Studio cineto-statico delle macchine asservite ad una cella per lavorazioni di formatura incrementale

Prefazione 
In un contesto industriale che negli anni si proietta sempre più verso un tipo di produzione 
che, per andare incontro alle esigenze del cliente, esalta la diversificazione del prodotto 
senza perdere di vista la qualità, la variabile flessibilità assume un ruolo fondamentale per 
lo sviluppo di qualsiasi realtà manifatturiera. 
La scelta di una produzione automatizzata diventa perciò necessaria, come confermato dai 
sempre più frequenti casi di aziende che ricorrono alla robotica per l’allestimento delle 
proprie celle di lavorazione. 
È proprio intorno ai due concetti di FLESSIBILITA’ ed AUTOMAZIONE che si inserisce 
il progetto Ultraflex, promosso dalla LAMIER s.p.a., dal quale è nata la presente tesi. Esso 
si propone di sviluppare un processo di formatura della lamiera che abbia come base di 
partenza la ben nota tecnologia di incremental forming. 
Per applicare tale tecnologia si sceglie di utilizzare il Tricept HP1, un robot ibrido con 
buona capacità di carico ed ampio spazio di lavoro. Attorno a questo robot si può tentare di 
allestire una cella che, munita di un certo numero di assi, favorisca la realizzazione di 
processi di lavorazione ad elevata flessibilità. 
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Prefazione 
Dati i numerosi problemi legati ai costi, ai tempi e alla complessità che una ricerca basata 
esclusivamente su prove di laboratorio comporta, si può pensare di avvalerci dell’utilizzo 
di un software di simulazione ad elevate prestazioni: questo, oltre ad offrire la possibilità di 
effettuare un’analisi completa di fattibilità sui prodotti proposti, essendo interfacciabile 
direttamente al controllore del Tricept, può permettere di lanciare da PC il codice da far 
eseguire al robot. 
Partendo dalle considerazioni appena fatte, in questa tesi si effettuerà uno studio completo 
della cinematica del manipolatore: essendo il robot di natura ibrida, sarà necessario 
disaccoppiare tale studio in due parti al fine di analizzare separatamente la struttura 
parallela iniziale e quella seriale finale. 
Successivamente, una volta individuate le configurazioni di singolarità che caratterizzano 
lo spazio di lavoro del Tricept, dopo aver descritto i sistemi motoriduttori che lo muovono, 
si dovrà svolgere un’analisi di manipolabilità dello stesso, ricavando i relativi ellissoidi in 
forza ed in velocità. 
Cercheremo allora di determinare la capacità di carico del robot nelle varie configurazioni 
che questo assume in fase di lavorazione e di fare delle valutazioni sulla percorribilità dei 
tracciati CAM di una serie di prodotti. 
Infine, servendoci del software di simulazione IGRIP, una volta caratterizzata la possibile 
cella automatizzata da utilizzare per la nostra tecnologia di formatura incrementale (dovrà 
avere proprietà di elevata rigidezza e flessibilità), sarà interessante simulare delle 
lavorazioni e generare i relativi codici PDL2 da inviare al controllore C3G Plus del 
Tricept. 
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Capitolo 1 
Cenni sulla formatura della lamiera 
In questo capitolo, si accennerà brevemente alle varie tecnologie di formatura delle lamiere 
che si stanno sviluppando nel panorama industriale, focalizzando l’attenzione soprattutto 
su quelle di carattere innovativo. Tali tecnologie ci aiuteranno a capire meglio gli aspetti 
che contraddistinguono il processo di formatura incrementale (incremental forming) che si 
sta sviluppando negli ultimi anni e che costituisce l’oggetto di studio di questo lavoro. Ci si 
concentrerà poi su quest’ultima tecnica per capire quali siano i limiti, le problematiche ed i 
margini di miglioramento della stessa. 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
1.1 Lo stampaggio della lamiera 
La lavorazione della lamiera, intesa come processo a freddo mediante il quale una lamiera 
muta la sua forma, sta assumendo un ruolo sempre più rilevante nell’industria meccanica in 
quanto questo semilavorato unisce doti di leggerezza e di resistenza meccanica garantendo 
uniformità dello spessore [Cal04]. 
