Dal taglio laser 3D alla manipolazione del pezzo. Può il robot essere la soluzione che stavi cercando?

I sistemi di taglio laser 3D si stanno diffondendo su larga scala in una sempre maggiore varietà di settori di applicazione: automotive, aerospace, veicoli industriali, motociclo e impianti di ogni genere.

Con l’aumento del numero di applicazioni, i produttori si imbattono in sfide sempre nuove e questo favorisce lo sviluppo di nuove tecnologie che coinvolgono l’ottimizzazione dei processi di taglio, il miglioramento del flusso dei materiali e la migliore gestione del riposizionamento del pezzo durante il ciclo di taglio laser 3D.

Perché usare la manipolazione robot nel taglio laser 3D

Il riposizionamento del pezzo avviene tutte le volte che le geometrie da tagliare non sono raggiungibili in un unico piazzamento.

Esempio di manipolazione robot del pezzo nel taglio laser 3D

Mentre questo tipo di necessità si presenta di rado in pezzi come imbutiti o stampati, si verifica quasi sempre nel taglio laser 3D di tubi idroformati o curvati, dove generalmente le operazioni di rifilo, foratura o taglio di geometrie lungo il diametro del tubo curvato o su facce opposte dell’idroformato portano a dover cambiare la posizione di taglio del pezzo anche più volte durante lo stesso ciclo di lavoro.

In questo tipo di applicazioni l’impiego del robot manipolatore gioca un ruolo essenziale e porta a dei vantaggi considerevoli in termini sia qualitativi che quantitativi:

• Migliore precisione: durante il riposizionamento del pezzo, l’operatore introduce inevitabilmente un errore più o meno grande e del tutto imprevedibile, errore che tuttavia non si verifica con il robot. La manipolazione robot per il riposizionamento del pezzo infatti garantisce un’ottima ripetibilità e migliora considerevolmente la precisione finale della lavorazione.
• Migliore produttività: l’uso della manipolazione robot fa sì che lo spostamento del pezzo da una posizione di taglio all’altra avvenga in modo rapido e efficiente, senza che sia più necessario interrompere il processo di lavoro per aprire i portelloni e riposizionare il pezzo manualmente. Questo non solo velocizza il ciclo di lavoro, ma semplifica anche il calcolo del tempo di ciclo e riduce il tempo di preventivazione.
• Maggiore fattibilità: l’uso del robot per la manipolazione del pezzo da tagliare  aumenta il numero delle possibili configurazioni che questo può assumere rispetto alla testa di taglio, permettendo al laser 3D di raggiungere le zone più anguste del pezzo e aumentare il numero di pezzi fattibili.
• Maggiore flessibilità: a differenza della maschera di sostegno del pezzo che generalmente rende inaccessibili ampie porzioni della superficie, la pinza del robot ha una zona di serraggio molto ridotta, così che quasi tutta la superficie risulta accessibile nello stesso ciclo di taglio.

Esempio di taglio laser 3D di un idroformato

La programmazione del robot manipolatore: un aspetto da non sottovalutare

In un sistema di taglio laser 3D che utilizza il robot per la manipolazione del pezzo, è importante che il software CAM per la programmazione del ciclo di lavoro gestisca anche i movimenti del robot manipolatore. Questo deve essere totalmente integrato nell’impianto non solo a livello meccanico, ma anche a livello software, e deve poter essere programmato offline in seno alla programmazione del ciclo di lavoro.

In questo modo l’operatore che poi programmerà il ciclo di taglio laser 3D dovrà solo sapere come programmare il software CAM che gestisce tutto l’impianto, robot compreso: non dovrà quindi sapere come programmare il robot manipolatore e non dovrà nemmeno avere conoscenze specifiche o una qualche esperienza di programmazione su quella specifica marca di robot, che sia ABB, KUKA, etc.

Per questo è importante scegliere impianti il cui software CAM sia in grado di programmare tutta la cella di lavoro: testa laser, robot manipolatore e gli altri sistemi che prendono parte al processo di taglio laser 3D.

Taglio laser robotizzato o taglio laser 5 assi, quali le differenze?

Il termine taglio laser 3D indica che la testa può tagliare il pezzo anche in direzione non perpendicolare alla sua superficie. Questo può avvenire su lamiere e su tubi dritti come anche su profili tridimensionali di qualsiasi tipo: imbutiti, tubi curvati, idroformati, stampati, etc.

5 assi sono indispensabili per questo tipo di lavorazione e nell’impianto di taglio laser 3D:

• 3 sono generalmente localizzati in un sistema cartesiano X, Y, Z di base atto a muovere la testa nello spazio;
• 2 sono invece in prossimità della testa di taglio e sono atti ad orientare correttamente la direzione del fascio.

In un sistema robot di taglio laser possono invece essere identificati i 6 assi del robot su cui è montata la testa di taglio e il settimo asse che permette all’ugello di avvicinarsi e allontanarsi dal pezzo.

