Alcuni componenti possono presentare distorsioni elevate a seguito dei processi produttivi che subiscono. Le cause possono essere dovute al loro peso, alla loro flessibilità e/o al rilascio delle tensioni residue. Tali contributi possono sommarsi tra loro e sono fortemente influenzati dai seguenti aspetti:

• il materiale (metallo, plastica, gomma, ecc.)
• la forma del componente
• il processo produttivo utilizzato (asportazione, stampaggio, iniezione, ecc.).

In questo articolo vediamo quali sono le specifiche geometriche da applicare a questa tipologia di componenti.

I componenti non rigidi

Tali componenti sono definiti come “non rigidi” in normativa. A differenza di quanto comunemente si pensi anche i componenti metallici possono essere considerati come “non rigidi”; lamiere metalliche con elevato rapporto superficie/spessore che si deformano sotto il peso proprio rappresentano un tale esempio.

Questa tipologia di componenti richiede una particolare trattazione a livello di specifica geometrica di prodotto. Realizzare infatti dei disegni tecnici che riportano degli schemi di quotatura “classici” (applicabili a componenti idealizzabili come infinitamente rigidi) comporterebbe problematiche rilevanti nel valutare il rispetto dello specifiche, o in altre parole, per capire se la parte è o meno “in tolleranza”.

Si consideri ad esempio un componente in parete sottile ottenuto tramite PIM (Plastic Injection Moulding). Per la natura del processo (stampaggio ad iniezione di materiale plastico) e per la forma del prodotto (alto rapporto superficie/peso) la parte subirà delle contrazioni differenziali (causate da gradienti termici) all’interno dello stampo durante la sua solidificazione e raffreddamento.

La parte, vincolata rigidamente dallo stampo in acciaio, si caricherà di tensioni residue che saranno rilasciate durante l’estrazione, provocando forti distorsioni rispetto al nominale di progetto. Un componente di questo tipo (così come l’intera serie di produzione), se misurato formalmente a valle del processo di stampaggio senza particolari accorgimenti avrà una probabilità di essere scartato del 100% per non essere in grado di rispettare le specifiche a disegno.

Il componente potrebbe però essere del tutto funzionale una volta recuperate tali distorsioni. Valutare o meno la funzionalità di componenti di questo tipo è una questione di corretta specifica geometrica di prodotto. E’ per questo motivo che le normative internazionali che definiscono la specifica geometrica di prodotto (ISO/GPS e ASME/GD&T) prevedono una trattazione particolare per tale categoria di componenti.

Per i componenti “non rigidi” vale la seguente regola generale: la deformazione/distorsione di componenti “non rigidi” è accettabile fintanto che è possibile riportare le parti “in tolleranza” applicando una ragionevole forza per favorire l’assemblaggio e la loro verifica.

Vincolare una parte con una ragionevole forza significa non imporre delle condizioni di vincolo in eccesso rispetto a quelle previste in assemblaggio sul prodotto reale. In funzione del “design intent” e delle interfacce di assemblaggio con i componenti da accoppiare può essere necessario valutare (in sede di controllo dimensionale) la parte vincolata al posto o in aggiunta rispetto alla condizione convenzionale (cosiddetta free state) per evitare valutazioni che sarebbero altrimenti irrealistiche e/o irrilevanti.

La trattazione dei componenti "non ridigi" in ambito ISO / GPS

Nell’ambito ISO/GPS (Geometrical Product Specification) la norma che tratta la descrizione geometrica e dimensionale dei componenti non rigidi è la ISO 10579 (ultima versione anno 2013). La norma introduce le seguenti definizioni:

• Free state: condizione di una parte soggetta alla sola forza di gravità,
• “Non-rigid” part: componente che in condizioni free state si deforma oltre i limiti concessi dalle sue tolleranze geometriche e/o dimensionali.

La normativa stabilisce una regola di default per la quale la condizione di vincolo (indicata con una nota a disegno) viene applica a tutte le tolleranze tranne quelle indicate con il simbolo F.

C’è da sottolineare anche che nella pratica è impossibile evitare l’effetto della gravità e le condizioni free state possono essere dipendenti dall’orientamento della parte rispetto alla verticale e dai supporti utilizzati: in questi casi anche tali condizioni possono essere indicate a disegno con una nota testuale.

