Quality control of freeform parts at elevated temperature

Le moderne industrie manifatturiere si trovano ad operare in una condizione di forte stress economico, ma allo stesso tempo con richieste dal mercato sempre più complesse. Ad esempio, se da un lato i processi produttivi aumentano la proprio complessità, dall’altro, le tolleranze richieste, le dimensioni dei lotti e il “time-to-market” si riducono sempre più. Questo andamento, per certi versi contradditorio, richiede l’adozione di processi produttivi sempre più sofisticati e tecniche avanzate per il controllo della qualità e del processo. L’obbiettivo di questo lavoro è di analizzare, in un processo produttivo complesso come quello delle palette per turbina, il controllo qualità e l’ottimizzazione di processo per lotti ridotti col fine di abbassare i costi legati alla produzione. Nel processo in analisi, le palette per turbina vengono forgiate a caldo e poi raffreddate in aria calma fino al raggiungimento della temperatura ambiente in modo da poter essere successivamente lavorate tramite macchine a controllo numerico. Le attuali tecnologie di misura rendono possibile il primo controllo dimensionale solo a valle del completo raffreddamento, che può richiedere fino a diverse ore. Date le dimensioni dei lotti tipicamente ridotte, spesso, la forgiatura di un intero lotto viene completata prima che sia stato possibile verificare la geometria del primo pezzo; ciò implica che potenzialmente può essere prodotto un intero lotto fuori tolleranza. Dopo la fase di forgiatura, il controllo dimensionale viene focalizzato alla ricerca dei sovrametalli, che, nel caso siano superiori al valore imposto in fase di progetto comporteranno un aumento dei costi di lavorazione a macchina, diversamente, qualora siano inferiori, porteranno a scartare il pezzo appena prodotto. A seguito di queste considerazioni si comprende l’importanza di anticipare la fase di controllo qualità, ma per fare ciò, non solo è importante essere in grado di misura ad elevate temperature occorre anche sviluppare dei modelli per la comprensione degli effetti distorsivi indotti dal raffreddamento così da prevedere la geometria finale. Ciò diventa un punto cruciale per le geometrie sottili e "freeform" che caratterizzano la foglia di una paletta per turbina. Inoltre, per ottimizzare il processo in base ai risultati delle misurazioni, è necessario comprendere le tolleranze e i costi legati all’ottimizzazione. Infatti, l’ottimizzazione dei parametri di processo durante le fasi iniziali di produzione di un lotto, essenziali per la corretta lavorazione di un componente, comportano rallentamenti e conseguenti costi. Lotti di ridotte dimensioni ne vengono maggiormente penalizzati. Di conseguenza è necessario sviluppare una procedura per determinare quando valga la pena fermare il processo di ottimizzazione. In questo lavoro, un sistema di misura basato sulla triangolazione laser per misura dimensionale di pezzi ad elevata temperatura viene presentato e discusso. Per ragioni di visualizzazione e misurazione, un algoritmo euristico, per la ricostruzione di superfici a partire da nuvole di punti, è stato adattato per superfici libere e concave come quelle che caratterizzano le palette per turbina. Data la rapidità dell’algoritmo è possibile visualizzare la geometria in contemporanea alla misura, permettendo all’operatore di monitorare qualitativamente l’andamento della misura. Le cause di incertezza principali del sistema di misura sono state identificate, quantificate e, se necessario, corrette. In particolare, nel caso di geometrie tipo "freeform", è stata dimostrata l’importanza di una miglior procedura di settaggio dei sensori. Un nuovo metodo per la taratura di sistemi multisensore è stato sviluppato ed è in grado di garantire tempi di settaggio cinque volte inferiori rispetto ai metodi manuali. Grazie alle correzioni proposte, l’ottimizzazione di processo per piccoli lotti di palette per turbina diventa possibile. Un metodo per la valutazione del numero ottimale di iterazioni durante il processo di ottimizzazione è disponibile in letteratura per una specifica combinazione di cosi asimmetrici e variabilità del processo tramite la valutazione del costo atteso ("expected cost"). Una nuova formulazione e un appropriato approccio numerico sono proposti per valutare i costi attesi con variabilità di processo e modello di costo arbitrari. A partire da queste considerazioni, due criteri generalizzati per decidere quando fermare l’ottimizzazione sono proposti, ognuno con particolari vantaggi in specifiche applicazioni. Le prestazioni di queste procedure sono comparate ad un esistente modello allo stato dell’arte, portando una riduzione dei costi pari al 90% quando le misurazioni vengono effettuate solamente durante la fase di ottimizzazione. Infine, una procedura complessiva per l’ottimizzazione di processo, incorporando i metodi proposti, verrà discussa.