Figura 1.1 Processo di imbutitura 
Il processo più semplice di stampaggio della lamiera è l’imbutitura che prevede l’utilizzo 
di un punzone della stessa forma del pezzo e di una matrice in mezzo ai quali viene inserito 
il foglio. La presenza di un premilamiera impedisce il formarsi di grinze. 
Dati però gli evidenti limiti di questa tecnica di formatura, è nata la necessità di ottenere 
forme più complesse: per questo si è fatto ricorso ad altre metodologie di stampaggio che 
prevedono l’ausilio di presse (idrauliche o meccaniche) per la chiusura di stampi di varia 
grandezza. Lo stampo è composto da almeno due parti metalliche complementari (maschio 
e femmina) che, essendo molto costose, obbligano alla produzione di un elevato numero di 
pezzi per poter essere ammortizzate. 
Figura 1.2 Stampo industriale 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
Il ciclo produttivo in cui viene inserito lo stampaggio non termina con la semplice chiusura 
dello stampo da parte delle presse, ma si articola in una serie di fasi ognuna delle quali 
contribuisce ad aggiungere dettagli al prodotto: 
- Formatura: è la prima operazione, modella la lamiera dandogli una forma 
tridimensionale vicina a quella definitiva; 
- Foratura: aggiunge fori e aperture al pezzo; 
- Rifilatura: per mezzo di presse trancianti viene ripulito il pezzo da 
residui metallici ed avanzi di materiale; 
- Assestamento: la formatura viene completata con l’aggiunta al pezzo di tutti 
i dettagli necessari; 
- Flangiatura: vengono piegati a 90° i bordi non lavorati in precedenza 
in modo da creare delle superfici di accoppiamento con altri 
componenti. 
Una componente che fortemente influenza lo stampaggio è l’azione dell’attrito e dell’usura 
che altera le superfici e le caratteristiche dei prodotti e che, se non controllata, comporta 
l’interruzione del ciclo produttivo per consentire la manutenzione o la sostituzione degli 
stampi (tempo tolto alla produzione). Inoltre, essendo la deformazione della lamiera 
diversa da zona a zona, diversa sarà anche la componente di usura. In questa tecnologia 
non di poco conto sono anche i problemi legati all’inquinamento ambientale (smaltimento 
delle polveri) e a quello acustico (battilastra). 
Il processo produttivo inizia con la realizzazione di modelli di stampo in resina di costo 
contenuto, adatti alla produzione di pochi pezzi, sui quali, con l’ausilio dei battilastra, 
verranno ricavati una serie di prototipi; questi vengono utilizzati per effettuare delle 
verifiche funzionali o come proposte di scelta per il cliente. 
Una volta scelto il prototipo da realizzare verrà costruito lo stampo mediante 
digitalizzazione del profilo e verrà avviata la produzione. 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
1.2 Tecnologie innovative e alternative di formatura 
Accanto alla classica tecnologia di stampaggio appena esposta, negli ultimi anni, sono nate 
anche altre metodologie di formatura della lamiera stimolate dall’evoluzione del mercato, 
spinto sempre più verso la produzione di piccoli lotti e la personalizzazione del prodotto in 
base alle richieste del cliente. 
È per questo che si sono sviluppate nuove tecniche sempre più flessibili volte al 
miglioramento di quelle già esistenti. 
Ricordiamo quelle più importanti: 
1. Stampi rivestiti in PVD Per preservare dall'usura e dalla corrosione gli stampi 
si è riscontrato negli ultimi anni un sempre maggior impiego della tecnica di 
rivestimento dello stampo stesso attraverso la Physical Vapor Deposition 
(PVD), deposizione allo stato fisico di vapore di carburi o nitruri di titanio o 
altre sostanze particolarmente resistenti all'usura e alla corrosione. Il prodotto 
così migliora di qualità e la durata dello stampo aumenta fino a 30 volte. 
