Lavoro nel settore del laser e dell’automazione della saldatura da quasi 20 anni, e vi dico una cosa che toglie il sonno ai titolari di fabbrica: la deformazione. Saldate una passata e il pezzo si deforma; provate a saldarne un’altra e tutto si è spostato; alla terza o quarta passata state guardando un rottame. Ma ecco ciò che la maggior parte delle persone non sa: con la tecnologia di modellazione inversa con visione 3D potete saldare una passata, spostare il pezzo per altri lavori, riportarlo giorni dopo e continuare con la terza, la quarta e la quinta passata come se nulla fosse. Non è magia. È la differenza tra i sistemi a linea laser, che perdono il riferimento dopo la prima saldatura, e i sistemi con visione 3D, che possono riscansionare il pezzo fisico reale e rigenerare i percorsi in base a ciò che c’è davvero.
Ricordo la prima volta che ho visto questo problema da vicino. Un cliente, un’officina di carpenteria in acciaio, venne da noi estremamente frustrato. Aveva investito in quello che pensava fosse un sistema di saldatura robotizzata di prima fascia: inseguimento a linea laser, un sofisticato robot tedesco, il pacchetto completo, costato una fortuna. Ma ecco cosa succedeva: riuscivano a saldare benissimo la prima passata, con penetrazione perfetta e un bel cordone. Poi spostavano il pezzo in un’altra stazione per lavori di assemblaggio, lo riportavano il giorno dopo e il robot non trovava più dove saldare la seconda passata. Perché? Perché dopo la prima saldatura il pezzo si era mosso: tensioni termiche, movimentazione durante il trasporto, assestamento naturale. Tutto questo faceva sì che il pezzo non fosse più esattamente nella stessa posizione, e quel sistema a linea laser cercava punti teorici che nel mondo reale non esistevano più.
Si possono saldare la terza, la quarta e la quinta passata dopo che il pezzo è stato spostato e riportato?
Sapete cosa ho sentito a una fiera il mese scorso? Il venditore di un concorrente che diceva a un potenziale cliente: «Certo, la saldatura multipassata la facciamo senza problemi». Volevo interromperlo subito. Perché c’è la saldatura multipassata in cui si saldano tutte le passate di seguito, che è facile e la sa fare chiunque, e poi c’è la saldatura multipassata nelle reali condizioni di produzione.
Produzione reale significa che saldate una o due passate, il pezzo viene spostato in un’altra stazione, magari resta fermo per la notte, magari passa per altri processi, e poi torna. Il vostro sistema riesce a riprendere da dove si era fermato? È questa la vera domanda. Con la tecnologia di visione 3D la risposta è sì: il sistema riscansiona il pezzo reale, vede ciò che è già stato saldato, individua i nuovi punti di partenza in base alla realtà, non alla teoria, e prosegue il lavoro. I sistemi a linea laser semplicemente non possono farlo, perché cercano caratteristiche geometriche che cambiano dopo la saldatura.
Vediamo che cosa succede davvero in una fabbrica reale. Avete programmi di produzione e più pezzi che passano per stazioni diverse. Non potete permettervi di bloccare un’isola di saldatura robotizzata per ore solo per completare tutte le passate su un pezzo: non è così che funziona la produzione moderna. Vi serve flessibilità. Saldate la passata di radice sul pezzo A, lo togliete, portate il pezzo B, saldate la sua radice, lo togliete, portate il pezzo C. Poi magari domani riportate il pezzo A per la seconda passata.
È qui che la maggior parte dei sistemi crolla, e l’ho visto succedere decine di volte. Il robot va dove pensa che debba essere la saldatura, in base al modello CAD originale o ai punti memorizzati inizialmente, e sbaglia di millimetri o addirittura di centimetri. Nella saldatura robotizzata sbagliare anche di 2–3 millimetri significa saldare nel vuoto o sfondare il materiale. Nessuno dei due risultati è accettabile.
