Andare oltre i limiti del possibile

Grazie all’impiego del centro di lavorazione a cinque assi Kern Micro HD, Cemec Intelligente Mechanik GmbH è riuscita a superare i propri limiti fresando anche i materiali più duri con una precisione submicrometrica riproducibile. Il centro Kern Micro HD è presente allo stand di Kern Microtechnik alla EMO di Milano.

Core business della tedesca Cemec Intelligente Mechanik GmbH è lo sviluppo di tecnologia della trasmissione, componenti ottici ed elettronici e la produzione di prodotti completi. Altra attività di grande importanza per l’azienda è la reingegnerizzazione, destinata a ottimizzare o migliorare le proprie soluzioni. Nella primavera di quest’anno, in Cemec è stata inoltre integrata l’attività di fabbricazione di stampi svolta sino ad allora dall’azienda partner Fath. In virtù di questa fusione, Cemec ha acquisito otto dipendenti e tre fresatrici. Numerosi sono i mercati di sbocco in cui i prodotti Cemec trovano applicazione: dall’aeronautico e aerospaziale all’ingegneria medica, fino alla ricerca e innovazione. Quando alza gli occhi al cielo, il fondatore dell’azienda Martin Schwab ha dunque la consapevolezza che lassù, fin nello spazio cosmico, volano pezzi prodotti dalla sua azienda. Per trovare soluzioni ottimali per la propria clientela e realizzare prodotti in precedenza considerati non fabbricabili, nella propria officina Schwab (esperto in ingegneria di precisione) ha bisogno di poter disporre di macchine di alta qualità. In quest’ottica, nel 2019 ha deciso di investire su un centro di lavorazione a cinque assi Kern Micro HD, il nuovo modello top di gamma della serie Micro di Kern Microtechnik GmbH. Cemec ha così raggiunto un nuovo livello di precisione e riproducibilità, anche nella produzione di grandi volumi. Finora, l’azienda di Spalt bei Nürnberg (Germania) ha prodotto soprattutto piccole serie. Spesso è necessario mantenere tolleranze riproducibili che variano da pochi micrometri fino a qualche centinaio di nanometri. Molto presto Martin Schwab ha però maturato la consapevolezza che sviluppo e produzione sono strettamente interdipendenti, molto più di quanto si pensi. “Per garantire le elevate precisioni richieste dai settori aeronautico e aerospaziale, gli esperti devono costantemente alzare l’asticella”, ha commentato Schwab che si è prontamente costruito in autonomia delle macchine in grado di soddisfare le necessità di entrambi i settori. Nel 2001 ha perfezionato ancora di più questo principio fondando la Cemec, e acquisendo via via fama di risolutore di problemi apparentemente irrisolvibili.

Niente è più impossibile

Realizzare un componente ottico, e in modo particolare con una precisione come quelli prodotti da Cemec e destinati a “volare” nello spazio cosmico, sarebbe impossibile senza il centro Kern Micro HD, afferma Martin Schwab. Ne è un esempio il piccolo telescopio destinato alle comunicazioni satellitari realizzato dall’azienda, con una lunghezza di 66 mm e un diametro di 20 mm. Dotato di due lenti nell’unità di comunicazione di un satellite, deve supportare la focalizzazione di un raggio laser con un diametro di 5 mm in modo tale che arrivi amplificato a una distanza di 100.000 km a un massimo di 10 mm, in un intervallo di temperatura da -40 °C a +60 °C. Per questo motivo, quest’oculare – appartenente a un grande sistema – deve sostenere enormi sollecitazioni al momento del lancio di un razzo e non può perdere in precisione. Già la lega di alluminio, scelta da Cemec assieme al committente Tesat-Spacecom per l’omogeneità e la specifica conducibilità termica, rappresenta una grossa sfida. È composta al 40% di silicio, ed è pertanto estremamente fragile e difficile da lavorare, come sottolinea lo stesso Schwab. “Non lavoravo più con materiali così difficili da tanto tempo, ma grazie al centro di lavoro Kern Micro HD abbiamo potuto fresare con precisione micrometrica persino i fili più sottili”. Il parallelismo di entrambi gli alloggiamenti per le lenti deve essere superiore a 2 µm: essendoci un anello intermedio che compensa la dilatazione termica, le singole parti devono essere prodotte con una precisione inferiore a 1 µm. “In precedenza avrei lasciato perdere una richiesta del genere, considerandola irrealizzabile. Ora però tutto ciò è possibile grazie all’unione della nostra macchina di fresatura e delle nostre conoscenze”, ha aggiunto Schwab apportando un esempio concreto: “Grazie a Kern Micro HD realizziamo planarità inferiori agli 800 nm e riusciamo a scendere nell’ordine dei micrometri, se necessario”.

