Corso di Taglio e Lavorazioni Digitali: 6 Introduzione al CNC

6 — Introduzione al CNC

Obiettivo del modulo: fornire conoscenze teorico-pratiche di base sulle macchine CNC (router/fresatrici a controllo numerico), il flusso CAD→CAM→G-code, la scelta degli utensili e dei parametri taglio, la preparazione del pezzo e le buone pratiche per una lavorazione su legno o plastica. Alla fine del modulo lo studente saprà simulare una lavorazione, generare G-code e impostare una prova di taglio in sicurezza.

1. Che cos’è una macchina CNC e come funziona

Definizione sintetica: CNC = Computer Numerical Control. È una macchina che muove uno o più utensili in coordinate spaziali (assi X, Y, Z — e a volte A/B/C per rotazioni) seguendo istruzioni numeriche (G-code) generate da un software CAM.

Componenti principali

• Struttura/meccanica (portale, tavola, guide, vite a ricircolo di sfere o cremagliera)

• Mandrino/spindle (motore che regge e fa ruotare l’utensile)

• Trasmissione e motori passo-passo o servomotori (muovono gli assi)

• Controllore CNC (hardware/software che interpreta G-code)

• Sistema di raffreddamento/dust extraction (aspirazione trucioli)

• Sistemi di sicurezza (estop, finecorsa, ripari)

Principio operativo: il file G-code contiene istruzioni del tipo “muoviti a X,Y,Z a questa velocità”, “gira il mandrino a S rpm” o “ferma il mandrino”: il controllore traduce queste istruzioni in impulsi per i motori e comandi al mandrino.

2. Tipologie di CNC

• Fresatrici CNC / Router CNC (3-4 assi). Diffuse per legno, plastiche, lavorazioni meccaniche leggere.

• Fresatrici a 5 assi. Permettono inclinazione dell’utensile e lavorazioni complesse su più facce.

• Centri di lavoro (più robusti, usati in metallo).

• CNC per PCB, incisione, pick & place (variazioni specialistiche).

Nota pratica: per il corso ci concentreremo su router/fresatrici da banco 3 assi, tipiche per legno e plastiche.

3. Il flusso CAD → CAM → G-code

3.1 CAD (disegno)

• Disegno vettoriale 2D (DXF, SVG) o 3D (STEP, STL). Software comuni: Fusion 360, FreeCAD, Inkscape (per 2D), Illustrator (per grafica vettoriale), SolidWorks.

• Regole: geometria pulita, curve chiuse per profili, dimensioni in unità corrette (mm preferibile).

3.2 CAM (toolpath) — passi fondamentali

1. Setup: definire lo stock (pezzo grezzo), origine (work zero), orientamento.

2. Selezione utensili (tool library): diametro, numero di taglienti, tipo (fresa a candela, V-bit, spoon bit).

3. Strategie di lavorazione:

   • Facing/Surfacing (piallatura superficiale)

   • Adaptive/roughing (asportazione massiva)

   • Pocket (clearing di tasche)

   • Contour/profile (taglio esterno o interno)

   • Drilling (foratura; spesso con G-81 ecc.)

   • Engraving/vCarve (incisione)

4. Parametri: RPM, feedrate, depth of cut (ap), stepover (ae), number of passes.

5. Simulazione: sempre simulare per verificare collisioni e tempi.

6. Post-processo: generazione del G-code per il controllore della macchina.

3.3 File e formati

• CAD: DXF, SVG, STEP, STL.

• CAM/post: G-code (.nc, .tap, .gcode).

• Trasferimento: USB, SD, rete.

4. Parametri di taglio: concetti chiave e formule

Terminologia essenziale

• RPM (S) — giri del mandrino al minuto.

• Feedrate (F) — velocità di avanzamento dell’utensile (mm/min).

• Chip load (per dente) — spessore di truciolo rimosso da ciascun tagliente (mm/tooth).

• Depth of cut (ap) — passata assiale (profondità in Z).

• Stepover (ae) — passata radiale (percentuale del diametro utensile).

Formula principe per il feedrate

$$\text{Feedrate (mm/min)} = \text{RPM} \times \text{numero\_di\_taglienti} \times \text{chipload (mm/tooth)}$$

Esempio calcolato passo-passo (importante seguire l’aritmetica):

• Utensile: fresa da 6 mm, 2 taglienti.

• RPM scelto: 18.000 rpm.

• Chipload scelto: 0,09 mm/tooth (valore tipico per lavorazione legno robusta).
  Calcolo:

1. RPM × numero taglienti = 18.000 × 2 = 36.000.

2. Moltiplico per chipload: 36.000 × 0,09 = 3.240 (mm/min).
   Quindi Feedrate ≈ 3.240 mm/min (≈ 54 mm/s).

Indicazioni generali per ap e ae

• Roughing (sgrossatura): ap maggiore (3–12 mm su router più rigido), ae 40–75% del diametro.

