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Kern Micro HD al lavoro presso Cemec Intelligente Mechanik GmbH. Foto: ©Kern Microtechnik
Grazie all’impiego del centro di lavorazione a 5 assi Kern Micro HD, Cemec GmbH ha incrementato le proprie possibilità, andando oltre i propri limiti. Ora è in grado di fresare anche i materiali più duri con una precisione submicrometrica riproducibile.
Quando alza gli occhi al cielo, Martin Schwab sa che lassù, fin nello spazio cosmico, volano pezzi prodotti dalla sua azienda, Cemec Intelligente Mechanik GmbH. L’industria aeronautica e aerospaziale sono i settori principali per i quali il cinquantottenne fondatore e Direttore, insieme al suo team di dipendenti, sviluppa e fabbrica prodotti di fascia alta di massima precisione. Per trovare soluzioni ottimali per la clientela e realizzare prodotti precedentemente considerati non fabbricabili, questo esperto in ingegneria di precisione ha bisogno di macchine utensili di alta qualità. Per questo motivo, nel 2019, ha deciso di affidarsi al centro di lavorazione a 5 assi Kern Micro HD, il nuovo modello top di gamma della serie Micro di Kern Microtechnik. In questo modo, Cemec ha raggiunto un nuovo livello di precisione e riproducibilità, anche nel settore dei grandi volumi. Finora, l’azienda di Spalt bei Nürnberg, in Germania, ha prodotto soprattutto piccole serie. Spesso si devono mantenere tolleranze riproducibili che variano da pochi micrometri a qualche centinaio di nanometri.
Subito dopo gli studi in ingegneria di precisione, Martin Schwab ha iniziato a lavorare come Ingegnere sviluppatore autonomo. Molto presto ha maturato la consapevolezza che sviluppo e produzione sono strettamente interdipendenti, molto più di quanto si sottolinei in molti progetti e in numerose aziende. Esprimendo il proprio credo, Schwab dice: “per fornire i risultati attesi dalle elevate esigenze di precisione dei settori aeronautico e aerospaziale, gli esperti devono costantemente alzare l’asticella”. A questo scopo, l’Ingegnere si è prontamente costruito in autonomia delle macchine per produrre capaci di soddisfare le esigenze di entrambi i settori. Nel 2001 ha perfezionato ancor più questo principio fondando Cemec e acquisendo via via fama di risolutore di problemi apparentemente irrisolvibili.
Il centro di lavorazione a 5 assi di Kern Microtechnik riunisce precisione ed efficienza massime in una superficie d’appoggio ridotta. Foto: ©Kern Microtechnik
IMPOSSIBILE SENZA IL CENTRO MICRO HD
Oggi la sua azienda sviluppa e fabbrica prodotti per diversi settori, quali soluzioni per la tecnologia della trasmissione e componenti ottici ed elettronici. Come racconta lui stesso, realizzare un componente ottico anche nei progetti di punta più recenti, per strutture che volano nello spazio cosmico, sarebbe impossibile senza Kern Micro HD. Ne è un esempio il piccolo “telescopio”, con soli 66 mm di lunghezza e 20 mm di diametro. 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, pertanto estremamente fragile e difficile da lavorare. “Non lavoravo più con materiali così difficili da tanto tempo”, dice Schwab e con una punta di orgoglio aggiunge: “grazie a Kern Micro HD, invece, 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 abbiamo una novità resa possibile dall’unione della nostra macchina di fresatura e delle nostre conoscenze”, sottolinea Schwab, portando un esempio concreto: “grazie a Kern Micro HD realizziamo planarità inferiori agli 800 nm e riusciamo a scendere all’ordine dei micrometri, se necessario”.