Ed ecco la realtà tecnica di cui nessuno vuole parlare. Quando saldate la prima passata introducete nel materiale una grande quantità di calore, che provoca dilatazione e poi contrazione durante il raffreddamento. Questo ciclo termico crea tensioni interne: il materiale vuole muoversi, e si muoverà. A seconda della configurazione del giunto, dello spessore, dei parametri di saldatura e di come il pezzo è bloccato, si possono vedere spostamenti da frazioni di millimetro a diversi millimetri.
Ricordo di aver lavorato con un cantiere navale (non posso nominarlo per accordi di riservatezza, ma è una grande realtà, con migliaia di tonnellate di acciaio che transitano ogni mese). Eseguivano saldature multipassata su cianfrino su assiemi di lamiere spesse: parliamo di lamiere da 25 mm e 6–8 passate per riempire il giunto. Il loro vecchio processo? Saldare tutte le passate di seguito. Il problema? Alla fine l’apporto termico era così alto che i pezzi si deformavano pesantemente. Passavano ore con cannelli da taglio e martinetti idraulici per raddrizzare tutto, e a volte dovevano semplicemente scartare il pezzo e ricominciare.
Siamo arrivati con il nostro sistema di visione 3D e abbiamo cambiato completamente il loro approccio. Prima passata: saldarla, togliere il pezzo e lasciarlo raffreddare completamente, lavorando nel frattempo su altri pezzi. Il giorno dopo il pezzo torna, il sistema lo riscansiona, individua dove si trova davvero la prima passata (non dove avrebbe dovuto essere), calcola il percorso ottimale per la seconda passata tenendo conto delle condizioni effettive e la salda. Poi di nuovo fuori a raffreddare, e la terza passata segue lo stesso processo. Lasciando raffreddare il pezzo tra una passata e l’altra e adattandosi alla geometria reale dopo ogni saldatura, hanno ridotto i problemi di deformazione di circa il 70%. Le rilavorazioni sono crollate, il tasso di scarto è sceso molto e la produttività è persino aumentata, perché potevano far girare più pezzi nell’isola invece di seguire un solo pezzo per un intero ciclo di saldatura di più ore.
Ma ecco ciò che lo rende possibile, ed è fondamentale: la differenza tra l’inseguimento 2D a linea laser e i sistemi di visione 3D. La linea laser funziona proiettando una linea sul pezzo e osservando come si deforma attorno a caratteristiche come un cianfrino o un giunto: cerca firme geometriche specifiche. «Cerco un cianfrino a V largo 10 mm in superficie, con angolo incluso di 60 gradi». Quando saldate la prima passata, riempite parte di quel cianfrino, e ora il laser vede una geometria diversa. Non sa che cosa fare: era addestrato a trovare un cianfrino vuoto, non parzialmente riempito.
La visione 3D è fondamentalmente diversa. Acquisisce una nuvola di punti, cioè una mappa tridimensionale della superficie reale. Non cerca caratteristiche specifiche: scansiona tutto, costruisce un modello digitale di ciò che c’è in quel momento e poi calcola i percorsi di saldatura in base all’intersezione delle superfici. Quando riportate il pezzo dopo la prima passata, il sistema lo scansiona da capo: vede il nuovo cordone, vede la zona ancora da riempire e calcola dove deve andare la passata successiva in base alla realtà attuale. È questo che intendo per «modellazione inversa»: non si modella ciò che dovrebbe esserci secondo il disegno, ma ciò che c’è, adesso, nel mondo reale.
Di recente ho fatto una dimostrazione dal vivo, trasmessa in streaming per mostrare la tecnologia ai clienti in tempo reale. Abbiamo preparato un pezzo di prova e l’abbiamo spostato apposta tra una passata e l’altra. La prima passata era buona. Poi abbiamo letteralmente tolto il pezzo dal banco, l’abbiamo mosso e rimesso giù in una posizione leggermente diversa. Tutti pensavano: «Ecco, adesso fallirà». Abbiamo premuto il pulsante di scansione: il sistema ha impiegato circa 15 secondi per acquisire la nuvola di punti e altri 10 per elaborarla e generare il nuovo percorso per la seconda passata. Avvio: il robot è entrato, ha trovato la saldatura e ha completato la passata perfettamente. Nessun apprendimento manuale, nessuna regolazione, nessun ritocco degli offset. Ha funzionato e basta.
