• Progettazione albero e braccio di un portabobine

La tesi effettuata riguarda la progettazione dell’albero e del braccio di un portabobine, un macchinario utilizzato su linee ondulatrici per la produzione di cartone ondulato. L’azienda Fosber ha sede a Lucca, con un distaccamento negli Stati Uniti ed ha recentemente realizzato una Join venture (Fosber Asia) in Cina. I macchinari per la realizzazione di cartone ondulato fanno parte di un mercato cosiddetto biz to biz, ovvero business to business, dove solamente il prodotto finito è visibile al cliente.. si pensi ad esempio agli imballaggi dei generi alimentari o alle scatole con cui si spediscono i prodotti es. Amazon. Infatti con l’avvento dell’E-Commerce si è avuto un incremento esponenziale nell’utilizzo di questo materiale, tra l’altro riciclabile. Il cartone ondulato è formato da vari fogli, alcuni dei quali assumono la forma ad onda, che si sommano ad una copertina liscia, che una volta incollati formano il prodotto finito. Conferiscono al cartone si resistenza che rigidezza. Si possono avere un numero di onde variabile da uno a tre (cartone monoonda, doppia onda e tripla onda) , che assieme alla dimensione in altezza di quest’ultima vanno a determinare la rigidezza del prodotto.
Fosber si è posta l’obiettivo di entrare in un mercato ancora arretrato rispetto agli standard europei, ma che è in forte crescita. In questo senso ha deciso di dedicarsi con il progetto di una linea alternativa al mercato indiano denominata I-Line, riprogettando pian piano i vari macchinari, rendendoli più economici e quindi più appetibili sul mercato. Il progetto Paperlink ingloba due macchine, giuntatrice e portabobine , ed è stata rivista nella sua progettazione per poter avere requisiti di economicità e tecnici adatti al mercato indiano. Ogni linea infatti è modulare cioè formata da una serie di macchinari indipendenti che concorrono a formare le varie sezioni di una linea ondulatrice. La macchina può essere venduta sia come macchina singola che all’interno di una linea completa.

Gli obiettivi di questo lavoro sono dunque quello di riprogettare due componenti della macchina, l’albero e il braccio, effettuare la verifica strutturale di questi due componenti, sfruttando la verifica agli elementi finiti. Per quanto riguarda i materiali si è andati a scegliere un profilato di derivazione cinese, differente nelle dimensione della sezione rispetto agli std profilati EU. Si è cercato in questa maniera di ridurre i costi di acquisto del materiale per la fabbricazione della macchina.

