Storia di successo

Produzione adattativa di pale di turbina

Starrag sviluppa sistemi di produzione flessibile per la lavorazione individuale di serie di pale di turbina
Un sistema di produzione flessibile all'avanguardia di Starrag esegue la finitura di pale di turbina in titanio forgiate di precisione. Il produttore svizzero di macchine e impianti ha applicato la competenza acquisita in molti anni di esperienza nella progettazione e nei dettagli chiave per produrre in modo affidabile fino a 40.000 pale all'anno. Ad esempio, per ogni pala viene generato un programma di fresatura individuale a causa delle piccole differenze tra i componenti derivanti dal processo.

Starrag, che ha sede a Rorschacherberg, da oltre 20 anni si occupa di progetti "chiavi in mano" per la produzione di pale di turbine e componenti strutturali. In questo periodo sono stati creati circa 60 sistemi automatizzati multimacchina, che hanno fornito una grande esperienza tecnologica. Un gran numero di clienti beneficia attualmente di questo patrimonio di esperienza, in quanto vi è una chiara tendenza verso i sistemi di produzione flessibile (FMS) in tutto il mondo. Il responsabile vendite Rainer Hungerbühler spiega: "Mentre in passato avevamo al massimo due progetti di questo tipo in corso in qualsiasi momento, attualmente abbiamo quattro progetti che saranno consegnati in Asia e in America. L'industria aerospaziale ed energetica sta sfruttando sempre più i vantaggi offerti da questo tipo di produzione in serie automatizzata, sia in termini di qualità che di efficienza, nella produzione di componenti chiave come le pale di turbina."

La finitura delle pale dei compressori per l'utilizzo nei motori degli aerei è un progetto particolarmente impressionante. I semilavorati in titanio per la lavorazione sono forgiati con precisione. Sebbene la precisione delle due superfici della pala (lato aspirazione e lato pressione) non richieda alcuna post-lavorazione, i bordi necessitano comunque di un raggio specifico. Anche le transizioni a ogni pala della turbina devono avvenire senza offset o segni di fresatura evidenti.

La forgiatura — anche quando viene eseguita con questo alto livello di precisione — è un processo in cui si verificano variazioni tra i componenti. Mentre minime deviazioni all'interno della superficie della pala hanno un effetto trascurabile sull'applicazione finale, le differenze di contorno pongono notevoli sfide per quanto riguarda la fresatura dei bordi e delle transizioni.

Un punto di forza: la fresatura adattativa

A tal fine, gli sviluppatori dell'impianto svizzero hanno scelto di utilizzare le macchine LX 051. Questa serie di macchine è stata sviluppata da Starrag per la lavorazione precisa e simultanea, su cinque assi, delle pale di turbina. Per ottenere una transizione ottimale per ogni pala, Starrag ha scelto la fresatura adattativa. Ciò significa che il processo di fresatura viene regolato separatamente per ogni semilavorato. Prima di tutto, la macchina esegue un processo di misura durante il quale viene scansionata la forma di ogni semilavorato. In base a questi dati, per ogni semilavorato viene calcolato e immediatamente eseguito un programma di fresatura a controllo numerico. Il risultato è una transizione "su misura" tra raggio del bordo e superficie della pala.

Günter Leitold, responsabile dell'automazione dei sistemi di produzione flessibile presso Starrag, spiega: "La fresatura adattativa è uno dei punti di forza del sistema. Per mantenere alta la produttività, è importante che il processo di misura avvenga molto rapidamente. E questo è possibile utilizzando la più recente tecnologia di scansione disponibile sul mercato." L'ingegnere sottolinea che Starrag agisce come appaltatore generale per questo tipo di sistema di produzione e quindi ne ha la responsabilità: "Tra le nostre competenze principali rientrano macchine utensili, utensili, attrezzature e sistemi CAM. E conosciamo molto bene anche la configurazione di tali sistemi. Per gli altri componenti, cerchiamo di lavorare solo con aziende leader, in grado di raggiungere l'elevato livello di prestazioni e disponibilità richiesto."

Design ridondante per un'elevata disponibilità

L'affidabilità del sistema è stata una considerazione fondamentale durante la fase di progettazione. D'altra parte, nella configurazione finale, verranno prodotte fino a 40.000 pale di turbina all'anno. I progettisti hanno quindi scelto una configurazione completamente ridondante. Il sistema FMS è costituito da due linee identiche, ognuna delle quali comprende due stazioni di carico, due centri di lavoro LX 051 con dispositivo di scansionamento, un sistema di lavaggio, un ago di marcatura e una cella di misura. Un robot a sei assi trasporta i componenti e, se necessario, alimenta le macchine della seconda linea.
L'intero sistema è controllato da un'unità di controllo cella con sistema PPC che consente di accedere anche a diverse strategie di emergenza. Ciò assicura che il sistema possa funzionare ininterrottamente per sei giorni alla settimana su tre turni. Günter Leitold aggiunge: "Anche la manutenzione può essere effettuata durante il funzionamento, fermando le singole parti di una cella e utilizzando i sistemi ridondanti. L'unità in questione viene rimossa dal sistema di controllo cella con un semplice clic ed è quindi disponibile per interventi di manutenzione o prova."

