Tecnologia all'avanguardia per la verifica dei materiali compositi

Innovare applicando soluzioni avanzate di verifica dei materiali compositi

 

Verifica di materiali compositi: Vision System 3D presso l'AMRC

Il Centro per i materiali compositi del Centro di ricerca sulla produzione avanzata dell'Università di Sheffield è una struttura all'avanguardia nella ricerca e nello sviluppo della produzione di materiali compositi innovativi. Con sede in uno spazio appositamente concepito per la Fabbrica del futuro dell'AMRC, a Rotherham nel Regno Unito, il centro si occupa in particolare della ricerca sulla produzione e lavorazione di componenti realizzati in materiali compositi, compresi i pezzi ibridi che combinano in un'unica struttura metalli e materiali compositi ad alte prestazioni.

AMRC_1L'impiego di metodi all'avanguardia per produrre componenti ultraleggeri partendo dai più moderni materiali compositi costituisce il cardine del lavoro quotidiano del Centro per i materiali compositi dell'AMRC. Questi materiali sono sempre più utilizzati nei settori aerospaziale, navale, automobilistico e in altre industrie di alto valore perché combinano un'elevata resistenza a un peso ridotto. Tuttavia tali prestazioni eccezionali hanno un costo elevato dal momento che questi materiali tecnologicamente avanzati presentano una serie di problematiche legate alla produzione.

I componenti in materiali compositi sono costituiti da una stratificazione di fibre unidirezionali o di tessuti, che vengono poi polimerizzati per produrre un pezzo solido finale. Per combinare le fibre fino a formare un foglio che può poi essere stratificato in un pezzo esistono diversi metodi, ognuno dei quali di solito comporta un elevato grado di automazione, come i sistemi di posizionamento automatico delle fibre (AFP) o i sistemi di tessitura a intreccio robotizzati.

AMRCLa resistenza di un pezzo in materiale composito dipende molto dal corretto allineamento delle fibre di cui è realizzato: è tutta una questione di orientamento delle fibre. Le fibre posizionate in modo inadeguato possono causare una serie di difetti in grado di pregiudicare l'integrità strutturale del pezzo finito. Riconoscere tali difetti a partire dall'individuazione di buchi e sovrapposizioni fino ad arrivare alla presenza di corpi estranei e scorie durante la fase iniziale del processo di stratificazione risulta molto più vantaggioso dal punto di vista economico rispetto alla scoperta della presenza di difetti inaccettabili del materiale solo nel momento in cui esso è ormai parte integrante di un pezzo finito.

Ciò significa che i controlli di qualità effettuati durante il processo di stratificazione rivestono un'importanza fondamentale. Durante il processo di stratificazione è necessario effettuare la verifica di ogni strato per garantire che l'orientamento delle fibre rimanga entro i parametri richiesti su tutto il materiale. Nel caso di pezzi in materiale composito per strutture di spessore elevato nel settore aerospaziale e automobilistico, costituiti da decine di strati di materiale, tali verifiche possono ovviamente richiedere molto tempo, soprattutto se si considera che il metodo di verifica previsto consiste in un controllo visivo eseguito manualmente da un operatore a mezzo di una lente d'ingrandimento.
Per noi tecnici dei materiali compositi è molto importante conoscere i diversi tipi di difetti presenti all'interno del pezzo e la loro entità. Zeeshan Qureshi, Lead Research Engineer del team di Analisi della progettazione e dell'automazione dei materiali compositi del Centro per i materiali compositi dell'AMRC, spiega che il 70% o più del tempo macchina totale è assorbito da questo tipo di verifica. "Si tratta di un costo considerevole per i nostri partner", afferma Qureshi, "ed è per questo che stiamo esaminando alcuni dei possibili sistemi di verifica automatizzata durante il processo che aiuterebbero a ridurre in modo significativo o addirittura a eliminare completamente la verifica manuale, per consentire loro di incrementare la produttività nelle fabbriche".

AMRC_4Il Centro per i materiali compositi dell'AMRC intende sviluppare nuove soluzioni per aziende grandi e piccole di tutto il mondo. "I nostri clienti spaziano dalle principali aziende del settore aerospaziale come Airbus, Boeing, Rolls Royce e BAE Systems, fino ad arrivare ad alcuni OEM del settore automobilistico come McLaren e Toyota Motorsport", continua Qureshi. "Ma non ci limitiamo a lavorare solo con fornitori OEM o Tier 1/Tier 2. Vogliamo anche aiutare le PMI locali a risolvere alcuni dei problemi legati alla produzione e alla progettazione nelle loro strutture e diventare così più competitive sul mercato.