2. Stampi con elementi mobili Per ottenere prodotti con geometrie complesse e 
sottosquadri si ricorre ad un tipo di matrice che, sotto la spinta del punzone, 
varia la propria geometria. 
Figura 1.3 Matrice ad elementi mobili 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
3. Formatura per stiratura Grazie all’utilizzo di apposite pinze i lembi 
contrapposti della lamiera vengono afferrati e stirati generando una forza di 
trazione che provoca la deformazione nelle due direzioni principali senza 
l’utilizzo di forze di ricalcatura. La formatura avviene per mezzo di un 
movimento relativo tra le pinza (e quindi la lamiera) e un controstampo. I 
prodotti derivati da tale tecnologia, per la semplicità di questa, non presentano 
mai geometrie troppo complesse. 
Figura 1.4 Processo di formatura per stiratura 
4. Stampi riconfigurabili Questi stampi sono costituiti da una serie di punzoni 
uguali che si vanno a disporre in modo tale da approssimare quanto più 
possibile la geometria che si vuole ottenere: a tal proposito i punzoni sono 
regolati in altezza per mezzo dell’interfacciamento con un calcolatore 
elettronico. Il calcolatore ci permette di valutare la forma migliore da far 
assumere allo stampo e di configurare lo stesso in modo automatico: tale 
flessibilità del sistema ci aiuta a ricavare innumerevoli geometrie e ad applicare 
eventuali modifiche in modo quasi immediato. 
Figura 1.5 Stampo riconfigurabile 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
L’utilizzo di questa tecnologia riduce i contatti tra lamiera e stampo a pochi 
punti con conseguente diminuzione dell’attrito. 
I limiti osservati riguardano essenzialmente la geometria discreta della 
superficie, vincolata dalla grandezza dei punzoni mobili. Più questi sono 
piccoli, maggiore è la continuità della forma dello stampo ma al tempo stesso 
maggiori sono anche i costi. 
5. Formatura mediante forze magnetiche Per deformare la lamiera viene 
utilizzata la forza applicata per mezzo di un campo magnetico generato da una 
bobina percorsa da corrente elettrica. Questa tecnica produce deformazioni 
poco profonde con velocità molto elevate, il che impedisce uno scorrimento 
ottimale del materiale [OeK92]. 
6. Stampo con matrice flessibile In questa tecnica di formatura viene usato un 
semistampo rigido e una matrice flessibile realizzata con un cuscino di gomma 
o con una membrana di poliuretano spinta da un fluido in pressione. 
Interponendo un foglio di lamiera, questo verrà deformato a sua volta con 
elevata precisione (buona finitura superficiale) e permetterà la realizzazione di 
forme complesse e profonde, con l’interessamento di basse componenti di 
attrito [Kal95]. 
7. Idroformatura In questo caso la deformazione è ottenuta dall’azione di un 
fluido in pressione che sostituisce uno degli stampi: il fluido costringe la 
lamiera ad aderire all’unico stampo solido utilizzato e ad assumere la geometria 
di quest’ultimo. 
Tale tecnica può presentare varie configurazioni: idroformatura a punzone 
d’acqua, idroformatura a matrice d’acqua o idroformatura di bilamiera 
(formatura contemporanea di due lamiere su due semigusci solidi simmetrici). 
La presenza di una modesta componente di attrito produce basse tensioni di 
scorrimento del materiale, il che ci permette di ottenere superfici molto levigate 
ed omogenee. 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
Figura 1.6 Passi fondamentali dell’idroformatura a matrice d’acqua 
Per poter mandare in pressione il fluido è necessario un impianto idraulico di 
pompaggio che comporta un aumento dei costi: questo problema viene però 
controbilanciato dall’utilizzo di materiali più economici quali legno e resine per 
produrre gli stampi. Purtroppo va evidenziata una elevata lentezza del processo 
con tempi ciclo che oggi si attestano attorno ai trenta secondi [Mic03]. 
