Se hai mai lavorato nel settore manifatturiero, sia che si tratti di stampaggio di componenti automobilistici, assemblaggio di componenti elettronici o crimpatura di dispositivi medici, sai che il controllo della forza di stampa può creare o rompere una parte. Troppa poca forza e si otterrebbe una piegatura allentata, un timbro disallineato o un prodotto che non supera i test di qualità sulla catena di montaggio. Troppa forza può causare la rottura di un componente fragile, l'usura prematura degli utensili o addirittura il danneggiamento irreparabile del pezzo. Per anni, le presse pneumatiche sono state il cavallo di battaglia preferito per molte di queste applicazioni, ma nell’ultimo decennio le servopresse hanno occupato sempre più quello spazio. Come fornitore di servopresse che ha parlato con centinaia di responsabili di produzione e ingegneri, ho perso il conto di quante volte ho sentito questa domanda: come si confrontano effettivamente queste due tecnologie quando si tratta di controllo della forza? Analizziamolo con esempi del mondo reale, non solo con le specifiche dei libri di testo, perché è ciò che conta quando acquisti attrezzature per un'officina.
Per prima cosa, chiariamo cosa fa effettivamente ogni stampa quando si tratta di forza. Una pressa pneumatica utilizza l'aria compressa per abbassare un pistone, generando forza quando si preme una valvola per rilasciare aria nel cilindro. La forza qui dipende da due cose principali: la pressione dell'aria compressa e la dimensione del cilindro. Se il compressore d'aria del tuo negozio si avvia a 90 PSI, otterrai una determinata quantità di forza da un determinato cilindro. Se ne hai bisogno di più o di meno, devi regolare il regolatore dell'aria, ma si tratta di una regolazione manuale, spesso imprecisa, e cambia lentamente. Una servopressa, invece, utilizza un servomotore accoppiato a una vite a ricircolo di sfere (o talvolta un motore lineare) per generare e controllare la forza. Il motore non si accende e si spegne semplicemente come una valvola pneumatica; si muove con velocità e forza precise e programmabili, fino a frazioni di Newton. Questa è la differenza fondamentale, ma approfondiamo il modo in cui ciò si svolge nel controllo effettivo.
Uno dei maggiori punti dolenti delle presse pneumatiche è la mancanza di regolazione dinamica della forza. Pensa a un'applicazione comune: crimpare un terminale su un filo per la batteria di uno smartphone. La forza ideale in questo caso è 1.200 Newton, ma se si crimpano dieci terminali di fila, l'attrito nel cilindro o un piccolo calo della pressione dell'aria possono far variare la forza di 50, 100 o persino 200 Newton. Ciò fa sì che alcuni terminali siano troppo allentati (rischiando una disconnessione in seguito) e altri siano troppo stretti (allungando i trefoli del filo finché non si rompono). Con una pressa pneumatica, puoi impostare una forza target, ma non puoi regolarla a metà ciclo. Sei bloccato con un valore di forza statica che rimane costante solo se tutto nel tuo sistema d'aria è perfetto e nella maggior parte dei negozi non lo è. I compressori si accendono e si spengono, i tubi flessibili presentano perdite e diversi strumenti sulla linea aspirano quantità variabili di aria, quindi la pressione fluttua.
Le servopresse eliminano quasi completamente questo problema. Poiché la forza è generata da un motore con un sistema di feedback a circuito chiuso (il che significa che controlla costantemente la sua posizione e forza migliaia di volte al secondo), puoi programmare un profilo di forza personalizzato per ogni singola parte. Diciamo che è la stessa crimpatura del terminale della batteria: potresti impostare la pressa per spostarsi verso il basso a 100 mm/s finché non entra in contatto con il terminale, quindi rallentare a 20 mm/s e aumentare gradualmente la forza da 800 a 1.200 N in 0,2 secondi, mantenere quella forza per 0,1 secondi per assicurarsi che la crimpatura sia uniforme, quindi ritrarla. Se stai crimpando un terminale diverso per un tablet, puoi modificare quel profilo in 10 secondi: senza strumenti, senza regolazioni della pressione dell'aria, senza aspettare che un tecnico venga a modificare un regolatore. Questo livello di controllo dinamico è il punto in cui le servopresse brillano e rappresenta un punto di svolta per le parti che richiedono variazioni di precisione della forza durante la corsa.