Ed è in quest'ottica, ovvero nel fornire a queste realtà produttive nuovi strumenti all'avanguardia, che entrano in gioco le soluzioni per la verifica dei materiali compositi di Hexagon. La ricerca condotta sugli aspetti legati alla verifica della produzione di materiali compositi è iniziata con un'indagine di mercato e una stretta collaborazione con altri gruppi all'interno dell'AMRC e con partner commerciali, con lo scopo di individuare i sistemi impiegati con successo in applicazioni simili. Questo studio ha evidenziato le potenzialità dell'Absolute Arm e delle sue diverse opzioni di scansione laser.
Explorer 3D ha un algoritmo molto sofisticato e affidabile per il rilevamento degli orientamenti delle fibre. "Abbiamo scoperto che Hexagon ha sviluppato un sistema di verifica dei materiali compositi specifico per la misura degli orientamenti delle fibre, che abbiamo ritenuto potesse essere un possibile candidato per la soluzione di alcuni dei nostri problemi di verifica", dice Qureshi. Sono riusciti a installare in breve tempo un sistema di questo tipo nel centro per eseguire un caso applicativo: un Absolute Arm con scanner laser RS5 e Vision System 3D.

AMRC_3Il Vision System 3D è un sensore dotato di telecamera in grado di rilevare con precisione l'orientamento delle singole fibre di materiale composito. Il sistema utilizza l'Absolute Arm per il posizionamento di riferimento e, in combinazione con le scansioni effettuate utilizzando la funzionalità laser scanner del braccio, i dati relativi all'orientamento delle fibre possono essere mappati su un modello tridimensionale del pezzo da verificare mediante la piattaforma software dedicata Explorer 3D.

Il team è stato in grado di applicare subito il sistema ad alcuni dei controlli di assicurazione della qualità richiesti dai loro processi di produzione di pezzi in materiale composito, in particolare quelli che prevedono la misura degli orientamenti delle fibre. "Il sistema ci permette di validare il lavoro di progettazione e simulazione che svolgiamo alle nostre scrivanie assicurandoci che il nostro progetto si concretizzi, trasformandosi così in una positiva fase di validazione per il nostro processo di progettazione e produzione", afferma Qureshi.
Il sistema ci permette di validare il lavoro di progettazione e simulazione che svolgiamo alle nostre scrivanie assicurandoci che il nostro progetto si concretizzi. "Utilizziamo il sistema soprattutto per la tessitura e l'intreccio, oltre che al termine del processo di preformatura", dice Qureshi. "Ciò potrebbe includere la tessitura 2D, 2.5D e 3D o la realizzazione di tessuti asciutti nella loro forma finale ottenuti mediante procedimenti termomeccanici. Una volta terminato il processo di produzione iniziale, possiamo portare il pezzo alla postazione di lavoro e utilizzare il nuovo sistema di verifica per fare una scansione del pezzo e generare il profilo 3D del pezzo stesso. In seguito analizziamo le immagini della superficie appena scansionata. Utilizzando alcuni degli algoritmi integrati nel software, siamo quindi in grado di determinare gli orientamenti delle fibre che ci possono fornire un'indicazione di eventuali difetti presenti nel pezzo."

AMRC_Screenshot"Possiamo trasferire tali informazioni nel nostro software di progettazione e analisi per aggiornare i nostri modelli con i dati relativi al pezzo prodotto, in modo da eseguire un'analisi che potremo poi raffrontare con il pezzo progettato. Ciò consente di disporre di informazioni preziose per mettere a confronto gli ambienti 'reali' e 'virtuali' in cui lavoriamo".

Ma il processo non finisce qui. È importante che questi dati di verifica possano essere reimportati nel processo di produzione per migliorare i cicli di produzione futuri. "Come primo passo possiamo cercare di correggere alcuni dei programmi e ridurre al minimo questi difetti migliorando la programmazione", aggiunge Qureshi. Ma talvolta i difetti dipendono solo dalla natura della geometria o dalle condizioni dei materiali, e per questo genere di difetti si può invece ricorrere a un'adeguata procedura di riparazione, che si tratti di rimuovere strati specifici o una sezione e di procedere a una nuova stratificazione sulla superficie.