Il telescopio viene adesso prodotto con una sola macchina

In realtà, il telescopio realizzato da Cemec è una classica parte girevole. Eppure, al tornio non era possibile raggiungere la precisione necessaria, motivo per cui Cemec ha deciso di produrlo interamente sul centro Kern Micro HD. La lavorazione dura 40 minuti su un lato e circa due ore sull’altro. Per garantire elevata precisione e riproducibilità in fase di lavorazione, gli sviluppatori della macchina Kern Micro HD hanno integrato alcune innovazioni. Grandi vantaggi per l’utente derivano innanzitutto dall’utilizzo dell’idrostatica a microfessurazioni, degli azionamenti diretti lineari e del nuovo sistema di gestione della temperatura, tre tecnologie strettamente interconnesse per creare un sistema globale coerente. L’idrostatica a microfessurazioni rappresenta un upgrade in attesa di brevetto dei comandi idrostatici di cui Kern già da tempo ha dotato anche la linea Pyramid Nano (centro di lavorazione ad alta precisione per operazioni simultanee a 5 assi). Il vantaggio principale è l’assenza di usura meccanica delle guide e dei comandi idrostatici. Pertanto, l’idrostatica consente elevate accelerazioni con un ottimo smorzamento delle vibrazioni e allo stesso tempo un movimento degli attrezzi molto più fluido e assolutamente privo di scatti che ne aumenta la vita utile. L’idrostatica a microfessurazioni rappresenta una novità assoluta per la linea Kern Micro HD. Grazie al particolare design e all’impiego di motori lineari, la macchina risulta più robusta e necessita dell’80% in meno di energia rispetto ai comuni sistemi idrostatici. Al contempo, attraverso la microfessurazione migliorano la rigidità e la capacità di smorzamento delle vibrazioni della macchina, sinonimo di qualità superficiale e precisione del pezzo. È possibile ottenere una Ra di 0,05 µm in serie senza lucidatura. Un altro punto di forza è rappresentato dai motori lineari di grandi dimensioni e attivamente temperati. Rispetto alle viti a sfera, offrono vantaggi significativi in termini di dinamica e precisione di controllo. Affinché l’integrazione avesse successo, era cruciale, tra le altre cose, tenere sotto controllo l’elevato sviluppo di calore della tecnologia del motore lineare. Secondo alcuni studi, l’influsso della temperatura è responsabile di circa il 70% di tutti gli errori di precisione nella gamma ad alta precisione. Per questo motivo, i motori lineari sono attivamente temperati e integrati nel sistema idrostatico, in modo da ridurre al minimo l’apporto di calore.

Una variazione massima della temperatura di ±0,05 Kelvin

I liquidi refrigeranti vengono regolati in modo preciso e convogliati con una portata volumetrica fino a 200 l/min tramite supporto macchina, assi rotativi/girevoli, assi lineari e mandrino. I benefici di questa innovazione sono evidenti durante i test di stress termici. Ha commentato Barbara Bergmann, responsabile delle vendite Kern: “La precisione del sistema di gestione della temperatura centrale ha un margine di errore di solo ±0,05 Kelvin e
costituisce la base perfetta per la lavorazione ad alta precisione”. Tale caratteristica, unitamente all’idrostatica a microfessurazioni, è stata il motivo per cui Cemec ha scelto di installare un centro di lavoro Kern Micro HD. La produzione del telescopio per le comunicazioni satellitari non sarebbe stata possibile con una macchina non completamente stabile a livello termico, come sottolinea Martin Schwab: “Quando si lavora con un taglio grezzo e una coppia elevata, la macchina inevitabilmente si scalda. Se questa non è attivamente temperata, la dilatazione termica durante la lavorazione finale causa deviazioni così forti da non riuscire a garantire la precisione richiesta”. Per garantire tutti i requisiti previsti, a breve Schwab tempererà di ±1 °C lo spazio in cui opera il centro Kern Micro HD.
In pratica, l’idrostatica assicura il raggiungimento duraturo della precisione. “Sapere che la macchina lavorerà fra 15 anni esattamente come oggi è un punto di forza”, aggiunge Schwab.

L’importanza di poter contare su un valido supporto tecnico

Secondo Schwab “Kern Micro HD ha un ruolo fondamentale nel conseguimento degli standard di qualità che vogliamo e dobbiamo soddisfare”. Per questo motivo, Celmec è in contatto costante con i tecnici di Kern di Eschenlohe, in Baviera. “Quando abbiamo un problema, ci rivolgiamo a Kern e riceviamo tutto il supporto di cui abbiamo bisogno. Non ho trovato un supporto migliore da nessun’altra parte”, sottolinea Schwab.
Fino a poco tempo fa, Cemec era in grado di produrre soprattutto prototipi e piccole serie da un minimo di 5 pezzi fino a 2.000. Ma con la nuova macchina installata, Schwab è riuscito a produrre anche volumi superiori mantenendo la stessa precisione. “Visti gli ottimi risultati conseguiti, in futuro prevedo di investire in almeno altre due o tre macchine Kern”, conclude Schwab.