Dettagli tecnici dell’implementazione
Ora vediamo come funziona in pratica, perché il diavolo sta nei dettagli. Il nostro sistema di visione 3D usa la scansione a luce strutturata: proiettiamo un motivo sul pezzo e lo acquisiamo con telecamere ad alta risoluzione da più angolazioni. Il sistema analizza la deformazione di quel motivo per costruire la nuvola di punti 3D. La risoluzione è tipicamente di circa 0,1 mm: è questo il livello di dettaglio che acquisiamo.
| Fase del processo | Tempo richiesto | Risultato chiave |
|---|---|---|
| Scansione iniziale e acquisizione della nuvola di punti | 10–20 secondi | Dati di superficie 3D ad alta risoluzione |
| Elaborazione e filtraggio della nuvola di punti | 5–15 secondi | Geometria pulita con rumore rimosso |
| Calcolo del percorso di saldatura | 3–10 secondi | Traiettoria del robot con tutti i punti |
| Assegnazione dei parametri di saldatura | 1–2 secondi | Programma di saldatura completo pronto all’esecuzione |
Una volta ottenuta la nuvola di punti, il software identifica il giunto di saldatura. Per una saldatura su cianfrino trova l’intersezione tra le due superfici che formano il cianfrino; per una saldatura d’angolo trova dove le due lamiere si incontrano ad angolo. Il bello di lavorare con i dati della nuvola di punti è che il sistema non fa ipotesi: misura distanze, angoli e posizioni reali.
Poi arriva la generazione del percorso. Il sistema calcola la traiettoria del robot per seguire il giunto, comprendendo non solo la posizione X-Y-Z della torcia, ma anche angolo e orientamento della torcia in ogni punto del percorso. Per il lavoro multipassata il sistema deve calcolare la posizione ottimale di ogni passata considerando aspetti come l’accesso, l’angolo della torcia rispetto al cordone precedente e l’assenza di interferenze con il pezzo.
Perché la linea laser non riconosce il profilo dei cordoni già saldati, mentre la visione 3D può riscansionare e generare nuovi percorsi?
Qui bisogna entrare un po’ nel tecnico, ma cercherò di restare pratico. Il limite fondamentale dell’inseguimento a linea laser dipende da come vede il mondo. Una linea laser è in sostanza una visione monodimensionale: sì, vede la deformazione di una linea laser nello spazio e quindi ha alcune informazioni 3D, ma è limitata a ciò che quella singola linea può dirle.
L’inseguimento a linea laser eccelle nel trovare la geometria del giunto prima della saldatura: può identificare un cianfrino, seguire un giunto, seguire un bordo. Ma una volta depositato il metallo d’apporto, la geometria cambia in modi che confondono il sistema a linea laser. Un sistema di visione 3D, al contrario, acquisisce l’intera superficie: vede il cordone, il materiale base, il cianfrino ancora da riempire, tutto. Può quindi calcolare dove deve andare la passata successiva analizzando la topologia 3D reale del pezzo. Non è solo un miglioramento incrementale, ma una differenza fondamentale di capacità.
Voglio essere molto chiaro su un punto, perché ho sentito concorrenti sostenere che i loro sistemi a linea laser possono farlo. Non possono. E non lo dico per denigrare la tecnologia a linea laser, che è eccellente per molte applicazioni: saldature a passata singola, inseguimento di giunti puliti, inseguimento di bordi. Per questi compiti la linea laser è anzi più veloce e più semplice. Ma per la saldatura multipassata, in cui bisogna tornare su un pezzo già saldato, spostato, raffreddato e magari deformato, serve la visione 3D. Non c’è alternativa.
