Una soluzione All In One per la saldatura laser

Roboteco-Italargon ha presentato ufficialmente al mercato italiano il robot integrato di saldatura laser Panasonic LAPRISS Ispirato dallo stesso concetto
della tecnologia TAWERS, LAPRISS, Laser Processing Robot Integrated
System Solution, riassume nell’acronimo il concetto di All In One sinonimo
delle soluzioni Panasonic. I suoi principali elementi sono stati infatti sviluppati da Panasonic e integrati sotto la supervisione di un’unica e potente CPU che ne gestisce anche il processo.

di Federico Distante

Fondata nel 1988 come divisione del Gruppo Salteco (da 70 anni concessionari esclusivi per l’Italia del marchio Castolin Eutectic), Roboteco nasce dall’intuizione di una crescente necessità nel mercato di automatizzare i procedimenti nella saldatura di produzione. Da allora l’azienda (divenuta S.p.A. nel 2001) ha fatto della robotizzazione dei processi di saldatura ad arco la sua missione. Grazie alla partnership quasi trentennale con Panasonic Welding System, Roboteco si è affermata progressivamente negli esigenti e competitivi settori dell’Automotive e della General Industry, specializzandosi nell’integrazione nei propri impianti della tecnologia giapponese Panasonic Tawers, un modello rivoluzionario che prevede la fusione completa tra robot e saldatrice.
Nel 2017 Roboteco S.p.a. acquisisce Italargon, la divisione di SIAD Macchine Impianti S.p.A dedicata alla progettazione, realizzazione e manutenzione di impianti per la saldatura, il taglio e la manipolazione, sia nella fornitura di linee di produzione complete automatizzate, che di impianti automatici e semiautomatici e di celle robotizzate “chiavi in mano”. Questa unione ha sancito la nascita di un polo di riferimento assoluto nel settore, mettendo a servizio della propria clientela un importante know-how ed esperienza frutto di una lunga tradizione, di ottime capacità di progettazione, integrazione e assistenza e di una riconosciuta competenza sui processi di saldatura. Lo scorso anno, il 2018, in cui si sono celebrati i 30 anni di attività di Roboteco, i 100 anni di Panasonic e i 60 di Italargon, ha visto l’ingresso della società nel mercato automotive spagnolo con 2 “Technology Center” situati a Barcellona e Bilbao.
Oggi Roboteco-Italargon è una realtà internazionale in continua crescita che vanta oltre 3.000 robot installati in più di 900 aziende in Italia, Europa, Asia e America. Solo negli ultimi 10 anni il suo staff, composto da 50 esperti e tecnici del settore, ha installato più di 1.200 impianti “chiavi in mano” completamente progettati e realizzati nelle tre sedi operative di Limito di Pioltello (MI), Ceranesi (GE) e Curno (BG).

La saldatura laser
La saldatura laser è una tecnica di recente sviluppo in continua evoluzione che, rispetto ai processi tradizionali, permette di ottenere numerosi vantaggi operativi e qualitativi ormai noti. D’altro canto, la qualità delle giunzioni tra i metalli spesso non soddisfa le attese sul risultato finale a causa della non perfetta integrazione tra i diversi sistemi che gestiscono il processo di saldatura. Tale problema è stato recentemente superato da Panasonic.
Il marchio Panasonic è ormai noto nel campo della saldatura robotizzata per l’innovativa tecnologia TAWERS, dedicata alle applicazioni di saldatura ad arco (MIG/MAG/TIG/Plasma). La tecnologia Panasonic TAWERS consiste nella gestione del processo di saldatura attraverso una sola CPU che sovraintende sia alla gestione dei movimenti del robot che al controllo dell’arco elettrico, senza l’utilizzo di interfacce analogico-digitali. In questo modo, la saldatrice e l’alimentatore del filo vengono gestiti come un asse robot sincronizzato. Grazie a questa rivoluzionaria intuizione degli ingegneri giapponesi, è stato possibile ridurre dal 20% al 40% i tempi ciclo e aumentare notevolmente l’efficienza globale delle linee robotizzate. Ispirandosi allo stesso concetto della tecnologia TAWERS, è stato concepito e lanciato sul mercato il LAPRISS: il robot integrato di saldatura laser, i cui principali elementi sono sviluppati da Panasonic e integrati sotto la supervisione di un’unica e potente CPU che ne gestisce anche il processo (Figure 1 e 2). Questo robot integrato di saldatura laser, è stato ufficialmente presentato da Roboteco-Italargon in occasione della fiera LAMIERA 2019.
LAPRISS, Laser Processing Robot Integrated System Solution, riassume nell’acronimo il concetto di All In One sinonimo delle soluzioni Panasonic. LAPRISS è il robot integrato di saldatura laser, i cui principali elementi sono sviluppati da Panasonic e integrati sotto la supervisione di un’unica potente CPU che ne gestisce l’intero processo.