Ecco allora che assieme al reparto commerciale è stata presentata la specifica tecnica, da cui sono stati estrapolati gli obiettivi di progettazione. Si vedono indicati quelli che vanno direttamente a coinvolgere la riprogettazione del braccio e dell’albero. Costo della macchina contenuto in 68k e utilizzo di un singolo cilindro per il sollevamento dei bracci che manovrano la bobina di carta. L’obiettivo di questo progetto è dunque quello di trovare soluzioni alternative in termini di risparmio nel costo di acquisto della macchina. Si fa dunque l’ipotesi di avere prestazioni minori rispetto alle linea commerciate in Europa sia in termini di velocità che di dimensioni della bobina lavorabile.
Per spiegare il funzionamento della macchina si è realizzato uno schema in cui si possono apprezzare i due bracci che scorrono sull’albero grazie ad un cilindro, opportunamente dimensionato per quanto riguarda l’alesaggio e controllato in pressione. L’albero è inserito sulla struttura e può ruotare a basse velocità grazie a degli snodi sferici alloggiati nella struttura principale del portabobine. I bracci vanno ad afferrare quindi la bobina, e grazie ad un cilindro idraulico riescono ad alzarla e metterla in lavorazione. La bobina viene afferrata grazie ad opportuni coni che fanno in modo di afferrarla sull’anima.
Si parte quindi con un analisi dei carichi. Tramite il diagramma di corpo libero si sono studiati i carichi agenti sulla struttura. Il modello utilizzato per il calcolo strutturale è ovviamente un modello a trave.I carichi esterni applicati sono quelli dovuti al peso della bobina, alla reazione sempre della bobina dovuto al carico applicato dal cilindro, e la forza del cilindro che permette il movimento dell ‘albero. Arrivati a realizzare i grafici delle caratteristiche delle sollecitazioni, si può finalmente determinare quali siano le sezioni critiche. A questo punto si può andare alla ricerca di come poter riprogettare sia l’albero che il braccio per poter rientrare nelle specifiche richieste.
Si va allora a ricercare tra i profilati cinesi disponibili per l’acquisto un doppio T con saldata su un lato una piastra. Questo perche l’albero è soggetto anche ad un momento torcente non molto elevato, ma comunque presente. Il materiale di cui è formato è denominato Q355 ed è un analogo del nostro S355. In questa maniera si va a ridurre di molto il prezzo di acquisto che passa da 2900 euro a pezzo a 1000-1100 euro a pezzo. Considerando una media di macchine vendute pari a 100 l’anno, quindi 2 alberi per macchina, per la versione attuale per la linea più performante, anche passando ad una percentuale di vendita di questo macchinario risulta un risparmio di più del 50%.
Successivamente si è effettuata una verifica agli elementi finiti per quanto riguardava il dimensionamento statico. Si è contro verificato ed è emerso che i valori ottenuti sono confrontabili tra quanto riportato dal modello di progettazione statica e il metodo FEM. Non si prende in considerazione la zona di estinzione, ovvero quella dove è applicato il carico, in quanto non fedele.
Per la verifica a fatica la vita richiesta è di dieci anni che riportato in numero di cicli richiede un valore pari a 10000. Si è utilizzato un coefficiente di sicurezza di 2,5 ed i vari coefficienti dovuti a finitura superficiale, metodo di produzione, affidabilità, C0 l’incerto legame di proporzionalità tra il limite di fatica dei provini S 0 n e la tensione nominale di rottura statica e quello dipendente dalle dimensioni del componente. Si vede dunque graficamente che il risultato ottenuto è circa un ordine di grandezza maggiore del necessario.
Per quanto riguarda il braccio la soluzione costruttiva adottata è quella di mantenere come sezione una sezione quadrata, ma di ottenerla saldando tra di loro quattro piastre. Tramite opportuni piegature si va a ricercare la tipica forma dei bracci esistenti, che hanno un raggio di curvatura. Si verifica sia staticamente che a fatica la saldatura ritenuta più critica per tutta la macchina, ovvero quella verticale del braccio. Per quanto riguarda il costo di acquisto si passa dagli attuali 950 euro a 600. Essendo per ogni macchina presenti 4 bracci si ottiene un risparmio di 1400 euro a macchina.
Si effettua ancora la verifica agli elementi finiti, validando quindi i risultati della progettazione statica. Si vede come in questo casa la verifica è stata fatta anche con la presenza della flangia per l’alloggiamento del cono per il sollevamento bobina, esso infatti funge anche da rinforzo strutturale andando ad aumentare la rigidezza del componente.
Senza di esso infatti anche gli spostamenti non sarebbero stati accettabili. La zona dove si applica il carico è una zona di estinzione in quanto la sezione critica risulta quella alla radice.
Per la verifica a fatica, note i coefficienti come i precedenti e la durata della vita, pari a quello dell’albero si può apprezzare graficamente come la vita sia di diversi ordini di grandezza superiore a quanto richiesto.
Essendo il materiale di derivazione cinese si rende necessaria una caratterizzazione del materiale. Infatti non c’è sicurezza circa le caratteristiche di snervamento e rottura di tale acciaio. SI va quindi a lavorare delle barrette di ferro spedite direttamente da Fosber Asia per realizzare due provini, uno a sezione circolare ed uno a sezione quadrata. Dopo un operazione di pulitura in officina meccanica presso l’università di Pisa si effettua una prova di trazione su entrambi. Importando i dati estratti su un foglio di calcolo si vanno a realizzare le curve sforzo deformazione. I dati a disposizione era la forza e la variazione di lunghezza fornita da un estensometro applicato sull’anima del provino. Nota quindi l’area e la lunghezza iniziale del provino si ricavano le due quantità necessarie a realizzare il grafico.
Questo procedimento denota come la non linearità del profino a sezione circolare come la qualità non sia eccelsa, infatti potrebbe essere dovuta alla presenza di molte impurità.
Si denota inoltre come il provino sia effettivamente di un acciaio molto duttile, come si deduce dalle curve realizzate. Si noti infatti la tipica forma della frattura coppa- cono.

Si conclude il lavoro con un’analisi dei risultati ottenuti dalla valutazione sperimentale del materiale. Rispetto alla progettazione statica, coinvolgente solamente il carico di snervamento, risulta maggiore quindi i calcoli risultano accettabili e si convalida quanto valutato in precedenza. Per quanto riguarda la sigma a rottura invece, che rientra nella verifica a fatica, c’è la necessità di ricontrollare i valori utilizzati. Si passa ad un coefficiente di 2,2 dal 2,5 iniziale(a 2 a 3 quanto richiesto), mentreper uanto riguarda gli altri valori calcolati essi rientrano tutti nelle approssimazioni effettuate. Si valida a questo punto quindi anche la verifica a fatica.