Collettore automobilistico CAB257

Collettore automobilistico CAB257
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Reverse Engineering al servizio dell’engineering di prodotto, sviluppo di una nuova metodologia di collaudo di un collettore d’aria Magneti Marelli.

L’oggetto del presente case study è un collettore automobilistico destinato ad un motore bicilindrico di ultima generazione. Il collettore completo è formato da due componenti separati stampati in nylon caricato vetro (PA66_GF35) che vengono successivamente uniti mediante saldatura a vibrazione.

Test di pressione a scoppio

Durante lo sviluppo del collettore, nel corso della prova standard di scoppio per valutare la qualità delle saldature, nonostante il valore di pressione fosse superiore alle specifiche cliente è stato riscontrato un potenziale problema. Osservando i collettori rotti si è notata una certa disomogeneità del cordone di saldatura, un aspetto che sicuramente avrebbe messo in crisi il prodotto durante la vita in esercizio. Questa previsione è basata sull’esperienza pluriennale di Magneti Marelli nel settore dei collettori aria in materiale plastico.

Collettore dopo prova di rottura a scoppio

Collettore dopo prova di rottura a scoppio

Prova di trazione

È stato deciso di eseguire un test comparativo della resistenza delle varie zone del cordone saldato, secondo un procedimento standard di Magneti Marelli. Sono state identificate 14 zone del cordone di saldatura dalle quali sono stati ricavati altrettanti provini da sottoporre alla prova di trazione.

Collettore automobilistico. Prova di trazione su provino ricavato sezionando il collettore

Prova di trazione su provino ricavato sezionando il collettore

Sulla base dei risultati ed analizzando i due semigusci che vengono successivamente saldati a vibrazione, si è notato che i due componenti stampati singolarmente manifestavano problemi di accoppiamento dovuti a distorsioni residue (warpage). La mancata esecuzione di una saldatura omogenea e la presenza di eccessive tensioni in alcune zone della pista di saldatura potrebbero influire sulla resistenza a fatica del manufatto, nonostante “a nuovo” i valori di resistenza alla pressione di scoppio siano conformi.

Simulazione Moldflow

Si è così deciso di analizzare mediante il software di simulazione FEM Moldflow il processo di stampaggio per definire degli interventi correttivi per ridurre il warpage residuo.

Simulazione stampaggio particolare coperchio

Simulazione stampaggio particolare coperchio

Il calcolo software ha restituito una geometria deformata che ha mostrato come in alcune zone il warpage interessi in modo sensibile le piste di saldatura. Prima di apportare delle variazioni al processo di stampaggio si è reso necessario tarare il modello Moldflow della attuale situazione (denominata 1° configurazione) sia in termini di parametri che di deformata calcolata, eseguendo in confronto con i “pezzi fisici” ottenuti dal processo di stampaggio 1° configurazione.

Reverse Engineering

La realizzazione di modelli matematici 3D dei “pezzi fisici” da confrontare con i modelli “calcolati” è stata possibile ricorrendo alla tecnologia del Reverse Engineering ed alla consulenza fornita da CRP Technology. Gli strumenti hardware e software utilizzati per il Reverse Engineering consentono di rilevare in modo completo le superfici di un particolare, di confrontarle con quelle del modello CAD originale e di generare un report di misura in grado di evidenziare gli scostamenti dimensionali dovuti al processo produttivo.
In particolare nel processo di stampaggio ad iniezione plastica i difetti di forma più difficili da rilevare e da quantificare con gli strumenti di misura standard (calibri, altimetri, macchine di misura a coordinate, ecc.) sono proprio il ritiro dimensionale (shrinkage) reale del pezzo stampato e gli svergolamenti e le distorsioni residue (warpage) che si generano nel pezzo in fase di raffreddamento.

