Alla scoperta dei segreti della costruzione delle locomotive a vapore

Dalla scansione diretta al rilevamento di punti nascosti eseguito all'aperto, l'esclusiva tecnologia dei laser tracker di Hexagon ha giocato un ruolo chiave nella ricostruzione di un classico dimenticato dei progetti della compagnia ferroviaria britannica.

Uncovering the hidden past of steam locomotive manufacturing
Un gruppo di appassionati di ingegneria, assistiti da esperti di metrologia del Centro di Ricerca per la Produzione Avanzata (AMRC) dell'Università di Sheffield, stanno ricostruendo un treno a vapore che non si vedeva più dagli anni '60. Grazie a un piccolo aiuto supplementare offerto dalla tecnologia avanzata dei laser tracker per uso industriale di Hexagon, il team ha potuto rilevare una strana discrepanza tra i disegni originali e la locomotiva vera e propria.

Il gruppo della Standard Steam Locomotive Company si è posto l'ambizioso obiettivo di riprodurre, far funzionare e conservare un treno a vapore britannico ormai fuori produzione, un "Clan" classe 6 standard della British Railways, utilizzando una combinazione di disegni originali del progetto degli anni '50 e di ingegneria del XXI secolo. L'idea è quella di integrare nella realizzazione progettazione, tecniche di produzione e tecnologie moderne.
L'AT402 si è rivelato perfetto per misurare i prolungamenti del telaio direttamente nella rimessa locomotive, evitando di dover trovare una sala dedicata alla verifica.Le capacità di scansione diretta del Leica Absolute Tracker ATS600 si sono rivelate di grande utilità nella fase di assemblaggio del progetto, consentendo alteam un notevole risparmio di tempo sia nella verifica dei pezzi disponibili che nell'allineamento prima del montaggio finale. Inoltre è stato utilizzato un Leica Absolute Tracker AT402 nella fase preliminare del progetto quando si è reso necessario eseguire operazioni di misura in un deposito all'aperto in condizioni particolari, per la verifica dei pezzi da confrontare con la documentazione.

Ciò è avvenuto quando l'AMRC è stata coinvolta in un importante lavoro di misura che riguardava l'allineamento dei telai, dopo che una revisione dell'inventario delle strutture aveva evidenziato lacune significative nella documentazione relativa ad alcuni dei componenti chiave dei telai della locomotiva.

Phil Yates è un ingegnere che lavora presso l'AMRC e che si occupa dello sviluppo a livello regionale e delle PMI all'interno del centro Factory 2050, oltre a far parte del gruppo di volontari della Standard Steam. Ha raccontato che con ogni probabilità le lacune nella documentazione relativa ad alcuni dei componenti erano dovute al fatto che 80 anni fa mancava un vero coordinamento tra il lavoro del reparto di progettazione e quello dell'officina, infatti la locomotiva fu progettata e costruita in luoghi diversi, a circa 50 miglia l'uno dall'altro.

"La Classe Standard è stata progettata nell'ufficio tecnico del Derby Works, mentre le locomotive sono state costruite presso il Crewe Works della British Railways tra il 1951 e il 1954. Dunque l'ufficio tecnico era veramente distante dal luogo in cui è stata costruita la locomotiva e all'epoca si costruiva in base a ciò che si sapeva e non seguendo le specifiche di progetto. Bisogna tenere presente che i disegni non mostrano come è prodotto un pezzo. Ecco la causa di questi errori: mostrano lo scollamento tra l'ufficio tecnico e l'officina."

Hexagon’s unique laser tracker technology played a key role in rebuilding a lost classic of British railway designUlteriori dubbi sulla funzionalità dei componenti sono stati sollevati quando i disegni originali della British Railways degli anni '50 sono stati convertiti e trasformati in modelli di progettazione assistita da computer (CAD). "I prolungamenti del telaio hanno destato le maggiori preoccupazioni", ha spiegato Yates. "Il CAD era stato realizzato in seguito alla produzione del pezzo, prima della fabbricazione delle lamiere del telaio principale. La modalità con cui i profili dei fori di fissaggio erano stati posizionati sul telaio e sui prolungamenti del telaio non erano le stesse, quindi quando si allineavano i pezzi in CAD, i fori di fissaggio non coincidevano. L'errore massimo sui componenti CAD era di 1,6 millimetri. L'errore era dovuto al fatto che i due disegni originali non corrispondevano. Chi ha disegnato il telaio o chi ha disegnato i prolungamenti del telaio ha sbagliato o ha apportato modifiche ed è per questo motivo che non si allineavano."