Vista del reparto di lavorazione. Grazie all’impianto Kern, Martin Schwab raggiunge planarità inferiori agli 800 nm e riesce a scendere all’ordine dei micrometri. Foto: ©Kern Microtechnik
INNOVAZIONI VINCENTI PER LAVORI ECCELLENTI
In realtà, il telescopio sarebbe una classica parte girevole. Eppure, al tornio non era possibile raggiungere la precisione necessaria. Pertanto, Cemec lo produce interamente in una morsettiera posizionata sul Kern Micro HD. La lavorazione dura 40 min su un lato e circa due ore sull’altro.
Per garantire precisione elevata e riproducibilità in fase di lavorazione, gli sviluppatori della macchina Kern Micro HD hanno integrato alcune innovazioni. Notevoli vantaggi per l’utente derivano, innanzitutto, dall’idrostatica a microfessurazioni, dagli azionamenti diretti lineari e dal nuovo sistema di gestione della temperatura. Tutte e tre le tecnologie sono strettamente interconnesse per creare un sistema globale coerente. L’idrostatica a microfessurazioni rappresenta un perfezionamento in attesa di brevetto dei comandi idrostatici di cui Kern, già da tempo, ha dotato Pyramid Nano.
Il vantaggio consiste fondamentalmente nell’assenza di usura meccanica delle guide e dei comandi idrostatici. Pertanto, l’idrostatica consente elevate accelerazioni con un eccellente 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 è una novità assoluta per la costruzione di Kern Micro HD. Grazie al design integrale e ai motori lineari, è 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 della macchina per assicurare qualità della superficie e precisione sul pezzo massime. Si raggiunge, al bisogno, un valore di Ra di 0,05 micrometri in serie, senza lucidatura.
Un altro punto di forza è rappresentato dai motori lineari di grandi dimensioni e attivamente temprati. 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 gli studi, l’influsso della temperatura è responsabile di circa il 70% di tutti gli errori di precisione nella gamma ad alta precisione. Pertanto, i motori lineari sono attivamente temprati e integrati nel sistema idrostatico, per ridurre al minimo l’apporto di calore. Inoltre, nel caso di Kern Micro HD, gli sviluppatori hanno portato il sistema di gestione della temperatura a un nuovo livello.
Ben fornita: per le sue complesse lavorazioni, Cemec sfrutta fino a 210 agganci nello scambiatore di utensili di Kern Micro HD. Foto: ©Kern Microtechnik
VARIAZIONI DI TEMPERATURA DI ±0,05° KELVIN
I liquidi refrigeranti vengono regolati in modo molto preciso e convogliati con una portata volumetrica fino a 200 l/min attraverso supporto macchina, assi rotativi/girevoli, assi lineari e mandrino. Il risultato di questa innovazione è visibile durante gli stress test termici. “La precisione del sistema di gestione della temperatura centrale ha un margine di errore di solo ±0,05 K e costituisce la base perfetta per la lavorazione ad alta precisione”, afferma Barbara Bergmann, Responsabile delle vendite Kern.
Questa caratteristica, unitamente all’idrostatica a microfessurazioni, è stata il motivo per cui Cemec ha scelto 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, in fasi di lavorazione veloci, la macchina inevitabilmente si scalda. Se la macchina non è attivamente temprata, la dilatazione termica durante la lavorazione finale causa deviazioni così elevate da non riuscire a ottenere la precisione richiesta”. Per garantire tutti i potenziali, a breve Schwab temprerà di ±1 °C lo spazio in cui lavora Kern Micro HD.
In sostanza, l’idrostatica fornisce la garanzia del raggiungimento duraturo della precisione. “Sapere che la macchina lavorerà fra 15 anni esattamente come oggi è un punto essenziale per me”, sottolinea Schwab.
Secondo Schwab: “Kern Micro HD è un elemento essenziale per gli standard di qualità che vogliamo e dobbiamo soddisfare”. Per questo motivo mantiene un contatto costante con gli esperti dell’azienda di Eschenlohe, in Baviera. “Quando abbiamo un problema, ci rivolgiamo a Kern Microtechnik e riceviamo tutto il supporto di cui necessitiamo. Non ho trovato un supporto migliore altrove”, evidenzia Schwab. Pertanto, l’imprenditore si rivolgerà a Kern anche per l’ampliamento dei propri impianti.