Vi faccio un esempio concreto. Un nostro cliente fabbricava recipienti in pressione: cilindri a parete spessa con giunti longitudinali che richiedevano 8–10 passate per essere riempiti completamente. Ogni passata depositava circa 3–4 mm di metallo d’apporto. Dopo la prima passata il profilo del cianfrino era cambiato notevolmente: la V acuta del cianfrino vuoto era ora arrotondata sul fondo, dove era stata depositata la passata di radice. L’angolo incluso era di fatto cambiato; la larghezza in superficie restava simile, ma la profondità era ridotta dell’altezza della passata di radice.
Un sistema a linea laser che scansionasse questo profilo sarebbe confuso. Era programmato per cercare un cianfrino a V con determinate dimensioni, e ora vede qualcosa che non corrisponde al profilo atteso. Il software potrebbe cercare di adattare i dati della linea laser al modello del cianfrino originale, con un posizionamento impreciso, oppure fallire del tutto e generare un errore.
Il nostro sistema di visione 3D ha scansionato la condizione dopo la saldatura e ha visto esattamente ciò che c’era. La nuvola di punti mostrava la passata di radice depositata, la parte di cianfrino ancora da riempire e la geometria precisa di entrambe. Il software ha calcolato che la seconda passata doveva essere leggermente spostata rispetto al centro, posizionata di proposito su un lato della passata di radice per garantire una fusione corretta e aiutare a controllare la sequenza di riempimento. È una buona pratica di saldatura per i cianfrini su sezioni spesse, ma si può applicare solo se il sistema vede le condizioni reali dopo la saldatura e vi si adatta.
Dati di prestazione reali
Voglio condividere alcuni numeri reali delle nostre installazioni, perché le affermazioni non valgono nulla senza dati. In uno stabilimento di carpenteria in acciaio eseguivano saldature d’angolo multipassata sui collegamenti trave-colonna. Prima del nostro sistema, il loro processo era:
- Saldare tutte le 4–5 passate di seguito
- Le deformazioni richiedevano rilavorazioni su circa il 30% dei pezzi
- Il tasso di scarto era di circa il 5% a causa di deformazioni eccessive
- Il tempo medio per collegamento (rilavorazioni comprese) era di circa 25 minuti
Dopo l’introduzione del nostro sistema multipassata con visione 3D e saldatura a intervalli:
- Saldare 2 passate, spostare il pezzo, saldare altre 2 passate
- Le rilavorazioni per deformazione sono scese a meno del 5% dei pezzi
- Il tasso di scarto è sceso sotto l’1%
- Il tempo medio per collegamento è stato di circa 18 minuti (meno tempo complessivo grazie alle minori rilavorazioni)
L’impatto economico è stato significativo. Lavoravano circa 200 collegamenti al giorno: la sola riduzione della manodopera per rilavorazioni ha fatto risparmiare circa 30 ore al giorno, la riduzione degli scarti decine di migliaia di dollari al mese in materiale, e l’aumento della produzione ha permesso di accettare lavoro aggiuntivo senza aggiungere un’altra isola di saldatura.
Un altro caso: un fornitore di componenti per l’automotive eseguiva saldature multipassata su staffe spesse. La difficoltà era che i pezzi tornavano dal trattamento termico tra una passata e l’altra, e il trattamento termico provocava alcune variazioni dimensionali. Il loro vecchio sistema richiedeva di reinsegnare manualmente i punti dopo il trattamento termico, con un costo di 15–20 minuti di preparazione per pezzo. Con il nostro sistema di visione 3D i pezzi tornavano dal trattamento termico, venivano scansionati, i nuovi percorsi venivano generati automaticamente e la saldatura riprendeva. Il tempo di preparazione è sceso sotto i 2 minuti: solo il tempo di scansione e generazione del percorso.