8. Formatura incrementale della lamiera Può presentarsi in due forme: 
- Spinning (imbutitura al tornio) Prevede l’utilizzo di macchine a 
controllo numerico che, al posto dell’utensile per l’asportazione di 
truciolo, presentano un rullo di apposita geometria in grado di 
deformare la lamiera. 
Figura 1.7 Spinning 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
La matrice è assialsimmetrica e, una volta posta in rotazione, trascina 
con sé la lamiera, mentre l’utensile, premendo lungo l’asse di simmetria, 
segue il profilo della matrice stessa deformando al tempo stesso il foglio 
metallico. 
Sono previste due tipologie di approccio: spinning puro (lamiera 
piegata) e shear spinning (lamiera piegata e stirata) 
- Formatura incrementale (incremental forming) L’utilizzo di 
macchine utensili a controllo numerico rende più dinamica la fase di 
prototipazione ed aggiunge flessibilità alla catena produttiva; come per 
lo spinning la lamiera viene deformata localmente ed in modo 
incrementale da un punzone, superando però in questo caso il 
precedente limite della simmetria assiale. 
Il processo si suddivide in una serie di lavorazioni bidimensionali su 
piani tra loro paralleli, realizzate con l’ausilio di un tendilamiera. 
La tecnologia di incremental forming si può presentare in una grande varietà di 
configurazioni: la più semplice è costituita da una deformazione libera della lamiera che, 
trattenuta da un telaio tendilamiera e senza alcun supporto su cui poggiare, è soggetta alla 
spinta del punzone. 
Figura 1.8 Schema di formatura incrementale 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
Un’evoluzione del processo è data dall’introduzione di un controstampo che riprende la 
forma geometrica del prodotto da ottenere e sul quale il punzone preme la lamiera. La 
formatura incrementale può a sua volta essere realizzata con tre metodiche distinte: 
• Modello in negativo 
La lamiera viene poggiata e bloccata su un controstampo fisso, costituito da una 
tasca scavata in un blocco di materiale, che riproduce il negativo dell’oggetto da 
ottenere. 
Figura 1.9 Formatura incrementale con modello in negativo 
• Modello in positivo 
Al posto della tasca si ha un controstampo con sviluppo in positivo, per riprodurre 
il quale si rende necessario introdurre un ulteriore asse al sistema. In pratica la 
lamiera, e quindi il telaio, sono montati su un asse della macchina CN che varia la 
sua posizione in modo sincronizzato con il punzone. La traiettoria imposta al 
punzone si sviluppa su piani paralleli tra loro e perpendicolari all’asse del punzone, 
e costituisce il perimetro del pezzo su quel piano. 
Figura 1.10 Formatura incrementale con modello in positivo 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
Figura 1.11 Lavorazione di formatura incrementale con modello in positivo 
• Modello riconfigurabile 
La lamiera viene deformata localmente da due punzoni mobili, uno superiore e uno 
inferiore, che seguono opportune traiettorie imposte dalla programmazione (non si 
utilizza quindi un controstampo). 
La caratteristica più interessante della tecnologia di incremental forming è la 
riconfigurabilità dello stampo; infatti, nello stampaggio classico entrambe le parti 
costituenti lo stampo sono solide e per modificarle o si agisce meccanicamente su di esse o 
si deve sostituirle. 
Con questa nuova tecnica, invece, si possono realizzare infinite geometrie semplicemente 
riconfigurando il percorso del punzone mediante riprogrammazione dello stesso: perciò le 
uniche parti meccaniche che possono venire eventualmente sostituite sono il punzone (se è 
necessario variare la sua forma) e il modello (realizzato con materiale economico come 
legno per stampi o resina). 
La riconfigurabilità rende l’incremental forming particolarmente utile nella fase di 
realizzazione di nuovi prodotti come metodo di prototipazione rapida: rende le fasi di 
progettazione e di realizzazione del prototipo maggiormente collegate in quanto è possibile 
interagire su di esse mediante calcolatore elettronico. 