Fino a poco tempo fa, Cemec era in grado di produrre soprattutto prototipi e piccole serie da 5 a 2.000 pezzi. Ma con la nuova macchina Schwab è riuscito a produrre anche volumi maggiori, mantenendo la stessa precisione. “Impiegherò almeno altre due o tre macchine Kern in futuro”, prevede Schwab.
“Sapere che la macchina idrostatica lavorerà fra 15 anni esattamente come oggi è un punto fondamentale per me”, sottolinea il fondatore di Cemec, Martin Schwab. Foto: ©Kern Microtechnik
FOCUS 1: UN AZIENDA CHE SVILUPPA E PRODUCE
Cemec Intelligente Mechanik GmbH è un’azienda a responsabilità unica che fornisce servizi di ricerca & sviluppo e che fabbrica in proprio i prodotti ideati. Secondo il fondatore e Direttore Martin Schwab, questa integrazione di sviluppo e produzione è un requisito fondamentale per la fornitura di soluzioni ottimali, soprattutto nel caso di prodotti complessi e di alta precisione. L’azienda di Spalt bei Nürnberg, in Germania, si occupa principalmente di tecnologia per la trasmissione del moto e di componenti ottici ed elettronici, ma progetta anche prodotti completi. Un’altra attività prioritaria dell’azienda è rappresentata dalla reingegnerizzazione al fine di ottimizzare o migliorare la fabbricazione di prodotti.
La clientela Cemec Intelligente Mechanik GmbH è costituita da utenti che spaziano dal settore aeronautico e aerospaziale a quello dell’ingegneria medicale, fino a chi si occupa di ricerca e innovazione. Nella primavera del 2021, in Cemc è stata integrata l’attività di costruzione stampi dell’azienda partner Fath, società che produce particolari per la produzione di macchine e che è ora parte di Cemec. In seguito a questa fusione, Cemec ha acquisito otto dipendenti e tre centri di fresatura.
La responsabile vendite di Kern, Barbara Bergmann, e il capo di Cemec, Martin Schwab, ritengono il sofisticato sistema di gestione della temperatura nel centro di fresatura un requisito fondamentale per ottenere una lavorazione a elevata precisione. Foto: ©Kern Microtechnik
FOCUS 2: MACCHINE E COMPONENTI FRESATI
Kern Microtechnik GmbH, ubicata a Eschenlohe, in Germania, impiega circa 220 dipendenti ed è presente con successo in oltre 30 Paesi nel mondo. Sono due le aree del core business: lo sviluppo e la fabbricazione di centri di lavorazione ad alta precisione e la realizzazione di micro e nano componenti fresati.
Kern impiega i centri di fresatura, tra l’altro, nella produzione in serie di componenti propri. Pertanto, il costruttore delle macchine è perfettamente preparato non solo nella fabbricazione di macchine ad alta precisione, ma anche nell’assistenza degli utenti, grazie alle necessarie conoscenze del processo di produzione. I clienti diventano partner tecnologici ed entrano così a far parte della “famiglia Kern”. Appartiene a questa concezione anche l’intensa attività di consulenza, in termini di servizio ottimale e integrazione del processo, dall’idea fino al componente finito. In questo modo, gli utenti Kern riescono ad aumentare progressivamente la propria competitività.
Il portafoglio di prodotti e servizi su richiesta comprende la realizzazione di prototipi, ricambi e prodotti in serie, nonché il montaggio di componenti e il supporto nella creazione di progetti. Vengono prodotti componenti tramite fresatura, perforazione, erosione e affilatura. ©TECNeLaB
Sezione trasversale di un telescopio per comunicazioni satellitari: Cemec fresa in serie questo componente ottico e singoli pezzi quali un anello per la compensazione dell’espansione termica su Kern Micro HD con una precisione inferiore a 1 µm. Foto: ©Cemec
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