Il due componenti forniti da Magneti Marelli sono stati digitalizzati mediante un sistema di scansione ottica laser montato su di una macchina di misura a coordinate a 7 assi (comunemente chiamata “braccio”). L’utilizzo combinato del braccio a sette assi e dell’ottica laser consente di eseguire misure a contatto o scansioni ottiche in simultanea, all’interno dello stesso sistema di riferimento.

Scansione ottica tridimensionale

La procedura di scansione prevede la creazione progressiva di un insieme di nuvole di punti, allineate nel medesimo sistema di riferimento, che descrivono accuratamente l’oggetto da controllare.

Collettore automobilistico. Il corpo e il coperchio: scansione completa

Il “corpo” e il “coperchio”: scansione completa

La scansione completa del particolare coperchio è risultata formata da oltre 7.000.000 punti, quella del corpo da circa 8.500.000 punti.
Una informazione talmente ricca è in grado di trasferire di fatto l’oggetto reale in un ambiente virtuale tridimensionale. Una macchina di misura a coordinate tradizionale, seppure molto accurata, è in grado invece di rilevare in tempi ragionevoli al massimo qualche centinaio di punti, distribuiti su alcune sezioni caratteristiche scelte preventivamente; come già accennato i difetti “tridimensionali” che coinvolgono tutte le superfici, come ad esempio il warpage, sono difficilmente leggibili e può capitare che i difetti localizzati tra una sezione di controllo e l’altra vengano del tutto ignorati.

Collaudo 3D

Una volta completata la fase di acquisizione dei punti, le scansioni dei due oggetti sono state ottimizzate, convertite in formato STL ed importate in ambiente CAD per essere confrontate con i modelli matematici originali (procedura di inspection).

La prima fase prevede l’allineamento dei file STL (DATA file) nel sistema di riferimento dei modelli CAD originali (REFERENCE file). Questo allineamento può avvenire secondo due modalità principali:

  • Best fit: il software muove, mediante rototraslazioni non vincolate, il file da allineare (data file) e sovrappone “al meglio” le superfici del pezzo da controllare e quelle del modello CAD teorico (reference file). Questo algoritmo di allineamento è utile per verificare la rispondenza generale del pezzo al modello CAD originale.
  • Datum system: vengono definite nei due file (data file e reference file) le medesime primitive di riferimento (piani, assi, centri) ritenute fondamentali per il montaggio o per il funzionamento del pezzo. Il pezzo viene allineato al modello CAD soltanto facendo coincidere al meglio queste primitive. Questo algoritmo di allineamento è utile per verificare la rispondenza del pezzo al modello CAD originale, e per scoprire se vi saranno problemi di accoppiamenti con altri componenti, una volta che il pezzo sarà montato vincolando solo le superfici di riferimento.

In questa fase di analisi del collettore CAB257, in accordo con Magneti Marelli si è preferito utilizzare un allineamento di tipo best-fit.
Già dalla prima analisi visiva è stato possibile vedere qualitativamente che vi sono delle distorsioni apprezzabili nei componenti stampati. Una perfetta sovrapposizione implica una mescolanza dei colori dei due oggetti confrontati, mentre la dominanza di un solo colore segnala uno scostamento che merita di essere approfondito. La figura sotto mostra chiaramente che il particolare stampato “corpo” ha nella zona centrale dei condotti un raggio di curvatura inferiore a causa del warpage.

Particolare corpo: allineamento file STL (arancione) su file CAD (blu)

Particolare “corpo”: allineamento file STL (arancione) su file CAD (blu)

La prossima immagine mostra che il particolare stampato “coperchio” è incurvato verso l’esterno in tutte le superfici vicine alla sezione di entrata del condotto plenum.

Collettore automobilistico. Particolare coperchio: allineamento file STL (giallo) su file CAD (blu)

Particolare “coperchio”: allineamento file STL (giallo) su file CAD (blu)

Gli scostamenti possono essere visualizzati e quantificati rapidamente mappando le superfici dei particolari rilevati mediante scale di colori. Le seguenti figure mostrano che il part. “corpo” presenta scostamenti dimensionali contenuti entro ± 2mm.

