Per Tiger Woods è «il gioco della vita, un misto di pratiche fisiche, metafisiche e psicologiche», per il personaggio di George Cole, Arthur Daley è «come una storia d’amore: se non la prendi seriamente, non è intrigante; se la prendi seriamente, ti spezza il cuore». Questo è il golf: un «gioco di fiducia e, ancora più importante, di messa a fuoco, ovvero la capacità di concentrarsi e neutralizzare le distrazioni» (Joseph Parent, Zen Golf, Mastering the Mental Game).
Scopo di questo case study è raccontare come viene realizzata la testa di mazza per driver da golf in stampa 3D lavorata a CNC per conto di Krone, leader mondiale nelle attrezzature da golf progettate su misura.
Krone si colloca fra le marche internazionali di spicco nel mondo del golf di alto livello. CRP Meccanica e CRP Technology sono state scelte come partner tecnici per le collaborazioni.
L’esperienza di CRP Meccanica e CRP Technology include l’utilizzo dell’additive manufacturing, le lavorazioni CNC di alta precisione, i test non distruttivi durante le fasi di processo, i controlli dimensionali CMM per garantire la tracciabilità totale e completa di ogni componente, dalla certificazione della lega metallica fino alla certificazione del collaudo finale.
La storia
Il titanio e i materiali compositi sono impiegati nel settore del golf da quasi 20 anni; ciononostante nel corso degli anni è stato fatto davvero poco per sfruttarli al meglio e ottimizzare progetti o prestazioni dei componenti. Gli sforzi erano concentrati soprattutto sull’abbattimento dei costi e l’aumento della produzione. I componenti in titanio solitamente sono fusi, stampati o forgiati e così come i compositi sono applicati a mano utilizzando “pre-preg” (pre-impregnati) e polimerizzati mediante stampaggio a compressione oppure in autoclave.
Krone era determinata a creare l’attrezzatura da golf ad alte prestazioni più avanzata al mondo. Per raggiungere questo obiettivo, il CEO di Krone Marc Kronenberg e il suo staff ritenevano che fossero necessarie due cose:
- abbandonare le tecniche di “produzione in serie” tradizionali, diventando i pionieri della “produzione in serie personalizzata” nel settore del golf;
- utilizzare i materiali più innovativi, i processi di alta tecnologia e collaborare con i leader del settore della produzione per sviluppare un driver da golf che definisse nuovi standard qualitativi e prestazionali.
L’azienda ha condotto vaste ricerche e prove su diversi processi di additive manufacturing, come la sinterizzazione laser del metallo del titanio e la stampa 3D di modelli “a cera” o master per la fusione. Benché alcuni risultati fossero piuttosto promettenti, si presentavano diversi problemi legati alla precisione (tolleranze), alla ripetibilità (variazione da componente a componente) e qualità (aspetto superficiale).
Per il suo progetto, Krone ha scelto CRP Technology e CRP Meccanica per avere istruzioni su come coniugare l’uso dell’additive manufacturing e la lavorazione CNC ad alta precisione.
Grazie alla collaborazione con le aziende italiane, Krone ha avuto accesso a una rete che fornisce una vasta gamma di soluzioni personalizzate. CRP Meccanica ha coordinato il progetto fra Krone, CRP Technology e i consulenti di progettazione, sfruttando la propria esperienza di lavorazione CNC ad alta precisione.
Il reparto di stampa 3D e additive manufacturing di CRP Technology crea componenti finali e prototipi in tempi rapidi. È in grado di costruire geometrie estremamente complesse, la cui lavorazione è difficile o impossibile, grazie alle polveri di sinterizzazione laser caricate per il processo di Powder Bed Fusion con polimeri compositi caricati con fibre, denominati materiali Windform®. Le loro caratteristiche meccaniche li rendono superiori rispetto alla stampa 3D, in quanto permettono di passare dalla prototipazione rapida alla produzione rapida.
Criteri di valutazione
Per valutare le prestazioni di una mazza da golf si adottano numerosi parametri. I più comuni sono la “distanza” e le “condizioni di lancio” come loft, spin e velocità della palla che sono facilmente misurabili e quantificabili.