Da lì si passa alla polimerizzazione e alla post-produzione, seguite dall'invio dei pezzi per il collaudo non distruttivo, al fine di garantire il rispetto dei parametri di garanzia della qualità richiesti.

Gli algoritmi del software su cui è costruito il Vision System 3D sono alla base di ciò che rende questa soluzione così innovativa per l'AMRC. "Explorer 3D ha un algoritmo molto sofisticato e affidabile per il rilevamento degli orientamenti delle fibre", dice Qureshi. "Ci è stato molto utile perché attraverso la conoscenza del livello di precisione degli orientamenti delle fibre del pezzo, ci fornisce informazioni preziose da comparare con i nostri progetti, al fine di ottenere un raffronto delle prestazioni strutturali nel pezzo prodotto".

AMRC_2"Abbiamo constatato che il software Explorer 3D si integra in modo molto flessibile con altri sistemi software. È stato semplice da utilizzare anche per lo sviluppo dei collegamenti per la comunicazione con altri software che usiamo qui in AMRC. Il software è molto intuitivo, facile da seguire e ha un'interfaccia utente di facile utilizzo."

La semplicità d'uso del sistema completo Absolute Arm è fondamentale per il Centro per i materiali compositi, considerato che l'obiettivo è di sviluppare una soluzione largamente utilizzabile in tutto il settore. "È la prima volta che abbiamo impiegato un sistema di verifica metrologica al nostro interno, ma è stato relativamente facile e veloce imparare a usare il braccio."

"Quasi tutto lo staff del Centro per il materiale composito ha accesso a questo Absolute Arm", spiega Qureshi. "La squadra delle fibre secche, composta da quindici persone, utilizza molto questo sistema per misurare gli orientamenti delle fibre dei pezzi che ha tessuto o intrecciato. È stato davvero semplice e immediato per tutti imparare a utilizzare il sistema."
Il software è molto intuitivo, facile da seguire e ha un'interfaccia utente di facile utilizzo. "È stato un piacere lavorare con il team di Hexagon. Si sono subito sentiti parte dell'intera squadra AMRC. Lavorare insieme a loro è stato molto semplice, abbiamo instaurato un ottimo clima di collaborazione. Sono persone molto disponibili."

AMRC_7Il futuro si prospetta molto interessante per la ricerca al Centro per i materiali compositi che lavora in sinergia con Hexagon ai sistemi di verifica avanzati. La stretta collaborazione con gli specialisti di prodotto di Hexagon, offre all'AMRC un notevole potenziale in termini di coinvolgimento negli sviluppi futuri della gamma di soluzioni per la verifica dei materiali compositi di Hexagon. "Speriamo di contribuire a sviluppare ulteriormente sia i sistemi hardware che software per renderli sufficientemente affidabili da consentire l'individuazione di alcuni dei difetti più complessi per i quali speriamo di trovare soluzioni nel prossimo futuro", afferma Qureshi.

Altre ragioni per essere ottimisti sono legate al potenziale dell'hardware del Vision System di Hexagon e alla sua capacità di integrazione nei sistemi automatizzati. "Uno dei vantaggi di questo sistema consiste nella possibilità di integrarlo anche in altre macchine per la stratificazione di materiali compositi, come la macchina AFP, le macchine per la realizzazione dell'intreccio, della cucitura o per la tessitura 2.5D o 3D presenti in AMRC", afferma Qureshi. "Quindi possiamo in sostanza prendere il sistema e montarlo su altri nostri sistemi di produzione di materiali compositi, cosa che richiede la progettazione di alcuni attrezzaggi per il posizionamento del sensore. A questo punto possiamo senza problemi iniziare a eseguire verifiche durante il processo o online, in modo da ridurre ulteriormente il tempo complessivo di verifica richiesto ai nostri partner."

 

Caso applicativo: Centro di ricerca per la produzione avanzata - Università di Sheffield, Regno Unito

Caso applicativo: Centro di ricerca per la produzione avanzata - Università di Sheffield, Regno Unito

Related Case Studies

See how companies like yours are working with Hexagon Manufacturing Intelligence