Particolare corpo: mappatura scostamenti rilevati

Particolare “corpo”: mappatura scostamenti rilevati

Le figure seguenti mostrano che il part. “coperchio” presenta scostamenti dimensionali contenuti entro ± 1.5 mm.

Particolare coperchio: mappatura scostamenti rilevati

Particolare “coperchio”: mappatura scostamenti rilevati

Per indagare sul problema della disomogeneità della saldatura tra corpo e coperchio è opportuno focalizzare l’attenzione sulle piste di saldatura, vale a dire quelle superfici che una volta accostate e fuse mediante saldatura a vibrazione dovranno formare il cordone di saldatura. Le immagini seguenti evidenziano, mediante marker di localizzazione, le maggiori deformazioni che si generano sulle piste di saldatura dei due componenti stampati.

Collettore automobilistico. Particolare corpo: marker deformazioni sulle piste di saldatura

Particolare “corpo”: marker deformazioni sulle piste di saldatura

Particolare coperchio: marker mappatura deformazioni sulle piste di saldatura

Particolare “coperchio”: marker mappatura deformazioni sulle piste di saldatura

Già in questa fase i risultati del collaudo tridimensionale hanno fornito una spiegazione a quanto riscontrato dopo la prova standard di resistenza allo scoppio. I due pezzi stampati vengono premuti uno contro l’altro sulla macchina di saldatura. Le deformazioni residue dei pezzi stampati impediscono il corretto posizionamento delle piste di saldatura, per cui dove il contatto è assente o incerto la saldatura risulta mancante o incompleta. La figura che segue mostra come una zona del corpo non saldata corrisponda con esattezza alla maggiore deformazione misurata sulla pista di saldatura.

Correspondence between the deformations and the lack of welding
Corrispondenza tra deformazioni localizzate e mancata saldatura

Gestendo tutto il processo di controllo qualità in ambiente virtuale si possono generare report di misura dettagliati, ed approfondire l’analisi dei risultati solo nelle zone di interesse, con un notevole risparmio di tempo. Le figure seguenti mostrano la forma di progetto che deve avere il cordone di saldatura: man mano che si accostano i 2 pezzi la zona di interferenza fonde fino alla formazione del cordone.

Creazione sezione di confronto: piste di saldatura teoriche

Creazione sezione di confronto: piste di saldatura teoriche

Automotive Manifold CAB257. Theoretical section of welding line

Sezione teorica piste di saldatura accostate

Ripetendo lo stesso posizionamento con la geometria reale dei due pezzi rilevati si può osservare nelle figure seguenti che a causa delle distorsioni manca del tutto il materiale di interferenza destinato a formare la saldatura, che in questa sezione è di fatto irrealizzabile anche aumentando la pressione di contatto tra corpo e coperchio.

Creazione sezione di confronto: piste di saldatura rilavate

Creazione sezione di confronto: piste di saldatura rilavate

Sezione reale piste di saldatura accostate

Sezione reale piste di saldatura accostate

Una interferenza di progetto pari a 1,5 mm si è rivelata sui pezzi reali stampati un gap di 0,4 mm.

Definizione nuovi parametri di stampaggio

Una volta terminata la fase di collaudo 3D affidata a CRP Technolgy i valori di deformata reale dei pezzi stampati sono stati impiegati da Magneti Marelli per validare i risultati del software di simulazione Moldflow e per tarare correttamente il modello di calcolo.
La nuova simulazione ha suggerito dei miglioramenti in termini di parametri di processo ed alcuni interventi sullo stampo.

Produzione nuovi componenti modificati

Sono state poi eseguite le nuove stampate secondo quella che è stata denominata 2° configurazione.