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Il setup adattativo assicura sempre la massima qualità delle pale

Per garantire un elevato livello di disponibilità, anche il setup del sistema è stato pianificato con cura. Le piccole differenze di profilo dovute alla forgiatura dei semilavorati richiedono ancora l'intervento umano. "Dato che, per il resto, l'intero processo è praticamente del tutto automatizzato, la decisione non è stata facile", spiega Patrik Rutishauser, Head of Application Technology. "Ma i calcoli hanno dimostrato che, per questo sistema, il setup assistito dall'operatore è la soluzione più efficiente."

Il motivo è che un processo di fresatura ad alta produttività richiede un bloccaggio sicuro, con forze specifiche. Anche se le differenze tra una pala e l'altra sono minime, se il dispositivo viene configurato automaticamente, alcuni semilavorati potrebbero non coincidere esattamente con i punti di appoggio. Durante il fissaggio, le possibili tensioni esercitate sul componente possono comportarne la deformazione al momento dello sblocco, dopo la fresatura, rendendo la pala inutilizzabile.

Starrag ha quindi sviluppato un dispositivo che si adatta a ogni specifico semilavorato. 

In alternativa, è stata considerata la possibilità di lavorare sulle tolleranze. Tutti i semilavorati al di fuori delle tolleranze previste avrebbero dovuto essere rimossi in anticipo. In tal caso, sarebbe stato possibile mantenere l'automazione. Tuttavia, con i semilavorati in titanio, la quantità di scarti sarebbe troppo elevata per ottenere un risultato accettabile.

Automazione completa:

Doppia fresatura, sbavatura, lavaggio, marcatura e controllo

Il sistema prevede un totale di quattro punti di setup. Ogni punto è dotato di un PC di controllo che comunica con il sistema di controllo della cella. Alla consegna, i semilavorati sono già contrassegnati da un codice 2D univoco. Questo codice viene registrato dal dispositivo di lettura durante il setup e poi trasmesso al sistema di controllo della cella. Il responsabile vendite Rainer Hungerbühler sottolinea la versatilità del sistema FMS: "Il sistema è concepito per lavorare sette diversi tipi di pale di turbina. La sequenza di produzione delle pale viene specificata dal sistema di controllo della cella in base a una serie di priorità."

La procedura di base è la stessa per tutte le pale. Ogni pala viene lavorata in due posizioni di bloccaggio e ciò significa che sono necessari due diversi staffaggi. Nel primo dispositivo, il semilavorato viene bloccato secondo un principio sviluppato da Starrag. I bordi e le aree di transizione, su entrambi i lati, rimangono accessibili per la lavorazione.

Il secondo dispositivo prevede un sistema di bloccaggio che consente di fresare la base e la testa della pala. La necessaria sbavatura avviene dopo il processo di fresatura. Durante il secondo processo di fresatura, la marcatura originale viene rimossa e, con un ago di marcatura, ogni pala viene contrassegnata con un nuovo codice 2D.

Un altro dispositivo è necessario per il processo finale di misura ottica, durante il quale vengono controllate oltre 50 caratteristiche di ogni singola pala.

Per garantire la massima efficienza dell'operazione di setup, durante il funzionamento tutti e tre i dispositivi per un certo tipo di pala sono disponibili nel punto di setup. Completata la lavorazione, l'operatore rimuove la pala dal dispositivo di misura, cambia le altre due e sistema un nuovo semilavorato nel dispositivo.

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Machining expertise

L'ingegnere applicativo Patrik Rutishauser sottolinea altre importanti caratteristiche del sistema: "Le competenze di Starrag non si limitano alle macchine ma riguardano anche il processo di lavorazione. Il nostro software CAM viene utilizzato per generare i programmi di fresatura adattativi e i nostri utensili di fresatura in metallo duro integrale assicurano prestazioni di taglio ottimali."
Per gestire l'alto fabbisogno di utensili nei quattro centri di lavoro - che funzionano 24 ore su 24 - Starrag ha collegato il sistema di produzione a due macchine per l'affilatura degli utensili con una serie di attrezzature ausiliarie, la cui capacità è pianificata dal sistema di controllo della cella. Ciò consente di procedere sul posto all'affilatura di determinati utensili. Come per tutti gli altri utensili, anche questi vengono misurati, inseriti nell'attacco e messi a disposizione delle macchine.

Many years of experience in the systems segment

Il Gruppo Starrag, leader tecnologico a livello globale nella produzione di macchine utensili ad alta precisione con i marchi Berthiez, Bumotec, Dörries, Droop+Rein, Heckert, Scharmann, SIP, Starrag, TTL e WMW, ha una vasta esperienza nel segmento dei sistemi in diversi settori industriali. Starrag, la cui sede centrale si trova a Rorschacherberg, in Svizzera, si rivolge soprattutto al settore aerospaziale e a quello della generazione di energia. Oltre a fornire macchine specializzate, si occupa di sistemi di produzione flessibile da oltre 20 anni. La sua offerta include l'intera fase di pianificazione e progettazione, la consegna e l'assemblaggio di tutti i moduli del sistema e, naturalmente, le macchine, gli utensili, gli staffaggi e l'automazione. Senza dimenticare i servizi di formazione, supporto alla produzione e assistenza.

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