Aspetta, ma per quanto riguarda la precisione della forza? Molte persone si chiedono se le servopresse siano effettivamente più precise di quelle pneumatiche, e la risposta è sì, ma la differenza è più drammatica di quanto molti credano. La precisione della forza della pressa pneumatica è generalmente compresa tra ±5 e 10%. Quindi, se lo imposti su 1.000 N, potresti arrivare ovunque da 900 a 1.100 N in una buona giornata. In una brutta giornata, con pressione atmosferica fluttuante, può salire fino a ±15 o 20%. Per le applicazioni a bassa precisione, come la pressatura di una semplice guarnizione di gomma in un alloggiamento, potrebbe andare bene. Ma per i dispositivi medici, i componenti aerospaziali o le parti di motori automobilistici, quella differenza del 5% può significare che la parte non soddisfa gli standard ISO o SAE. La precisione della forza di una servopressa è solitamente compresa tra ± 0,5 e 1%. Ciò significa che se lo imposti su 1.000 N, otterrai da 995 a 1.005 N, ogni singolo colpo. Nessuna congettura, nessuna variazione, il che significa che meno parti vengono rifiutate durante i controlli di qualità e meno vengono inviate come difettose.
Naturalmente, il controllo della forza non è solo una questione di precisione, ma anche di ripetibilità. Se gestisci 10.000 parti al giorno, non vuoi che la prima parte abbia 1.000 N e la decimillesima abbia 900 N. Le presse pneumatiche hanno difficoltà in questo caso a causa della compressione dell'aria e dell'usura del cilindro. Nel corso del tempo, le guarnizioni del cilindro si usurano, causando perdite, quindi è necessario aumentare la pressione dell'aria per ottenere la stessa forza. Si tratta di una deriva lenta che può passare inosservata per settimane, portando a tutta una serie di parti difettose. Servopresse? Il motore e il meccanismo a vite presentano un'usura minima e il sistema di feedback a circuito chiuso rileva qualsiasi deriva prima che diventi un problema. Abbiamo avuto clienti che producono 24 ore su 24, 7 giorni su 7, boccole per sospensioni automobilistiche con la nostra servopressa H-Frame (link: /servo-press/h-frame-servo-press.html) che riportano una variazione di forza inferiore allo 0,3% su 100.000 cicli. Questa è la ripetibilità che non è possibile ottenere con la tecnologia pneumatica.
Ma siamo onesti: le presse pneumatiche non sono obsolete. Ci sono ancora applicazioni in cui hanno senso e il loro controllo della forza è “abbastanza buono”. Ad esempio, se stai stampando una staffa metallica decorativa in cui la forza esatta non ha importanza purché sia sufficiente a tagliare il metallo, una pressa pneumatica è economica, veloce e facile da installare. Il problema arriva quando hai bisogno del livello successivo di controllo. Prendiamo un'altra applicazione comune: l'inserimento dei cuscinetti nell'alloggiamento del cambio. Se si inserisce un cuscinetto con troppa poca forza, vibrerà e causerà rumore nella scatola del cambio finita. Troppa forza distorcerebbe la corsa interna del cuscinetto, provocando un cedimento prematuro del cuscinetto. Con una pressa pneumatica, è necessario testare le parti singolarmente o accettare una variazione del 10%. Con una servopressa, puoi impostare una soglia di forza minima: se la pressa non raggiunge tale forza durante l'inserimento, si ferma e ti avvisa di una parte difettosa. Puoi anche impostare una soglia di forza massima: se la supera, si ferma anche lui, in modo da non danneggiare il cuscinetto. Si tratta di un controllo di qualità durante il processo, non solo di un'ispezione post-processo, che consente di risparmiare enormi quantità di tempo e denaro.
Un altro punto chiave è il controllo della forza attraverso diverse posizioni di corsa. Le presse pneumatiche applicano la forza tutta in una volta quando il pistone colpisce il pezzo: non c'è controllo su come la forza si accumula durante la corsa. Se lavori con una parte fragile nella parte superiore e inferiore, come un isolante ceramico, applicare immediatamente tutta la forza può romperla. Le servopresse ti consentono di controllare la forza in ogni punto della corsa. Per quell'isolante in ceramica, potresti impostare la pressa per applicare una forza del 20% per i primi 5 mm di corsa (per ottenere un contatto morbido), quindi aumentare fino al 100% della forza nei successivi 3 mm, quindi tenere premuto per 0,5 secondi prima di ritrarsi. Questa applicazione di forza graduale e graduale elimina lo shock che rompe la ceramica, cosa che non potrai mai fare con una pressa pneumatica. Recentemente abbiamo collaborato con un'azienda di dispositivi medici che produce componenti per pacemaker: utilizzavano presse pneumatiche e avevano un tasso di difetti del 3% dovuto a isolatori ceramici incrinati. Sono passati alla nostra pressa servo C-Frame (link: /servo-press/c-frame-servo-press.html) e hanno ridotto il tasso di difetti a meno dello 0,1%. Non si tratta di un miglioramento da poco: rappresenta la differenza tra soddisfare i requisiti normativi e non rispettarli.
