Robotic Friction Stir Welding: la saldatura sostenibile secondo Fanuc

Fanuc partecipa alla tavola rotonda di avvicinamento a SPS Italia 2019 dal titolo “Non solo robotica: l’evoluzione delle tecnologie e delle competenze nei settori Automotive e Aerospace”, in programma il giorno 10 aprile a Torino presso il CNH Industrial Village e organizzata da Messe Frankfurt Italia.

Nel distretto produttivo del settore automobilistico per eccellenza, operatori professionali, end-user, fornitori di tecnologie digitali e di automazione si confronteranno sugli sviluppi di uno dei comparti industriali italiani più dinamici e competitivi a livello internazionale.

Il contributo di Fanuc verterà sulla presentazione delle soluzioni per l’automotive e l’aerospace dell’azienda giapponese, con particolare rilievo per la rivoluzionaria tecnica della Friction Stir Welding (FSW), i suoi ambiti di applicazione e StirRob, il robot per la FSW sviluppato insieme a FPT Industrie.

La saldatura è un procedimento che pone non pochi problemi in termini di sicurezza e salute ambientale. Oggi, grazie ai vantaggi offerti dall’automazione, è possibile ovviare a questi inconvenienti e diffondere soluzioni più performanti e più sicure.

Inventata nel 1991 dal The Welding Institute, l’Istituto della Saldatura Inglese con sede a Cambridge, la Friction Stir Welding è un tipo di saldatura per attrito che prevede la saldatura di due parti di metallo senza l’aggiunta di materiale, a differenza della saldatura tradizionale. La giunzione ha luogo attraverso l’attrito (Friction), effettuato da una fresa in rotazione ad alta velocità che esercita pressione sui due pezzi da unire; l’attrito genera calore, così da rendere i due pezzi malleabili e attuare il rimescolamento (Stir) dei materiali portati allo stato plastico.

A processo terminato i due materiali saldati (Welding) risultano assolutamente indistinguibili; addirittura, la parte dove ha avuto luogo la giunzione presenta delle caratteristiche metallurgiche superiori a quelle dei due materiali iniziali, riuscendo a sopportare la piegatura anche di 90° sulla saldatura, dimostrando così la straordinaria resistenza meccanica del giunto.

La FSW viene utilizzata principalmente per saldare alluminio pressofuso o estruso, in applicazioni che richiedono saldature ad alte prestazioni e resistenza. Grazie a questa tecnologia è possibile unire materiali tipicamente molto difficili da saldare tra loro, come ad esempio alluminio, leghe di alluminio e rame, titanio e acciaio.

Oltre a consentire lavorazioni fino ad oggi considerate molto difficili e ad assicurare giunzioni senza apporto di materiale (quindi pure e più leggere), la FSW ha anche il vantaggio di essere una tecnologia “green” (environmental and operator-friendly), dal momento che non vengono prodotti fumi, vapori e irraggiamenti. Inoltre, richiede un minor apporto energetico rispetto alla saldatura tradizionale (minor costo unitario per saldatura).

Si tratta di un processo di saldatura deterministico, che offre un’ottima stabilità, ripetibilità e affidabilità, e può essere utilizzato per riparare saldature MIG difettose.

I campi di applicazione della FSW sono quelli dell’aerospace per la saldatura di componenti strutturali a sostituzione della rivettatura, con il vantaggio di ridurre il peso unendo i materiali in modo definitivo come se ne fosse avvenuta la fusione, o per andare a riparare pezzi che presentano una cricca senza alterare le caratteristiche meccaniche immettendo un terzo materiale.

Con la FSW è poi possibile realizzare contenitori completamente ermetici per la strumentazione elettronica, altrimenti impossibili da ottenere con la fusione o con il vuoto garantito con la saldatura tradizionale.

Le medesime necessità di isolamento sono presenti nell’automotive: le auto elettriche, infatti, presentano diversi componenti di elettronica di potenza che devono essere isolati o raffreddati in modo appropriato; la FSW consente di realizzare scatole e canali per il passaggio dei liquidi di raffreddamento che sono davvero ermetici. Grazie al fatto che si possono unire acciaio e alluminio, i telai delle auto risulteranno più leggeri ed è consentito l’impiego dell’acciaio in cardini e cerniere dove questo è fondamentale.

FPT Industrie e Fanuc hanno sviluppato insieme StirRob, la prima soluzione robotizzata dedicata alla FSW; si tratta della scelta ideale in termini di costo/prestazioni quando si devono effettuare saldature di piccole parti.

In virtù della notevole forza esercitata dalla fresa – e quindi dal robot – nella prima fase del processo, ed essendo fondamentale il controllo del robot sui 6 assi, che serve a facilitare l’avvio del processo, e l’utilizzo di mandrini in materiali ultraresistenti che consentono di mantenere l’utensile fermo in posizione durante l’intera lavorazione, è stato utilizzato un robot Fanuc M-900iB/700. Si tratta di un 6 assi rigido e preciso, che permette di esercitare la forza richiesta dalla FSW ed ha la caratteristica di essere dotato di un doppio sistema di misura con encoder montati sia sui motori che sui giunti, necessaria per garantire pressione e precisione.

Il potente controllore R30-iB Plus assicura prestazioni ottimali e massima efficienza, con gestione del doppio encoder e mappatura tridimensionale della posizione del robot per la gestione della compensazione. Un controllore esterno sviluppato da FPT gestisce il movimento del mandrino, il raggiungimento del momento plastico del materiale (attraverso sensori di temperatura) e l’intero processo di saldatura dei materiali.

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