Una macchina a controllo numerico computerizzato (CNC) è uno strumento di lavorazione che modella il materiale grezzo nella forma desiderata che soddisferà le direttive di produzione e i requisiti dei componenti. Le macchine CNC utilizzano software preprogrammato per controllare i movimenti di macchinari complessi, tra cui smerigliatrici, torni, frese e altri utensili da taglio utilizzati per rimuovere materiale.
Queste tecniche di produzione assistita da computer possono eseguire un'ampia gamma di attività di lavorazione CNC complesse e precise per creare prodotti fabbricati e parti appositamente progettate per i settori automobilistico, della difesa e aerospaziale.
Sebbene la stampa 3D e altri processi di produzione additiva siano al centro della produzione di componenti realizzati con materiali morbidi nel 21° secolo, la maggior parte degli oggetti di uso quotidiano sono ancora il risultato di tecniche di lavorazione sottrattiva altamente automatizzate.
Le bottiglie d'acqua in plastica vengono prodotte da stampi utilizzando la tecnica dell'affondamento a controllo numerico e i singoli componenti del sistema di trasmissione di qualsiasi auto su strada vengono fresati secondo dimensioni precise per consentire a tutti gli ingranaggi in movimento di adattarsi perfettamente per prestazioni meccaniche ottimali.
"È probabile che quasi tutto ciò che tocchi nella tua vita quotidiana sia stato prima o poi toccato da una macchina utensile", afferma Tony Schmitz, professore di ingegneria dell'Università del Tennessee a Knoxville. "Se hai mai viaggiato su un aereo, ad esempio un Boeing 747, sono stati lavorati e poi assemblati oltre un milione di componenti separati per far decollare l'aereo."
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Le macchine utensili CNC sono versatili e dinamiche come la moltitudine di articoli che creano. Tuttavia, la maggior parte delle macchine CNC funziona all'interno di due strutture:un sistema a circuito aperto o un sistema a circuito chiuso.
Nei sistemi CNC a circuito aperto, l'operatore svilupperà il controllo numerico computerizzato per l'attività da svolgere e genererà il codice g o il file di lavoro utilizzando il software di progettazione assistita da computer (CAD). Il computer trasmette quindi i passaggi corretti al controller e ai servomotori collegati.
Questi motori manipolano utensili da taglio, come torni o molatrici, lungo almeno due assi (X e Y), sebbene le macchine CNC di fascia alta possano aumentare la versatilità e la precisione spostando frese CNC e altri accessori attorno a diversi assi aggiuntivi.
I sistemi CNC a circuito chiuso forniscono dati di feedback al monitor per risolvere le incoerenze mentre le macchine CNC si muovono attorno al materiale. Questa comunicazione motore-monitor consente ai sistemi a circuito chiuso di modificare la velocità, la posizione e la velocità di avanzamento dei torni e di altre macchine utensili CNC in tempo reale.
Ecco alcune delle applicazioni industriali più comuni per i macchinari CNC:
Le macchine CNC sono strumenti eccellenti per progetti che richiedono una velocità di taglio precisa ed efficiente e possono ospitare due delle tecniche di taglio più avanzate:elettroerosione a tuffo (macchina a scarica elettrica) ed elettroerosione a filo.
Un elettroerosione a tuffo utilizza un'erosione termica derivante dall'interazione tra due elettrodi, uno collegato all'utensile sotto forma di rame o grafite. L'altro è il fluido dielettrico in cui è immerso il materiale. Sorprendentemente, l'utensile e il pezzo in lavorazione non entrano mai in contatto diretto durante la produzione. L'elettroerosione a filo funziona allo stesso modo, tranne che utilizza elettrodi a filo come strumenti di taglio accurati.
Questo preciso processo di perforazione utilizza un utensile da taglio rotante, in genere punte da trapano o getti d'acqua ad alta velocità, per produrre fori rotondi in un pezzo fermo. Questi fori spesso ospitano viti e bulloni di assemblaggio.
Le macchine CNC sono spesso dotate di mole abrasive che producono finiture superficiali quasi impeccabili. Questa tecnica di rettifica sottrattiva supera di gran lunga la precisione di qualsiasi processo di produzione additiva e può ridurre le imperfezioni a tolleranze fino a 1/10 della larghezza di un capello umano.
Una fresatrice CNC, simile alle frese di base e ad altre fresatrici manuali, utilizza torni, getti d'acqua o strumenti di tornitura per rimuovere materiale da un pezzo fisso. Le frese CNC possono muoversi lungo più assi, consentendo agli operatori di eseguire attività di fresatura orizzontale, verticale, angolata e frontale con assoluta precisione. Queste funzionalità multi-angolo aumentano l'efficienza nel processo di produzione di parti complesse in legno, metallo e plastica poiché l'operatore può regolare e fissare nuovamente il materiale grezzo meno volte.