• Finishing (finitura): ap piccolo (0,5–2 mm), ae 10–30% per migliorare qualità superficiale.

• Plastica sensibile al calore: ridurre ap, aumentare feed per evitare sfregamento, usare utensili a 1 tagliente per chip maggiori.

Regola d’oro: meglio aumentare il feed (più chip) che abbassare l’RPM fino a che non si innescano sfregamenti o bruciature.

5. Utensili, scelta e geometria

• Fresa a candela (endmill): 2/3/4 taglienti; upcut vs downcut.

  • Upcut: evacua truciolo verso l’alto → migliore evacuazione ma può sfilacciare superfici in basso su laminati.

  • Downcut: spinge truciolo verso il basso → migliore finitura superiore, peggior evacuazione.

• V-bit per incisione/lettering.

• Fresa a tazza / sagomatrice per bordi.

• Materiali utensile: carbide (carburo) per durata; HSS per tagli sporadici.

Consiglio pratico: per legno e MDF usare frese HRC carbide a 2 taglienti per buone finiture; per plexiglass usare 1 tagliente o micro-grain per evitare fondere.

6. Materiali: legno vs plastiche — caratteristiche e suggerimenti

Legno (MDF, multistrato, massello)

• MDF: uniforme, ottima finitura ma produce polvere fine (aspirazione obbligatoria). Buona tolleranza agli utensili; evita upcut per ridurre sfilacciamento su top finish.

• Compensato (plywood): stratificato, attenzione agli spigoli (tear-out), preferire downcut su profili esterni.

• Legni duri: richiedono utensili più robusti e parametri più conservativi.

Plastiche (PMMA/acrilico, HDPE, Delrin/POM)

• Acrylic (PMMA): tende a fondere se la velocità di taglio è bassa; usare frese a 1 tagliente, feedrate alto, minimo contatto radiale.

• HDPE / PE: materiale plastico con comportamento elastico → attenzione a serraggio e supporto, usare bassi avanzamenti per evitare deformazioni.

• POM (Delrin): ottimo da lavorare ma produce bave se non tagliato correttamente.

Regola pratica: sempre fare un test piece per validare parametri.

7. G-code: esempi pratici e comandi base (20′)

Esempio commentato di header per macchina in mm (G21) e posizionamento assoluto (G90):

(Example G-code: pocket 50x30 mm, 6mm endmill)
G21         ; units = mm
G90         ; absolute positioning
G17         ; XY plane
G0 Z5       ; rapid move to safe height 5 mm
G0 X0 Y0    ; move to start
M3 S18000   ; spindle on clockwise 18000 RPM
G4 P1       ; dwell 1s (optional)
G1 Z-3 F300 ; plunge to -3mm at 300 mm/min
...         ; toolpath moves (pocketing)
G0 Z5       ; retract
M5          ; spindle stop
M30         ; end program

Comandi utili

• G0 rapido (non taglio)

• G1 movimento lineare con feedrate F

• G2/G3 archi CW/CCW

• G90/G91 assoluto/incrementale

• M3/M5 spindle on/off, S per rpm

• G54 ecc. per work offsets (G54 = coordinate work 1)

Attenzione: non copiare G-code senza comprenderlo; errori di Z o velocità possono rompere utensile o pezzo.

8. Sicurezza, setup macchina e buone pratiche

• PPE obbligatorio: occhiali, protezione auricolare, maschera antipolvere o aspirazione.

• Controlli prima di avviare: utensile serrato correttamente, colletto pulito, fissaggio pezzo stabile (morsetti, viti, nastro), aspirazione funzionante.

• Homing e soft limits: sempre effettuare homing, poi spostare a work zero con cautela.

• Dry run (simulazione a quota sicura): fare un passaggio a quota di sicurezza (Z alto) per verificare coordinate e percorso.

• Piano di emergenza: conoscere estop e come interrompere immediatamente il mandrino.

9. Esercitazione pratica — simulazione di lavorazione su legno o plastica

Progetto didattico (esempio): pannello-targa 200 × 100 × 12 mm con logo inciso e profilo esterno.

Fasi in aula:

1. Disegno CAD 2D del pannello (trasporto DXF/SVG).

2. Impostazione CAM (Fusion 360 / VCarve / Carbide Create): definizione stock, origine G54, scelta utensili.

   • Utensile 1 (6 mm, 2-flute): adaptive clearing rough (ap 3 mm, ae 50%, RPM 18.000, feed 3.240 mm/min come calcolato).