Concetto innovativo impiegando sorgenti di ultima generazione
L’oscillatore laser Panasonic è un sistema DDL (Direct Diode Laser), l’ultima generazione dei laser ad alta brillanza (Figura 3). Grazie alla combinazione tra laser a diodi diretti e il sistema WBC (Wave beam combined), la sorgente laser è in grado di produrre una potenza in uscita proporzionale al numero di emettitori, preservando, allo stesso tempo, la qualità del raggio di un singolo emettitore. WBC è una soluzione che permette di abilitare il ridimensionamento della luminosità senza compromettere dimensioni, costi, efficienza o affidabilità. La Figura 4 mostra il concetto del Wave Beam Combined su una barra laser a singolo diodo, in questo caso, a una lunghezza d’onda di 0,975 μm. Questa barra è composta da più emettitori schierati, con uno spazio tra loro di poche centinaia di micron. La luce emessa dagli emettitori passa attraverso una lente di trasformazione che focalizza i raggi su un elemento disperdente come un reticolo di diffrazione.
Dall’altro lato del reticolo vi è un accoppiatore di uscita che permette ai raggi di uscire sovrapposti l’uno sull’altro. Tra i diodi e il reticolo, vi sono gli emettitori che si autoregolano passivamente a una lunghezza d’onda differente, basata sul proprio angolo rispetto al reticolo. Il risultato è uno spettro ristretto di lunghezze
d’onda, visualizzate tutte come se provenissero da un solo emettitore, con elevata densità di potenza e un’alta qualità del fascio (Figura 5).
Queste sorgenti di nuova generazione sono inoltre costruite senza alcuna giuntura che potrebbe causare nel tempo deterioramenti sul funzionamento, garantendo così un’affidabilità superiore alle 100.000 ore a diodo.
L’oscillatore Panasonic installato sul LAPRISS ha una potenza di 4 kW e permette di ottenere un’efficienza globale superiore al 45%. Quest’ultimo è disponibile in diverse configurazioni con un’unica o multi fibra e la funzionalità “beam sharing” per gestire più robot con un’unica sorgente.
In questo modo vi è la possibilità di utilizzare più robot sia per il processo di saldatura sia per la saldatura e taglio laser su diverse postazioni.
Per monitorare e garantire la costanza della potenza erogata, il sistema LAPRISS può essere equipaggiato anche di un sistema Laser Power Checker (Figura 6). Attraverso il software integrato “Welding data Management” questi dati possono essere registrati e raccolti ai fini del miglioramento dei processi qualitativi interni dei clienti.

Il robot antropomorfo
All’interno della gamma Robot Panasonic, sono stati individuati due modelli della serie Panasonic TM con controllo G3: TM 1400 e TM 1800 (Figura 7).
La serie TM di Panasonic è stata concepita appositamente per il settore della saldatura. Tutti i robot di questa gamma hanno un design curvilineo studiato per aumentare l’area coperta dai movimenti del braccio. Questi robot prevedono un incremento nella velocità di spostamento dei 3 assi principali e una maggior precisione di posizionamento a un valore reale di ±0,08 mm grazie all’utilizzo di nuovi encoder ad alta risoluzione.
Lo speciale allestimento che prevede il passaggio dei cavi all’interno del braccio e tutti i tubi per il raffreddamento in passaggi dedicati, permettono di evitare piegamenti o posizioni non idonee degli stessi.
La testa sviluppata da Panasonic ha dimensioni ridotte e un peso di soli 4,5 kg che le permette di essere utilizzata su robot “leggeri” che vantano caratteristiche di dinamicità e di precisione decisamente superiore rispetto alle taglie superiori. Il controllo robot impiegato è il G3 con CPU ad alte prestazioni la capacità di gestire oltre agli assi del robot e della testa, molti altri assi esterni che possono comporre le diverse periferiche necessarie per completare le celle di saldatura sviluppate da Roboteco-Italargon.