Dal punto di vista pratico, nella realizzazione dei disegni tecnici per la caratterizzazione dimensionale e geometrica di componenti non rigidi la ISO 10579-2013 fornisce le seguenti indicazioni:

• Nel cartiglio o nelle sue vicinanze deve comparire in modo esplicito il riferimento alla normativa ISO10579-NR,
• le condizioni di vincolo a cui deve essere sottoposta la parte per soddisfare i requisiti a disegno (tolleranze) devono essere indicate in una nota,
• le tolleranze geometriche da valutare in condizione “free state” devono essere riportate con il simbolo F,
• le tolleranze dimensionali da valutare in condizione “free state” devono essere riportate con il simbolo F,
• Le condizioni alle quali vengono valutate le tolleranze geometriche free state (direzione gravità, supporti, orientamento, ecc.).

Esempio applicativo di una specifica geometrica

La cosa migliore è sicuramente riportare un semplice esempio pratico. Si consideri il componente:

Figura 1. Componente pressocolato e finito con processo CNC.

La specifica geometrica che il componente finito deve soddisfare è questa:

Figura 2. Disegno tecnico del componente "non rigido".

E’ subito chiaro che il componente deve essere trattato come “non rigido” in quanto è inserita la nota ISO 10579-NR appena sopra il cartiglio. Coerentemente con la normativa stessa sono esplicitate le istruzioni per riprodurre le condizioni di assemblaggio del componente (all’interno della nota testuale “RESTRAINED CONDITION”). La Datum Feature primaria è rappresentata dal piano A. Tale piano è a suo volta costituito dai sei piedini di appoggio (superfici circolari di diametro 2 mm) identificati dai sei Datum Target A1 – A6.

Si osservi che il componente reale, a seguito delle distorsioni indotte dal processo produttivo, se lasciato privo di vincoli (condizione “free state”), non potrà mai appoggiare su tutti e sei i Datum Target contemporaneamente (l’appoggio planare di un componente rigido avviene sempre idealmente su tre punti di appoggio).

E’ in quest’ottica che va letta la tolleranza di planarità assegnata alla Datum Feature A (coordinate a disegno A-3): quando il componente è allo stato libero viene richiesto un requisito minimo di planarità (0.3 mm in “free-state”) mentre tale requisito diventa molto più stringente (planarità di 0.025 mm) una volta che vengono applicate le condizioni di vincolo che impongono il riscontro di tutti e sei i piedini su un piano di appoggio imposto dalle coppie di fissaggio delle viti.

La trattazione dei componenti “non rigidi” in ambito ASME/GD&T

La trattazione dei componenti “non rigidi” in ambito ASME/GD&T è simile a quanto avviene in ambito ISO. In particolare, all’interno della normativa ASME Y14.5-2009 una delle regole fondamentali (paragrafo 1.4) riporta:

fundamental rules (m): unless otherwise specified all dimensions and tolerances apply in a free-state condition.

Quindi, se non indicato in modo esplicito non sono concessi vincoli alla parte durante la sua misura. Di conseguenza per trattare in modo coerente la parte anche nel caso ASME è necessario specificare le condizioni di vincolo (idealmente le più vicine possibili alla reale condizione di assemblaggio) alla quale la parte dovrà essere valutata tramite delle note a disegno.

Controllo dimensionale dei componenti non rigidi

La fase di misurazione e controllo di componenti caratterizzati come non rigidi richiede particolari attenzioni. E’ già stato evidenziato infatti che le rilevazioni fatte in “free state” su tali parti possono dare risultati di misura che non sono compatibili con la loro reale funzionalità. Per questo motivo è necessario recuperare le distorsioni di processo prima di eseguire le misure per la verifica delle specifiche riportate a disegno. Tali distorsioni sono recuperate tramite opportune condizioni di vincolo. L’indicazione delle condizioni di vincolo complica però la procedura di verifica: sono infatti necessarie delle attrezzature particolari (jigs and fixtures) che, oltre ad essere costose possono inibire l’accesso a determinate superfici.

Questo significa che gli strumenti di misura (Coordinate Measuring Machine – CMM e i sistemi di scansione) non potendo “acquisire” tale superfici, ne rendono impossibile la verifica/controllo. E’ quindi inevitabile che tali attrezzature prevedano una verifica manuale (non automatizzabile, con tutti i costi connessi) e controlli di tipo passa/non passa puntuali.

Solo recentemente sono stati introdotti dei metodi di imposizione dei vincoli di tipo digitale. Con tali metodi le superfici del componente reale in “free state” (e quindi con tutte le superfici in vista) vengono acquisite tramite scansione e successivamente, utilizzando l’integrazione con dei codici FEM, vengono applicate le condizioni di vincolo virtualmente imponendo quindi il recupero delle distorsioni.

Lo scopo di digitalizzare questa procedura è quello di rendere non necessarie le costose attrezzature e di velocizzare il processo di verifica. Siamo agli albori di tale tecnologia ma il suo potenziale è sicuramente non trascurabile.

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