Un disegno di scarsa qualità e la mancata comprensione dei metodi di costruzione possono portare a un'errata interpretazione dei disegni, un problema ben noto anche oggi. Comprendere i metodi di costruzione è fondamentale per dimensionare i disegni in modo preciso. Poiché sia i telai che i loro prolungamenti erano stati profilati al laser da aziende diverse da quella che aveva prodotto il disegno originale, si è supposto che tali errori riguardassero i pezzi. Per determinare l'entità dell'errore è stato necessario misurare i telai e i prolungamenti dei telai, che erano stoccati in luoghi diversi.

Per misurare i prolungamenti dei telai, conservati presso lo stabilimento della East Lancashire Railway, Yates e il responsabile del team di verifica e dell'IA di Factory 2050, Tom Hodgson, hanno utilizzato il laser tracker Leica Absolute Tracker AT402 abbinato a un Leica B-Probe. La macchina di misura a coordinate portatile è prodotta dalla divisione Manufacturing Intelligence di Hexagon, un partner di ricerca di primo livello di AMRC. Esso consente un'estrema precisione su grandi distanze e il suo sensore di misura portatile B-Probe si è rivelato lo strumento perfetto per misurare i prolungamenti dei telai di 4 metri di lunghezza della locomotiva a vapore.

"Tom Hodgson e io abbiamo eseguito il lavoro di misura sui prolungamenti del telaio", ha affermato Yates. "Erano stoccati in un capannone freddo, fattore da prendere in considerazione dato che la temperatura può influenzare le misure. I materiali possono restringersi e dilatarsi al variare della temperatura. Ciò comporta complicati calcoli matematici e abbiamo cercato di compensare la deformazione del materiale al meglio stimando una differenza di temperatura di dieci gradi."

Secondo Geoff Turner, direttore tecnico del gruppo, grazie alle competenze dell'AMRC e all'attrezzatura sofisticata di Hexagon è stato possibile raccogliere dati in modo rapido e preciso e correggere tempestivamente gli errori. "L'AT402 si è rivelato perfetto per misurare i prolungamenti del telaio direttamente nella rimessa locomotive, evitando di dover trovare una sala dedicata alla verifica e fornendoci dati precisi su tre livelli identificando gli errori, che siamo così stati in grado di correggere", ha affermato Turner.
Si è risparmiato così molto tempo se confrontato con l'utilizzo di strumenti di misura tradizionali e, cosa fondamentale, ha permesso di effettuare correzioni in tempo reale mentre la misura era in corso."Dal momento che ne eravamo a conoscenza prima dell'assemblaggio, abbiamo potuto elaborare una strategia per rifare i fori e realizzare elementi di fissaggio leggermente sovradimensionati per i punti in cui i fori erano sbagliati", ha aggiunto Yates.

Il montaggio della locomotiva è in corso presso la società di ingegneria CTL Seal Ltd di Sheffield, che è anche la sede centrale del gruppo di volontari della Standard Steam, dopo che la CTL Seal ha generosamente ceduto una parte della sua officina per dare al gruppo uno spazio dedicato in cui ricostruire la locomotiva. 

Il telaio della locomotiva è costituito da lamiere del telaio principale tenute separate da membrature di rinforzo del telaio in acciaio, membrature di rinforzo del telaio in acciaio fuso e membrature di rinforzo del telaio orizzontali in acciaio stampato. Dato che tutti questi componenti sono stati prodotti da differenti fornitori, per garantire che riportassero tutti la stessa precisione dimensionale, il team di progetto ha avuto bisogno che fossero confermate le dimensioni di montaggio del telaio.