Ora, so cosa stanno pensando alcuni di voi: le servopresse sono più costose, giusto? Sì, i costi iniziali sono più elevati rispetto a quelli di una pressa pneumatica, ma se si tiene conto dei risparmi derivanti da meno scarti, meno tempi di inattività e minore usura degli utensili, si ripagano rapidamente. Una pressa pneumatica potrebbe costare dai 5.000 ai 10.000 dollari, mentre una servopressa comparabile costa dai 15.000 ai 30.000 dollari. Ma se si producono 100.000 parti al mese, gli scarti derivanti dalla variazione della pressa pneumatica possono ammontare a decine di migliaia di dollari all'anno. Inoltre, gli utensili per presse pneumatiche subiscono colpi a causa della forza improvvisa. Gli utensili che durano un anno su una servopressa potrebbero durare solo tre mesi su una pressa pneumatica, a causa dei carichi d'urto. Con il passare del tempo, la servopressa diventa l’opzione più economica, anche se il costo iniziale è più elevato.
Parliamo anche della flessibilità, che è direttamente collegata al controllo della forza. Se la tua linea di produzione realizza più parti, non vorrai dover riconfigurare una pressa pneumatica ogni volta che cambi. La regolazione della pressione dell'aria, la sostituzione delle bombole e il ripristino degli arresti richiedono tempo, forse da 30 minuti a un'ora per cambio. Con una servopressa è possibile salvare nel sistema di controllo 50 o 100 diversi profili di forza e posizione. Passare da una parte all'altra è semplice come digitare il numero di una parte sul touchscreen e la stampante è pronta in 10 secondi. Si tratta di un enorme vantaggio per la produzione ad alto mix e a basso volume, che sta diventando sempre più comune poiché i clienti richiedono prodotti più personalizzati.
Naturalmente, ci sono ancora momenti in cui le presse pneumatiche rappresentano la scelta migliore. Se si dispone di un'applicazione semplice e di grandi volumi in cui il controllo della forza deve solo essere "abbastanza buono" e il costo iniziale è la preoccupazione principale, una pressa pneumatica funzionerà bene. Ma se lavori con pezzi di precisione, hai bisogno di un controllo di qualità durante il processo o vuoi ridurre gli scarti e i tempi di fermo, le servopresse sono chiaramente superiori quando si tratta di controllo della forza.
Alla fine, la domanda non è “quale è meglio?” È "di cosa ha bisogno la tua domanda?" Se sei stanco di rottamare parti a causa di una forza incoerente, di passare ore a testare e rielaborare o di dover affrontare i limiti della tecnologia pneumatica, una servopressa potrebbe essere esattamente ciò di cui hai bisogno. In qualità di fornitore, non forniamo servopresse per ogni lavoro: collaboriamo con i clienti per valutare le loro esigenze e trovare la soluzione giusta. Ma abbiamo visto in prima persona quanta differenza può fare un adeguato controllo della forza per le linee di produzione, la qualità e i profitti.
Se sei pronto per saperne di più su come una servopressa può migliorare il controllo della forza o vuoi vedere i nostri modelli H-Frame o C-Frame in azione, non esitare a contattare il nostro team per una consulenza. Possiamo aiutarvi a valutare il vostro processo attuale, eseguire test sulle vostre parti e trovare la macchina da stampa perfetta per le vostre esigenze specifiche. Che tu stia crimpando terminali, inserendo cuscinetti o stampando componenti aerospaziali, abbiamo l'esperienza per guidarti.
Riferimenti
- Società degli ingegneri di produzione. (2021).Controllo della forza nelle presse di produzione: un'analisi comparativa. Stampa PMI.
- VDI 3841. (2020).Sistemi di servopresse: parametri di prestazione per il controllo della forza e della posizione. Associazione degli ingegneri tedeschi.
- BoschRexroth. (2022).Presse pneumatiche e servopresse: precisione del controllo della forza nelle applicazioni industriali. Relazione tecnica.