Sebbene entrambi gli impianti siano stati sviluppati per lo stesso scopo, ossia il taglio laser di pezzi tridimensionali, hanno differenze sostanziali che è necessario conoscere per fare una scelta consapevole. Vediamo di seguito quali sono:

Il volume di lavoro

Il volume di lavoro in impianti di taglio laser 5 assi o in impianti robot di taglio laser ha forma molto diversa.
Gli impianti di taglio laser 5 assi hanno un volume di lavoro a forma di cuboide, mentre gli impianti robot di taglio laser hanno un volume di lavoro di forma simile a un ellissoide.

Il grado di libertà

Con grado di libertà intendiamo la libertà di movimento offerta dall’impianto alla testa laser. Si tratta di una caratteristica importante che ha un impatto diretto sia sulla fattibilità dei pezzi che sulla produttività dell’impianto stesso.

Il grado di libertà di un sistema di taglio laser 3D è ovviamente legato al suo numero di assi, motivo per cui i sistemi robot di taglio laser 3D hanno invece un grado di libertà maggiore rispetto ai sistemi di taglio laser 5 assi.

Ad esempio: nei sistemi robot di taglio laser 3D, i 6 assi permettono alla testa di tagliare anche in direzione verticale dal basso verso l’alto.

È bene comunque evidenziare che l’uso di un robot manipolatore per la movimentazione del pezzo incrementa enormemente il grado di libertà e fa sì che, in questi termini, la differenza fra 5 o 6 assi sia pressoché azzerata.

La precisione e la ripetibilità

La ripetibilità dei sistemi di taglio laser 5 assi e dei sistemi robot di taglio laser 3D di alta gamma è praticamente la stessa. Tuttavia, in termini di qualità del risultato ottenuto, i primi hanno una precisione mediamente superiore rispetto ai secondi principalmente a causa del sistema cartesiano.

Di seguito sono riportati alcuni valori tipo di precisione e ripetibilità per un sistema di taglio laser 5 assi e un sistema robot di taglio laser 3D, entrambi di alta gamma.

Entità dell’investimento

I costi di sistemi di taglio laser analoghi a quelli fino ad ora descritti possono essere molto diversi: ciò è principalmente dovuto al livello di automazione dell’intero processo, alle tecnologie implementate in macchina e alla possibilità di avere a che fare con una soluzione customizzata.

Volendo definire delle fasce di prezzo, possiamo individuare 3 tipologie di impianto:

• Sistemi di taglio laser 5 assi: sono delle vere e proprie macchine stand-alone con un costo che mediamente varia fra 500.000 € e 1.000.000 €, secondo il modello o la tecnologia implementata. Sebbene un sistema di movimentazione 5 assi sia più costoso di un robot, trattandosi di impianti “standard”, il loro costo viene contenuto dalla produzione di svariati modelli dello stesso tipo.
• Sistemi robot di taglio laser generalmente diffusi: sono spesso realizzati seguendo le specifiche richieste del cliente. Sebbene i componenti di cui sono fatti siano pezzi modulari standard, la customizzazione può portare a un notevole incremento dei prezzi e dei tempi di consegna. È infatti necessario tempo per progettare tutto l’impianto, come anche per collegare e programmare tutti i componenti nel modo giusto affinché possano eseguire quello per cui sono stati progettati.
  Il prezzo di questi impianti può essere molto vario: esistono per esempio impianti equipaggiati anche con più di un robot con testa di taglio laser 3D. Per questo tipo di soluzioni il prezzo può facilmente lievitare oltre il milione di euro.
• Sistemi robot di taglio laser compatti: come tecnologia pionieristica, il taglio laser 3D attira molti produttori che desiderano rinnovare la propria produzione. Al fine di garantire l'elevato livello di flessibilità e versatilità di una macchina standard (il controllo totale da un unico punto di gestione, la programmazione offline CAM, la messa a punto in macchina, ecc.) ed evitare i costi di personalizzazione in termini di tempo e denaro, alcuni produttori di macchine utensili hanno creato sistemi robot di taglio laser 3D compatti e standardizzati.
  Le soluzioni standardizzate offrono numerosi vantaggi poiché un produttore di macchine utensili comprende le sfide che i suoi clienti affrontano quotidianamente. Di conseguenza questi impianti già includono caratteristiche e funzioni che semplificano il processo di produzione, consentendo all'utente di programmare offline e andare rapidamente in macchina.
  La produzione è più flessibile, efficiente, facile e veloce, ma non solo: il servizio di assistenza tecnica è nettamente migliore, poiché una soluzione standard significa tecnici già addestrati e preparati per intervenire efficientemente quando necessario, e le parti di ricambio sono sempre disponibili. Il costo di produzione di questi impianti standard, viene contenuto dalla produzione di svariati modelli dello stesso tipo, tant'è che il prezzo di acquisto può generalmente variare da 300.000 € a 500.000 €.
  Ecco perché questo tipo di soluzione può rappresentare un modo estremamente vantaggioso per entrare nel mondo del taglio laser 3D con un investimento limitato e con una macchina dotata dell’esperienza e della tecnologia di un sistema di taglio laser CNC.