Per fare ciò Yates e il gruppo di volontari della Standard Steam si sono avvalsi dell'aiuto di Hexagon, partner di AMRC , sperimentando questa volta un nuovo tipo di laser tracker a scansione diretta che funziona senza la necessità di un target come un riflettore o un sensore portatile: il Leica Absolute Tracker ATS600. La sua capacità di scansione si è dimostrata perfetta per questo compito, ha dichiarato Yates, e Hexagon ne ha messo a disposizione uno per il progetto insieme alla competenza dei suoi tecnici applicativi, Tim Gears e Barry Dimelow. 

"Hexagon sostiene AMRC dal 2013", ha affermato Gears. "Siamo stati coinvolti in molti progetti, ma mai così interessanti come la scansione di una locomotiva a vapore degli anni '50. La versatilità del nostro ATS600 e la flessibilità che la scansione senza riflettore ci ha offerto, lo ha reso lo strumento di misura perfetto per questo lavoro." 
L'area di scansione è stata definita selezionando in CAD le aree di interesse del telaio e quindi impostando la spaziatura dei punti richiesta. Caratteristiche principali come le guide a corno, i fori e i nidi di riferimento sono stati misurati per mezzo di un retroriflettore.L'ATS600 è uno scanner metrologico per grandi volumi che combina alla perfezione la scansione diretta della superficie con la misura di punti singoli con riflettore. Con una portata di scansione diretta fino a 60 metri, è in grado di effettuare scansioni a velocità fino a 10 secondi per metro quadrato. È anche compatibile con i flussi di lavoro metrologici programmati grazie alla  sua integrazione con i principali software di misura come SpatialAnalyzer e Inspire. Ciò consente ai dati delle nuvole di punti dell'ATS600 di essere disponibili direttamente all'interno del software applicativo per un feedback immediato, estremamente utile per sviluppare e verificare le applicazioni. 

Il sistema ha convinto il team della Standard Steam. Le misure della prima scansione, che consisteva di 2.788 punti, hanno richiesto solo due minuti e hanno mostrato una curva significativa nel telaio. Ulteriori indagini hanno rivelato che la curva era causata da uno spessore dimenticato, che era stato posizionato per consentire la rimozione e la sostituzione di una delle membrature di rinforzo del telaio per la lavorazione. 

"La deformazione massima causata dallo spessore era di 8,9 millimetri", ha affermato Yates. "L'area di scansione è stata definita selezionando in CAD le aree di interesse del telaio e quindi impostando la spaziatura dei punti richiesta. Caratteristiche principali come le guide a corno, i fori e i nidi di riferimento sono stati misurati per mezzo di un retroriflettore." Utilizzando i dati di scansione e di tastatura combinati, è stato possibile determinare il rapporto di rotazione dei telai. "Questo ha dimostrato che i telai ruotavano intorno a un punto tra la seconda e la terza ruota motrice", ha detto Yates. "Il punto in corrispondenza del braccio di croce del vapore di scarico aveva un'altezza di 3,02 millimetri. Ai tecnici della produzione è stato mostrato graficamente il rapporto tra i due telai.

"Con i telai allentati e poi riallineati, è stata completata una seconda scansione che ha mostrato che i telai erano in linea e che si poteva procedere all'avvitamento finale. Anche la posizione e il rapporto tra le guide a corno e i punti di montaggio del cilindro sono stati annotati in modo che nella lavorazione finale si potesse completare una sezione di misura e di rilevamento, risparmiando così tempo sulla macchina."

Secondo Turner, la misura con lo scanner laser si è rivelata un altro grande vantaggio per il progetto. "Si è risparmiato così molto tempo se confrontato con l'utilizzo di strumenti di misura tradizionali e, cosa fondamentale, ha permesso di effettuare correzioni in tempo reale mentre la misura era in corso."

 

Case Study: Standard Steam Locomotive Company e Centro di Ricerca per la Produzione Avanzata dell'Università di Sheffield - Regno Unito

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