A fronte di ciò, però, va detto che tale tecnologia può essere utilizzata solo per piccole 
serie di produzione, in quanto, essendo tali prodotti orientati al cliente e quindi largamente 
diversificati, i loro tempi di realizzazione risultano molto elevati. 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
È possibile distinguere due tecniche fondamentali di formatura incrementale [Tar04]: 
1. Flexible Forming Machining: Consiste nel formare una lamiera per mezzo di 
un premilamiera, un punzone e una matrice (o stampo) mobili, controllati per 
mezzo di un PC [CGA03]. 
A sua volta questa tecnologia prevede due possibilità: 
 Stretchforming Il premilamiera, che impedisce il flusso di materiale 
durante la lavorazione, si muove fino a localizzare la parte di lamiera da 
deformare mentre lo stampo sottostante si solleva e il punzone scende 
dall’alto. Questo metodo presenta un alto grado di flessibilità e una 
semplice geometria degli utensili ma al tempo stesso facilita l’insorgere 
di difetti estetici e limita le profondità ottenibili. 
Figura 1.12 Rappresentazione dello Stretchforming 
 Deep Drawing Process In questo caso, invece, viene permesso il flusso 
di materiale verso la parte che si sta deformando, il che facilita il 
raggiungimento di elevate profondità nel prodotto finito; inoltre, si deve 
disporre di uno stampo completo dove appoggiare il grezzo con una 
evidente diminuzione della flessibilità. Anch’esso presenta il problema 
dei difetti di superficie causati dallo strisciamento dell’utensile. 
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Capitolo 1: Cenni sulla formatura della lamiera 
Figura 1.13 Rappresentazione del Deep Drawing Process 
2. Sheet Dieless Forming: Questa tecnica non necessita dello stampo: interfaccia 
un elaboratore ad una macchina a controllo numerico sviluppando, mediante 
software CAM, un percorso utensile. Purtroppo i tempi macchina richiesti per 
ottenere buoni risultati sono abbastanza elevati e possono arrivare anche a 25 
minuti: è per questo che viene utilizzato unicamente per realizzare prototipi, 
pezzi di ricambio o piccole serie [Koc01]. 
Il pregio fondamentale dello Sheet Dieless Forming è sicuramente l’elevata 
flessibilità e il basso costo. Se si vogliono ad esempio fare delle modifiche ad 
un prodotto basterà modificare il modello CAD, ed eventualmente il punzone. 
Dopo aver illustrato le principali caratteristiche delle tecniche di formatura incrementale, 
risulta evidente il vantaggio che si può trarre, nel realizzarle, dall’utilizzo di un robot ad 
elevate prestazioni. Quest’ultimo, avendo a disposizione un numero di assi maggiore delle 
macchine CN, è in grado di realizzare forme di natura più complessa senza bisogno di 
smontare il pezzo o cambiare utensile. 
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Capitolo 2 
Modello cinematico del robot ibrido 
TRICEPT HP1 
Andiamo ora a descrivere le caratteristiche fondamentali delle varie tipologie di robot 
seriali e paralleli, così da poter poi approfondire lo studio del particolare manipolatore a 
struttura ibrida utilizzato in questo lavoro: tale manipolatore è il Tricept, progettato e 
costruito da SMT Tricept (ex Neos Robotics) e commercializzato anche da ABB. Il 
modello a nostra disposizione è della Comau, azienda leader nel settore dell’automazione, 
ed è siglato HP1. 
Scopo di questo studio sarà quello di ricavare la cinematica diretta e inversa del 
manipolatore per servircene poi quando andremo ad applicarlo alla tecnica di incremental 
forming. In seguito si andrà a vedere, mediante l’ausilio di software di simulazione, come 
si comporta il Tricept all’interno del suo spazio di lavoro per trarre delle conclusioni sulle 
possibili applicazioni future della nostra tecnologia. 
In questo modo si vuole realizzare un sistema robotico che ruoti attorno al concetto di 
flessibilità, aspetto questo non proprio dei processi di formatura tradizionali. 
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