Ora voglio affrontare un tema che emerge in ogni trattativa: «La scansione con visione 3D non è più lenta dell’inseguimento a linea laser?». Sì: la scansione richiede in genere 10–20 secondi, contro la risposta quasi istantanea della linea laser. Ma ciò che conta è il tempo ciclo totale e la produttività complessiva. Se quei 15 secondi di scansione permettono di adattarsi automaticamente alla variabilità dei pezzi, eliminare il reinsegnamento manuale, ridurre le rilavorazioni e programmare la produzione in modo flessibile, il tempo di scansione diventa irrilevante. Se guardate solo alla velocità di rilevamento, state ottimizzando la metrica sbagliata.
La vera domanda è: che cosa vi permette di fare la tecnologia? Potete lavorare a luci spente con pezzi variabili? Programmare il lavoro in modo flessibile senza dedicare le isole a singoli pezzi? Ridurre al minimo le deformazioni controllando l’apporto termico? Eliminare scarti e rilavorazioni? Sono queste le domande che contano davvero per il vostro risultato economico.
Vantaggi tecnici della scansione basata sulle superfici
Ecco un approfondimento sul perché la tecnologia di visione 3D funziona meglio per questa applicazione. Il sistema crea quella che chiamiamo una «nuvola di punti densa», tipicamente milioni di punti che rappresentano la superficie del pezzo, ciascuno con coordinate X, Y e Z nello spazio tridimensionale. Risoluzione e precisione della nuvola di punti dipendono dalle specifiche dello scanner, ma lavoriamo tipicamente con una risoluzione di 0,1 mm e una precisione di 0,05 mm.
Confrontate tutto questo con la linea laser, che acquisisce forse qualche migliaio di punti lungo una sola linea. Certo, si aggiorna rapidamente mentre la linea scorre sul pezzo, ma fondamentalmente si lavora con molti meno dati. E soprattutto, quei dati sono intrinsecamente monodimensionali: si vede il profilo lungo la linea laser, ma non si hanno informazioni complete sulla superficie attorno a quella zona.
Quando il software analizza la nuvola di punti 3D per identificare il giunto, osserva le intersezioni tra superfici. Per una saldatura su cianfrino trova dove due superfici inclinate si incontrano sul fondo del cianfrino; per una saldatura d’angolo trova dove due superfici perpendicolari si incontrano in un angolo interno. Questa intersezione è una verità geometrica: non è sensibile alle irregolarità locali o al rumore nei dati, perché il software adatta le superfici a un gran numero di punti.
È un approccio fondamentalmente più robusto della ricerca di firme caratteristiche specifiche. Una linea laser può essere programmata per cercare «un brusco avvallamento nel profilo che indica un cianfrino». Ma che cosa succede quando quell’avvallamento è parzialmente riempito di metallo d’apporto? La firma cambia e il software non sa che fare. L’analisi basata sulle superfici, invece, non se ne cura: «Vedo due superfici qui, si intersecano in questo punto con questo angolo, quindi il giunto è qui». Che le superfici siano metallo nudo o parzialmente coperte di metallo d’apporto, il punto di intersezione resta chiaramente definito.
Supporto per la regolazione di angolo della torcia, corrente, tensione, velocità, pendolamento e altri parametri di processo nelle applicazioni produttive reali?
Ora arriviamo alla parte che distingue davvero i sistemi che funzionano in produzione da quelli che fanno solo colpo in uno stand dimostrativo. Perché la verità è questa: ogni saldatura è diversa. Materiali, spessori, configurazioni del giunto, posizioni e requisiti di qualità diversi. Un sistema che può funzionare solo con un insieme fisso di parametri non è una soluzione produttiva: è un esperimento di laboratorio.
Il nostro sistema permette la regolazione completa dei parametri di saldatura, tra cui angolo della torcia, corrente, tensione, velocità di avanzamento, ampiezza e frequenza del pendolamento, tempo di sosta e altro ancora. Questi parametri si possono regolare al volo e salvare in librerie di processo per applicazioni diverse. Non si tratta solo di flessibilità. Si tratta di permettere al sald