Guida DFM per la fabbricazione di barre collettrici in rame finalizzata alla riduzione dei costi nella produzione personalizzata

La progettazione per la produzione è l’approccio migliore per ridurre i costi e migliorare la qualità. Piccole modifiche nella progettazione possono comportare una riduzione dei costi di fabbricazione e dei tempi di consegna delle barre collettrici in rame nei sistemi batteria per veicoli elettrici, nelle applicazioni di distribuzione dell’energia e nelle energie rinnovabili. La sovraspecifica è un problema comune tra molti ingegneri, che specificano eccessivamente caratteristiche che aumentano la complessità della lavorazione senza apportare alcun valore funzionale. È possibile acquisire una visione chiara delle proprie scelte progettuali e dei vincoli per ottenere una progettazione con le stesse caratteristiche elettriche e meccaniche a un costo inferiore. Molti clienti si sono rivolti a Kinto per l’ottimizzazione della progettazione delle barre collettrici in rame, finalizzata alla produzione di componenti ad alta precisione e con tolleranze strette. Questa guida fornisce indicazioni preziose sui principi DFM che non comportano costi aggiuntivi ma garantiscono affidabilità del prodotto.

Semplificare i disegni e le distanze tra i fori

La foratura è uno dei processi più diffusi nella produzione di barre collettrici in rame; ogni foro incrementa i costi del processo. Per ciascun foro è necessario tempo per la predisposizione degli utensili, usura degli utensili e ispezione. Ridurre i costi: il numero di punti di fissaggio o di collegamento deve essere limitato alla quantità strettamente necessaria. Evitare inoltre di realizzare numerosi fori di piccole dimensioni, che richiederebbero molteplici sostituzioni o punte da trapano speciali durante il processo. Garantire un’adeguata distanza tra i fori e tra questi e il bordo della barra collettore. Il rame è relativamente tenero e forare troppo vicino al bordo può causare deformazioni o strappi durante la punzonatura o la foratura. Come regola generale, i fori devono essere posizionati a una distanza minima pari a 1,5 volte lo spessore del materiale dal bordo, e la distanza tra i fori non deve essere inferiore allo spessore del materiale. Se la barra collettore deve essere placcata, sorge la domanda: è necessario che tutti gli aperti siano completamente riempiti dal placcaggio oppure un placcaggio parziale è sufficiente per l’uso previsto? Tutti questi piccoli accorgimenti si traducono in significativi risparmi sui tempi di ciclo.

Ottimizzare i raggi di curvatura per le caratteristiche del rame

Il rame si comporta in modo diverso rispetto all'acciaio quando viene piegato, e la sua risposta varia notevolmente in base alla lega e al trattamento termico. Se il raggio di curvatura è troppo piccolo per la lega e il trattamento termico desiderati, potrebbero verificarsi fessurazioni, difetti superficiali o potrebbe rendersi necessario un ulteriore trattamento di ricottura, con conseguenti tempi prolungati e costi aggiuntivi. Il raggio di curvatura ottimale per l'interno delle pieghe, nella maggior parte delle applicazioni di barre collettrici in rame, equivale a una-due volte lo spessore del materiale. Per i trattamenti più morbidi (rame ricotto) è possibile ottenere raggi molto stretti, ma in applicazioni soggette a vibrazioni la resistenza meccanica potrebbe risultare insufficiente. I trattamenti termici impiegati nel processo produttivo che conferiscono maggiore durezza rendono il materiale meno pieghevole e richiedono generalmente raggi più ampi. È consigliabile coinvolgere fin dalle prime fasi il fabbricatore per selezionare il trattamento termico più adatto, in grado di bilanciare conduttività elettrica, resistenza meccanica e lavorabilità. Va inoltre considerata l'orientazione della piega rispetto alla direzione di laminazione del foglio di rame: piegare il rame trasversalmente alla direzione di laminazione (anziché parallelamente ad essa) riduce il rischio di fratture superficiali. Benché le macchine di precisione Kinto consentano di realizzare un’ampia gamma di geometrie uniche, quelle che «rispettano le caratteristiche naturali» della formatura del rame risulteranno sempre meno costose.

Ridurre le operazioni secondarie tramite una progettazione intelligente

Operazioni secondarie come la sbavatura, la mascheratura per la nichelatura e i passaggi multipli rappresentano un fattore di costo significativo. Se questi passaggi vengono ridotti o eliminati, un barra collettore ben progettata svolgerà correttamente il proprio compito. Evitare di richiedere spessori non standard che necessitino di laminazione su misura o di una levigatura eccessiva della superficie. Evitare la mascheratura nelle sezioni di parete desiderate a causa della presenza di trappole automatiche nella soluzione di nichelatura o di mascherature manuali. Se sono richieste connessioni flessibili per le barre collettore, potrebbe essere preferibile integrare shunt laminati nel corpo principale della barra collettore, anziché utilizzare jumper flessibili complessi da saldare in posizione o fissare con viti al corpo della barra collettore. Progettare superfici piane e continue in modo da poterle ricoprire facilmente con nastro adesivo, verniciatura a polvere o guaine termorestringenti per soddisfare i requisiti di isolamento. Canali stretti e zone di difficile accesso causate da spigoli vivi richiedono finitura manuale. Spigoli arrotondati e raggi generosi contribuiscono a ridurre la concentrazione di tensione e consentono inoltre processi di finitura automatizzati.

Strategia di tolleranza che bilancia precisione e costo

Una tolleranza più stretta comporta sempre costi di produzione maggiori. L’aumento non è lineare: ridurre la tolleranza da 0,10 a 0,05 può far aumentare i costi di lavorazione/ispezione di oltre il doppio. Non specificare tolleranze più strette del necessario. Non indicare una tolleranza su una quota se questa non influisce sulla forma o sulla funzionalità del componente. Alcuni componenti, come le barre collettrici di molte unità che possono compensare eventuali difetti mediante deformazione elastica durante il montaggio, potrebbero non richiedere un’elevata precisione posizionale nelle dimensioni di lunghezza e larghezza. Definire un sistema di quotatura e tolleranze che consenta l’uso dei simboli di Geometric Dimensioning and Tolerancing (GD&T) e applicare le tolleranze esclusivamente alle caratteristiche critiche che ne hanno effettivamente bisogno – ad esempio la posizione dei fori di fissaggio e le quote relative alle interfacce di montaggio. Ciò evita di indurre il costruttore in errore, facendogli credere che tutte le caratteristiche richiedano la massima precisione. Le capacità produttive di Kinto sono estremamente precise. Per realizzare geometrie personalizzate entro tali capacità, incoraggiamo i nostri clienti ad applicare tolleranze strette solo dove strettamente necessarie per il corretto funzionamento. I risparmi derivanti dall’adozione di tolleranze più larghe possono essere reinvestiti in altri tipi di materiale, componenti di livello superiore o attività di prototipazione incrementate. L’applicazione di questa metodologia di Design for Manufacturing già nelle fasi iniziali di progettazione permette di ridurre i costi complessivi e ottenere soluzioni economicamente vantaggiose.