Ci sono poi parametri meno specifici, come il “sound” e il “feel”, che vanno oltre le preferenze individuali e che richiedono tempo per la messa a punto.
Anche le prestazioni sono fondamentali: i giocatori di golf non utilizzano certo un prodotto che non sia all’altezza delle loro aspettative.
Per questo motivo, la progettazione e lo sviluppo di una mazza da golf assomigliano molto a quelli delle auto dalle elevate prestazioni: l’accelerazione e la velocità massima sono facili da misurare, ma ottenere l’equilibrio, la maneggevolezza e i consumi giusti richiede il connubio di arte e scienza.
Gli sforzi compiuti per realizzare i componenti
La progettazione dietro le quinte di un grande driver da golf richiede l’ottimizzazione dello spessore di ciascuna superficie, il controllo del peso complessivo della testa e la regolazione del centro di gravità dell’insieme. Mettere a punto ogni aspetto è un gioco di equilibrio.
USGA (United States Golf Association) e R&A (Rules Committee for Professional Golf) hanno posto limitazioni alle dimensioni e volume massimi di un driver da golf. Gli ingegneri sono quindi costretti a progettare rispettando determinati parametri. Questo ha frenato l’innovazione, portando la maggior parte dei costruttori di mazze da golf a progettare prodotti molto simili tra loro.
Marc Kronenberg ha dichiarato: «Vediamo l’opportunità di fare qualcosa di rivoluzionario nel settore del golf, realizzando un prodotto di eccellenza grazie ad una progettazione intelligente, materiali innovativi e metodi di produzione ad alta tecnologia».
Vincoli delle tecnologie del passato per Krone
- Le tecnologie del passato richiedono l’uso di una lavorazione che limita la geometria realizzabile
- Grande impiego di manodopera
- Le tecnologie del passato sono costose e non idonee a piccole serie o componenti personalizzati
- Fusione e forgiatura comportano tolleranze ampie, variazioni fra un componente e l’altro e la necessità di interventi secondari
Oltre a ciò, non è possibile eseguire fusioni o stampe del titanio più sottili, vista la necessità di saldare in seguito i componenti fra loro.
Per effetto del calore, l’area della saldatura può deformarsi dove le aree sono sottili.
I componenti in fibra di carbonio non possono diventare più robusti senza ricorrere a costose fibre ad alto modulo.
La lavorazione CNC ad alte prestazioni e l’additive manufacturing con la stampa 3D PBF risolvono tutti questi problemi:
- la lavorazione CNC permette di controllare attentamente gli spessori nelle zone critiche.
- l’additive manufacturing permette di creare strutture molto robuste e leggere oltre che geometrie reticolari 3D che prima erano impossibili.
«Nella nostra esperienza di collaborazione con CRP», dichiara il CEO di Krone Marc Kronenberg, «finora non abbiamo avuto nessuno dei problemi descritti. Qualità, consistenza e precisione dei componenti dei reparti di lavorazione CNC e di stampa 3D sono eccezionali».
KD-1: la testa di mazza per driver da golf in stampa 3D Windform® con superficie in titanio processata dal pieno ottenuta mediante lavorazione di precisione
La collaborazione fra Krone, CRP Technology e CRP Meccanica ha dato vita a KD-1. Si tratta di una testa di mazza per driver da golf in composito, dove i diversi materiali hanno una funzione specifica e strutturale.
La struttura del corpo di KD-1 è stata prodotta con l’innovativo materiale Windform® SP per l’additive manufacturing. Windform® SP è un materiale molto duttile con una resistenza meccanica massima. Trova impiego dove si ha un’elevata sollecitazione a fatica, anche prolungata nel tempo, come vibrazioni o urti senza rischi di rotture. L’elasticità contribuisce ad assorbire le sollecitazioni meccaniche.
Il corpo presenta 4 inserti Helicoil® M4 sull’estremità per fissare il peso.
La faccia KD-1 (la superficie della testa della mazza che effettua la battuta) è in Ti6AI4V: è stata lavorata a CNC dal pieno e sabbiata per pulire le superfici esterne. La pipetta è stata prodotta anch’essa in titanio.