Questo processo della macchina CNC funziona in modo simile alla fresatura; tuttavia, invece di fissare il pezzo a una postazione di lavoro, è collegato a un meccanismo girevole che ruota ad alta velocità. Un lavoratore che utilizza un tornio o un CNC con un accessorio simile rimuoverà quindi piccole quantità di materiale fino a formare il grezzo con la forma desiderata.
Il software CAM (Computer Aided Manufacturing) è un componente essenziale del processo di lavorazione CNC. È il mediatore e l'interprete di qualsiasi operazione di lavorazione assistita da computer perché gestisce gli input e gli output sia umani che automatizzati di ogni fase della produzione.
Ad esempio, i progettisti creano modelli 3D del loro progetto in un software di progettazione assistita da computer (CAD) e caricano il file in CAM. CAM interpreterà quindi il modello e agirà come un generatore di codice m o codice g, traducendo l'obiettivo del progetto nel linguaggio della programmazione CNC. Mentre la macchina CNC lavora sul progetto, restituisce i dati al CAM e informa l'operatore di eventuali variabili che potrebbero influenzare il risultato del prodotto.
La lavorazione CNC affonda le sue radici nei progressi tecnologici avvenuti durante la rivoluzione industriale a metà del XIX secolo, quando le aziende manifatturiere iniziarono a utilizzare torni e frese a camme nella produzione di massa di armi da fuoco, attrezzature industriali e articoli di uso quotidiano. Negli anni '40 e '50, la lavorazione rudimentale a controllo numerico sotto forma di schede perforate con codice M iniziò ad automatizzare diverse attività di produzione che originariamente erano controllate manualmente da un team di lavoratori.
Con il miglioramento dei computer digitali e dei software negli anni '70 e '80, è stato possibile automatizzare un numero maggiore di strumenti di produzione per migliorare la velocità di produzione e l'efficienza complessiva.
Oggi, nel 21° secolo, i software CAM e CAD e le macchine CNC all'avanguardia consentono ai piccoli team di produzione una strategia economicamente vantaggiosa per la produzione di grandi quantità di parti complesse. Poiché l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale continuano ad avanzare, l'industria manifatturiera probabilmente continuerà a ottimizzare e automatizzare i processi.
Può essere facile fantasticare su un mondo in cui i robot svolgono tutto il lavoro mentre entriamo nelle prime fasi della rivoluzione dell’intelligenza artificiale, tuttavia, i professionisti della lavorazione meccanica e gli accademici di ingegneria comprendono entrambi che il processo di lavorazione CNC richiede lavoratori qualificati per garantire che tutto funzioni come previsto. dovrebbe.
"[La lavorazione a controllo numerico computerizzato] è una capacità fondamentale che non scomparirà presto", afferma Schmitz. Schmitz sostiene invece che la produzione additiva e sottrattiva in realtà si completano a vicenda al punto che la "produzione ibrida" diventerà il futuro processo di lavorazione CNC.
Schmitz afferma inoltre che questa produzione ibrida "inizierà con una parte additiva che è la preforma o condizione di partenza, quindi utilizzeremo una lavorazione limitata per produrre una finitura superficiale liscia che non è possibile ottenere con l'additivo".>
Tuttavia, uno degli ostacoli più impegnativi che il futuro della lavorazione CNC deve affrontare è l’attuale carenza di manodopera di macchinisti qualificati che abbiano familiarità con la programmazione CNC. Questa carenza non potrà che aggravarsi man mano che i professionisti CNC veterani andranno in pensione e pochi entreranno nel settore per prendere il loro posto.
Negli Stati Uniti, il Dipartimento della Difesa e varie altre agenzie federali hanno capito la necessità di rilanciare un programma di produzione nazionale in fallimento e implementare processi di produzione all'avanguardia che renderanno il Paese competitivo nel settore.
"Anche se storicamente la lavorazione meccanica è stata considerata un'attività artigianale, in cui qualcuno ha bisogno di anni e anni di formazione ed esperienza pratica prima di poter creare le parti desiderate, credo che ci sposteremo da questo a un ambiente di lavorazione più automatizzato ", dice Schmitz. "Ci saranno ancora posti di lavoro, ma saranno drasticamente diversi da quelli che erano quando venne introdotta la tecnologia CNC negli anni '40 e '50."
Questo è interessanteGli Stati Uniti erano una potenza manifatturiera che guidava il mondo nelle tecnologie innovative dopo la seconda guerra mondiale. Gli Stati Uniti iniziarono poi a esternalizzare la produzione negli anni ’60 e ’70, il che portò a una maggiore dipendenza dai beni fabbricati all’estero. La leadership del settore e le organizzazioni federali concordano sul fatto che il Paese ha un disperato bisogno di una maggiore fiducia in se stesso e di un rilancio dell’industria meccanica americana nel 21° secolo. Poiché la forza lavoro diminuisce, con meno persone che entrano che ne escono dal campo della tecnologia CNC, non c'è mai stato un momento migliore per intraprendere questa professione molto richiesta.