   • Utensile 2 (3 mm, 2-flute): finishing contour (ap 1 mm, ae 20%, RPM 18.000, feed 1.080 mm/min se chipload 0,09 e 2 flute produce 18.00020,03? careful—we'll compute properly below).

3. Simulazione CAM: verifica collisioni e stime tempi.

4. Post-processo: generazione file .nc .

5. Setup macchina: montaggio utensile, controllo pezzo, fissaggio, zero X/Y/Z (G54).

6. Dry run e avvio controllo, monitoraggio prima passata.

Esempio di calcolo feed per finitura (dimostrazione aritmetica)

• Utensile da 3 mm, 2 taglienti, chipload scelto per finitura 0,02 mm/tooth, RPM 18.000.

  1. 18.000 × 2 = 36.000

  2. 36.000 × 0,02 = 720 mm/min → feed = 720 mm/min

10. Problemi comuni e troubleshooting rapido

• Bruciatura/plastica fusa: feed troppo basso o rpm troppo alto → aumentare feed o ridurre rpm, usare utensile a 1 tagliente.

• Sfilacciamento su compensato: scegliere downcut, usare nastro di mascheratura sul top.

• Vibrazioni / chatter: ridurre avanzamento o aumentare diametro utensile, verificare fissaggio, abbassare ap.

• Perdita passo (lost steps): feed troppo aggressivo o accelerazioni elevate → ridurre feed e accelerazioni, controllare gioco meccanico.

• Utensile rotto: verifica profondità passata e fresature, sostituire utensile, pulire colletto.

11. Manutenzione e cura della macchina

• Pulizia quotidiana (trucioli, polvere), lubrificazione guide secondo manuale, controllo collet e utensili, verifica tensione cinghie e giochi.

• Programma di controllo periodico: pulizia mandrino, controllo cuscinetti, taratura fine vite.

12. Materiale didattico, checklist e rubriche di valutazione

Materiale per gli studenti

• File CAD di esempio (DXF), progetto Fusion360 file, lista utensili consigliati, tabella parametri suggeriti per MDF/acrilico/legno duro.

• Checklist di setup: controllo utensile, fissaggio pezzo, Z probe, aspirazione, PPE, dry run.

Rubrica valutazione esercitazione (punti 0–100)

• Progettazione CAD pulita (20%)

• CAM e scelta utensili/parametri (25%)

• Simulazione e verifica (15%)

• Setup macchina e sicurezza (20%)

• Risultato finale e qualità superficie (20%)

13. Tabella sintetica: parametri consigliati (valori indicativi — sempre testare)

I valori sono range consigliati per fresatura con endmills in carburo su router da banco. Fare sempre prove.

Materiale	Utensile	RPM (rpm)	Chipload (mm/t)	Feed (mm/min) esempio	ap (mm)	ae (%)
MDF (6 mm, 2-flute)	2-flute endmill	12k–18k	0.06–0.10	es.: 18k×2×0.08 = 3240	rough 3–6	ae 40–60
Plywood	2-flute up/down	12k–18k	0.04–0.08	18k×2×0.06 = 2160	2–4	ae 30–50
PMMA (acrilico)	1-flute single	12k–18k	0.10–0.20	18k×1×0.12 = 2160	1–2	ae 10–30
HDPE	2-flute	8k–14k	0.03–0.06	12k×2×0.04 = 960	1–3	ae 20–40
Legno duro (rovere)	2–3 flute	10k–16k	0.04–0.09	12k×2×0.07 = 1680	rough 3–6	ae 30–60

Nota: plastiche delicate (PMMA) richiedono geometrie utensile e strategie diverse (alta asportazione per evitare fondere); vanno testati parametri su scarto.

---

14. Esempi di attività didattiche e homework

• In aula: completare simulazione CAM e generare G-code per pannello logo (progetto consegnato).

• Compito a casa: preparare un file CAD di una scatola infilabile con incastri (tabella fori e spessori) e simulare toolpaths; calcolare RPM e feed per 6mm endmill con chipload scelto (mostrare passaggi di calcolo).

• Progetto finale (opzionale): realizzare, da CAD a pezzo finito, un piccolo oggetto in MDF o acrilico (segnaletica, scatola, pannello) e documentare parametri e problemi risolti.

15. Riferimenti rapidi per approfondire

• Manuale della propria macchina CNC (PRIMA RISORSA)

• Tutorial Fusion 360 CAM / VCarve / Carbide Create

• Forum e community: consigli pratici su parametri utensili e troubleshooting (usare fonti affidabili)

Chiusura pratica (2 righe)

Questo modulo è pensato per dare conoscenze robuste e immediatamente spendibili: capire cosa accade tra disegno e truciolo, come calcolare i parametri, quali rischi evitare e come mettere in sicurezza il lavoro.