il movimento e a ridurre lo sforzo sul sistema nel tempo.
I moderni ausili di produzione stampati in 3D aumentano l'efficienza produttiva, migliorano la precisione, riducono l'errore umano, aumentano la sicurezza, abbassano i costi di attrezzaggio e consentono un adattamento più rapido alle modifiche di progettazione.
Non stiamo suggerendo di sostituire ogni utensile lavorato in fabbrica; l'acciaio temprato e l'alluminio sono ancora indicati per applicazioni ad alto volume, ad alto calore o a carico estremo. Ma con la produzione additiva, invece di proteggere l'utensile perché ci sono volute sei settimane per ottenerlo, è possibile dedicare un paio d'ore a perfezionarlo affinché funzioni meglio e si adatti meglio.
Una delle principali obiezioni alla produzione di utensili con tecniche additive riguarda la resistenza dei materiali. In realtà, non tutte le applicazioni richiedono l'uso di alluminio o acciaio. Molti ausili di produzione richiedono rigidità piuttosto che resistenza massima, e i polimeri di grado ingegneristico e i materiali rinforzati con fibra di carbonio offrono la rigidità, la resistenza agli urti e la stabilità termica necessarie per l'uso in ambiente industriale. La chiave sta nell'abbinare il materiale all'applicazione, invece di ricorrere automaticamente al metallo.
Gli utensili stampati in 3D possono essere prodotti utilizzando un'ampia gamma di materiali, tra cui termoplastici standard, polimeri di grado tecnico, compositi ad alte prestazioni, materiali flessibili e resine di produzione. La scelta del materiale migliore dipende dal carico meccanico, dall'esposizione alla temperatura, dalla resistenza chimica e dalla durata richiesta in ambiente industriale.
I termoplastici standard sono spesso ideali per ausili di produzione leggeri.
Materiali come l'ABS, l'ASA o i nylon standard sono comunemente utilizzati per ausili di assemblaggio, maschere di foratura per carichi moderati, dima e modelli rigidi, dispositivi di controllo di base e guide di rifilatura e fresatura.
Per gli utensili sottoposti a sollecitazioni meccaniche limitate e a bassa esposizione al calore, i termoplastici standard sono più che adeguati e offrono tempi di costruzione rapidi, costi dei materiali inferiori e sono adatti a piccole serie o programmi in evoluzione.
Con la tecnologia FDM si ottengono polimeri di grado ingegneristico come i nylon rinforzati e altri materiali che la rendono una valida alternativa alla lavorazione tradizionale. Presentano elevati rapporti rigidità/peso, forte resistenza agli urti, buone prestazioni a fatica, resistenza chimica ed eccellente stabilità dimensionale.
Ciò rende questi materiali particolarmente adatti per dispositivi di serraggio, dispositivi di assemblaggio strutturale, ganasce morbide CNC, maschere di foratura di produzione o ausili di produzione di grande formato.
In molte applicazioni di attrezzatura documentate, le aziende segnalano una riduzione dei costi fino al 70% e una riduzione dei tempi di consegna da settimane a giorni quando sostituiscono i dispositivi in alluminio lavorati con alternative prodotte con FDM.
Per la maggior parte degli utensili strutturali che non vengono a contatto con forni o processi di polimerizzazione ad alta temperatura, questa categoria copre un'ampia gamma di casi d'uso.
Quando il calore, l'esposizione chimica o lo stress meccanico aumentano, i termoplastici ad alte prestazioni danno il meglio di sé. Materiali come la resina e i polimeri avanzati ad alte prestazioni offrono elevate temperature di deflessione termica, forti proprietà meccaniche, eccellente resistenza chimica e durata a lungo termine.
Ciò li rende ideali per l'ambiente di produzione, in particolare per:
I materiali compositi, e in particolare i polimeri rinforzati con fibra di carbonio, sono ampiamente utilizzati nella produzione di utensili additivi grazie alla loro rigidità. Sono sempre più scelti per grandi dispositivi di serraggio, utensili a campata lunga, EOAT e pinze robotiche, grazie alla loro eccellente rigidità, alla ridotta deflessione e al notevole risparmio di peso rispetto al metallo.
Quando la rigidità è più importante della resistenza massima, i compositi sono spesso la scelta migliore.
I materiali flessibili vengono utilizzati quando l'attrezzatura richiede una conformità controllata anziché un contatto rigido. Sono comunemente applicati a cuscinetti di presa, interfacce protettive e superfici di contatto dei pezzi dove i componenti finiti potrebbero essere graffiati o danneggiati.
Assorbendo le vibrazioni e distribuendo la pressione in modo più uniforme, questi materiali contribuiscono a ridurre i difetti estetici e gli scarti. Materiali durevoli come ToughONE per PolyJet combinano dettagli precisi con una maggiore resistenza, rendendoli adatti per dispositivi di ispezione di precisione e ausili di produzione in materiali misti.
Le resine di produzione e i fotopolimeri vengono utilizzati quando la finitura superficiale e la precisione dimensionale sono fondamentali. Sono particolarmente adatti per dispositivi di ispezione, calibri di controllo, guide di foratura per dettagli fini e utensili che devono convalidare geometrie complesse.
I sistemi ad alta risoluzione, come le piattaforme SLA industriali, possono produrre attrezzature di grandi dimensioni e precise con superfici lisce e tolleranze strette. Nelle applicazioni di controllo qualità, quel livello di dettaglio e ripetibilità è spesso più importante della massima resistenza strutturale.