La speciale testa di saldatura denominata di “perforazione”
Uno dei principali vantaggi del LAPRISS è certamente la testa di saldatura sviluppata da Panasonic (Figura 8). Diversamente da molti scanner presenti sul mercato, nella testa LAPRISS il fascio laser è movimentato grazie all’impiego di due servomotori AC Panasonic, interamente gestiti dalla CPU del robot come assi esterni. Questi motori movimentano due lenti con un design unico denominato “2link” garantendo la gestione del fascio laser in un’area di lavoro molto precisa. In questo modo viene automaticamente compensata la variazione del fuoco senza movimentare la testa stessa.
Inoltre, l’utilizzo di servomotori controllati da robot permette di ottenere velocità di spostamento del fascio superiori a 70 m/min.
La totale gestione dei servomotori in modo diretto da parte del robot evita le tipiche problematiche dovute ai ritardi di comunicazione tra componenti di diversi produttori integrati tra loro, garantendo quindi la stabilità del processo nonché l’affidabilità sul risultato. La testa è protetta da un sistema composto da 2 vetrini con supporto a cassetto, facilmente intercambiabili.
Il particolare design dell’ugello di uscita permette di ridurre le turbolenze di gas e fumi nella zona di saldatura, evitando le contaminazioni gassose e le proiezioni metalliche. La manutenzione ordinaria della testa da parte dell’utilizzatore finale è molto semplice e non richiede particolari apparecchiature. Inoltre, un sistema di crossjet ad aria forzata permette di ridurre le contaminazioni anche su saldature ravvicinate.
La testa può essere equipaggiata anche con un sistema di adduzione filo, totalmente gestito ancora una volta dal robot con uno spingi-filo mosso dal servomotore AC Panasonic. Qualora fosse necessaria la protezione gassosa della saldatura, Panasonic ha sviluppato specifici kit e ugelli gas, controllati da flussimetri ed elettrovalvole integrate nel robot, per soddisfare le richieste produttive.
In fase di programmazione, la testa è dotata di due fasci laser a bassa potenza disassati che generano una linea e un punto, garantendo l’individuazione del corretto punto del fuoco del laser quando i due fasci si allineano in prossimità del pezzo. I due fasci sono abilitati o disabilitati da un pulsante dedicato sull’unica pulsantiera di programmazione.
Laser Welding Navigator
Così come per il Tawers, Panasonic ha sviluppato anche per il LAPRISS un’interfaccia utente inserita direttamente sulla pulsantiera del robot (Figure 9 e 10). Con questa unica pulsantiera è possibile programmare i movimenti e le traiettorie del robot e quindi attraverso il Laser Welding Navigator, selezionare e personalizzare in modo semplice e intuitivo i parametri di processo.
Il Laser Welding Navigator prevede, a oggi, quattro diverse tipologie di saldatura:
• Esecuzione di saldature in cui viene posizionata la testa del robot sul punto da saldare, impiegando i diversi modelli già pre-impostati (linea, spirale, cerchio, ovale, ellisse, diamante ecc.). Con questa modalità la testa esegue la forma geometrica richiesta, partendo da un unico punto programmato. I modelli possono essere tutti personalizzati nelle loro dimensioni utilizzando i sotto menù nel Navigator.
• Saldatura in spinning: questa modalità viene ottenuta movimentando la testa di perforazione laser con il robot sulle traiettorie impostate mentre il fascio viene fatto muovere in senso rotatorio o a spirale impiegando le due lenti della testa di perforazione. La gestione integrata sia dei 6 assi del robot che dei 2 assi esterni della testa, permette di ottenere questo movimento totalmente sincronizzato. La forma della spirale di spinning è personalizzabile sempre attraverso un sotto menù dedicato all’interno del Laser Welding navigator.
Lo spinning permette di incrementare la saldabilità dei giunti ad angoli, testa-testa e a “T” rovesciati e anche la saldabilità di materiali a elevata conducibilità termica come, per esempio, le leghe di alluminio.
• Saldature lineari in cui le ottiche nella testa sono fisse e questa viene solo movimentata dal robot.
• Saldature eseguite movimentando simultaneamente il robot e le lenti della testa, utilizzando i diversi modelli personalizzabili presenti nel Navigator.
Oltre ai modelli standard, nel Laser Welding Navigator, è possibile creare propri modelli personalizzati.
Nell’esempio riportato in Figura 9, viene illustrata la semplicità e la completezza dell’interfaccia del Laser welding Navigator. Si può quindi evincere come, per eseguire una saldatura in trasparenza con una geometria a modello, basti scegliere il tipo di saldatura (trasparenza, spigolo, testa a testa ecc.), inserire gli spessori delle lamiere e selezionare il tipo di modello (in questo caso una spirale) scegliendo le dimensioni desiderate.
Il Laser Welding Navigation imposterà in automatico la potenza laser necessaria e la velocità di saldatura. Questi parametri si potranno personalizzare anche in un secondo momento per allinearli alle richieste produttive del cliente. Il sistema di conseguenza adatterà, in totale autonomia, il resto dei parametri in maniera sinergica. Per quanto riguarda la gestione dell’erogazione della potenza del fascio laser, il Laser welding Navigator imposterà in automatico una serie di parametri pre-impostati che riguardano
le diverse curve e i tempi di gestione. All’occorrenza, tramite un’unica interfaccia, questi parametri potranno essere ulteriormente personalizzati, ottimizzando il processo al meglio. Il sistema LAPRISS è già parte integrante anche del software di programmazione offline DTPS. Questo software nativo Panasonic permette all’operatore di programmare offline le traiettorie di saldatura ma contestualmente anche di impostare tutte le funzioni robot e anche utilizzare il Laser welding Navigator per settare i parametri di processo.