Nuovo test di pressione a scoppio

Dopo aver prodotto alcuni nuovi collettori saldati è stato ripetuto su di essi il test di scoppio, riscontrando un aumento di circa 1 bar della pressione di scoppio.

Collettore automobilistico. Risultati prova di rottura a scoppio

Risultati prova di rottura a scoppio

Nuova prova di trazione

È stato eseguito il test di resistenza localizzata delle piste di saldatura, con un netto miglioramento delle prestazioni delle zone critiche. In alcune zone il valore di resistenza è raddoppiato, in altre addirittura triplicato.

Risultati della prova di trazione comparativa (seconda configurazione)

Risultati della prova di trazione comparativa (2° configurazione)

Verifica strutturale FEM

Infine è stato eseguito un calcolo FEM per verificare se i nuovi valori misurati sono in linea con la resistenza strutturale teorica del collettore in assenza di deformazioni, con risultato positivo.

Calcolo FEM della resistenza teorica della pista di saldatura

Calcolo FEM della resistenza teorica della pista di saldatura

Conclusioni

L’attività multidisciplinare è stata un’esperienza che ha permesso a Magneti Marelli di introdurre una nuova metodologia di valutazione della qualità delle piste di saldatura e della loro resistenza. Fino ad ora l’unico parametro di riferimento era il valore della pressione di scoppio (dato di riferimento fornito dai clienti) corredato di un’analisi visiva dei campioni “scoppiati”.

La nuova modalità è basata sui di una indagine strutturata mediate:

  • test pressione di scoppio
  • test resistenza localizzata delle saldature

Nel caso il componete presenti delle anomalie, come nel caso del il collettore CAB 257 oggetto del presente case study:

  • Analisi mediante calcolo mold flow
  • Confronto tra deformate calcolate e deformate reali (Reverse Engineering)
  • Definizione a calcolo parametri di processo
  • Interventi su parametri di processo
  • Realizzazione componenti modificati (improvement)
  • Test pressione di scoppio
  • Test resistenza localizzata delle saldature
  • Calcolo strutturale fem e vefifica equivalenza tra calcolo fem e test resistenza

Il Reverse Engineering si è rivelato uno strumento rapido ed efficacie per il collaudo di componenti automobilistici ottenuti dal processo di stampaggio ad iniezione plastica. La scansione ottica tridimensionale e il successivo processo di collaudo in ambiente CAD sono stati in grado di fornire a Magneti Marelli una misura accurata ed un insieme di informazioni immediatamente utilizzabili per migliorare il processo di fabbricazione.

Sviluppi

Una volta risolti i problemi di saldatura dei due semigusci del collettore CAB257, Magneti Marelli ha affidato a CRP Technology anche il collaudo del collettore completo di tutti gli accessori (tubazioni, iniettori, sensori, corpo farfallato). Obiettivo di questa seconda attività è stata la misura degli ingombri reali del componente e la verifica di eventuali interferenze di montaggio all’interno del cofano motore; tale verifica è stata eseguita a livello virtuale in ambiente “digital mockup”.

Scansione laser collettore automobilistico completo

Scansione laser collettore completo

Verifiche in ambiente digital mockup

Verifiche in ambiente “digital mockup”

L’analisi del collettore completo ha mostrato che il warpage residuo, ridotto con l’ottimizzazione del processo ma non del tutto eliminabile, modifica di qualche mm la posizione di alcuni elementi di interfaccia; tali scostamenti sono risultati entro le tolleranze di progetto per cui si è concluso che il collettore CAB257 può essere assemblato senza problemi di interferenza o di collegamento con il resto dei componenti motore.

Il Reverse Engineering completa le tecnologie CAD/CAE/CAM e chiude di fatto il DESIGN LOOP, il processo che comprende “sviluppo del concetto – progettazione – ingegnerizzazione – produzione”, poiché è in grado di riportare un prodotto reale nello stesso ambiente virtuale in cui è avvenuta la progettazione.