Anche nel caso del peso, CRP Meccanica ha effettuato la lavorazione CNC dal pieno e la sabbiatura.
Lega di titanio Ti6AI4V
Per questa tipologia di prodotto, CRP Meccanica ha optato per un materiale leggero ma duraturo, ovvero la lega di titanio Ti6Al4V.
La lega di titanio utilizzata da CRP Meccanica soddisfa anche l’esigenza di avere componenti che rispettino i limiti di peso e dimensioni.
Considerata la sua conformazione, la faccia di KD-1 ha reso necessario utilizzare macchinari di alta precisione all’avanguardia: Krone ha saputo riconoscere l’altissimo livello di esperienza tecnologica di CRP Meccanica, frutto delle sue radici nel mondo del motorsport, un settore molto esigente dove sono richieste affidabilità e precisione fuori dal comune.
Questo spiega perché il lavoro svolto da CRP Meccanica diventa fondamentale per tutte quelle applicazioni che comportano un certo grado di criticità. Considerando le proprietà del titanio e le sue applicazioni in diversi campi che spaziano dal motorsport all’aerospaziale, dai settori navali a quelli industriali, CRP Meccanica è in grado di lavorare a CNC le leghe di titanio dal pieno ed è stata la prima azienda a lavorare queste leghe mediante il Rapid Casting.
CRP Meccanica lavora con materiali di ultima generazione per realizzare componenti funzionali e gradevoli esteticamente. Lo scopo è realizzare pezzi su misura per i clienti in tempi rapidi, avvalendosi di un team tecnico specializzato in azienda, coinvolto in ogni fase dei progetti.
Vantaggi ottenuti mediante la lavorazione CNC di alta precisione e le tecnologie di additive manufacturing con il materiale Windform®
- Velocità
- Precisione
- Flessibilità progettuale
- Ottimizzazione dei componenti
La caratteristica più interessante dei componenti realizzati con materiale Windform® e con la lavorazione CNC di alta precisione consiste nel fatto che il processo è molto agile e diretto. Una volta che il file CAD è stato verificato, è richiesta solo un po’ di programmazione e impostazione, e a questo punto l’attrezzatura ad alta precisione (CNC e SLS), in grado di funzionare virtualmente 24 ore su 24, realizza direttamente i componenti. I componenti finali sono di alta qualità e corrispondono esattamente al file CAD originale.
Coniugando stampa 3D PBF e lavorazione CNC si ottiene un’accelerazione del processo di produzione dei componenti e un risparmio di tempo. La tecnologia di additive manufacturing è molto più rapida della progettazione e realizzazione dell’attrezzaggio per la stampa a iniezione. Inoltre, la stampa 3D offre agli ingegneri una maggiore flessibilità nella timeline per apportare migliorie al progetto.
«Abbiamo in programma» ha aggiunto Kronenberg «di continuare a collaborare a stretto contatto con CRP per perfezionare il progetto e sfruttare in pieno i vantaggi offerti dai loro processi di CNC e di additive manufacturing. L’obiettivo è di portare sul mercato entro la fine di quest’anno il concetto di “produzione in serie personalizzata” per componenti da golf singoli.
Le parti lavorate a CNC e Windform® corrispondono perfettamente al progetto. Dal punto di vista progettuale posso affermare che l’uso di Windform® SP e del titanio mi ha consentito di portare le prestazioni della mazza da golf oltre i suoi limiti. Come previsto nelle simulazioni a computer, le performance hanno raggiunto livelli ineguagliati da qualsiasi altra mazza da golf attualmente disponibile».
Report di prova
«Abbiamo di fatto superato quelli che Trackman® elenca come limiti teorici del progetto KD 1» afferma Marc Kronenberg, CEO di Krone. «La maggior parte dei golfisti utilizza un’attrezzatura che raggiunge l’80-85% del suo limite. Con la loro attrezzatura personalizzata, i giocatori professionisti si avvicinano al 95-100%. Noi siamo oltre il 100% e abbiamo ancora margini di crescita».
Report di prova, dettagli dei colpi, traiettoria, dispersione