Le applicazioni pratiche
Grazie all’introduzione nell’ultimo decennio di sorgenti laser con lunghezze d’onda vicino al micron, l’applicazione del laser nei processi di saldatura ha trovato sempre maggiori applicazioni. Paragonando i processi classici di saldatura ad arco con la tecnologia laser, quest’ultima garantisce degli enormi vantaggi in termini di produttività, riduzione di apporti termici e delle distorsioni.
Per poter saldare i pezzi con tecnologie laser, spesso è necessario rivedere o ripensare quasi completamente i giunti di saldatura e ottimizzarli in funzione di questa tecnologia e garantire allo stesso tempo una precisione di accoppiamento idonea a una sorgente di calore con dimensioni così concentrate.
Analizzando, per esempio, la sezione di una saldatura laser, è facile pensare come questa si possa teoricamente ben sposare con giunti testa-testa. Questo tipo di giunto, che presenta alcune criticità anche nei normali processi ad arco dettate dalle sue preparazioni e dalle distanze tra i lembi, richiede preparazioni e accoppiamenti perfetti anche con il processo laser. In molti casi è da prediligere una tipologia di saldatura a sovrapposizione che ha anch’essa delle criticità ma più gestibili.
Con LAPRISS, Panasonic ha introdotto il concetto della testa di perforazione con la quale è possibile utilizzare anche la funzione spinning di oscillazione controllata (Figura 11). Questa funzione permette una maggiore distribuzione dell’apporto termico e quindi una diffusione del calore su una zona più ampia ed è in grado di poter saldare anche con tolleranze di preparazione meno restrittive. Un’altra tipologia di giunto impiegabile con il laser è il giunto a T (Figura 12) rovesciato che assieme alla tecnologia spinning, permette di saldare da un solo lato, ottenendo dei giunti a T che, diversamente, dovrebbero essere eseguiti in due passate contrapposte.
Grazie alla possibilità di utilizzare diverse tipologie di saldatura e grazie alla totale gestione integrata, il LAPRISS offre un’elevatissima flessibilità di processo.
Con l’introduzione del LAPRISS nella propria gamma, Roboteco-Italargon è oggi in grado di offrire soluzioni complete per la saldatura laser, sviluppando e studiando in collaborazione con i propri clienti, una soluzione tecnologica che parte dalla co-progettazione del giunto stesso di saldatura fino al disegno completo della macchina per il raggiungimento dei risultati desiderati.