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Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali.

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Presentazione sul tema: "Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali."— Transcript della presentazione:

1 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali

2 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Diverso modo di utilizzare l’energia Nuove forme di energia: Energia meccanica- water-jet - abrasive-jet - ultrasuoni - deformazione alta velocità Energia elettrochimica- erosione elettrochimica - scarica elettrochimica Energia chimica- dissoluzione chimica Energia elettrica- elettroerosione - fascio elettronico Energia termica- laser - plasma

3 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali v a tolleranzaRastato superficiale [mm 3 /min][mm]  m truciolo incrudita rettifica incrudita lappatura poco incrudita elettroerosione fusa laser fusa awj incrudita elettrochimiche inalterata ultrasuoni incrudita Confronto varie tecnologie: HB vava truciolo elettroerosione In funzione della durezza del materiale

4 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Richieste ed esigenze più spinte progettuali / tecnologiche / materialistiche / ingegneristiche Fori profondi (R = 150) Forme complicate Alte velocità di taglio Costi macchine Integrazione della produzione Nuovi materiali Minore danno termico meccanico Scarti Energia Intensa attività scientifica Meccanismi di lavorazioneFlessibilitàNuovi componenti Parametri di lavorazioneIntegrazioneNuovi strumenti di misura Costi di produzione

5 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Elettroerosione Asportazione di materiale per una successione di piccole scariche elettriche che avvengono fra il materiale da lavorare ed un elettrodo ‘adeguato’ Scintille- interruttori - MCI (motori a combustione interna) - puntine platinate - eliminazione di punte elicoidali e maschi rotti in servizio e rimasti intrappolati nei pezzi Utensile filo -> taglio lineare -> WEDM (Electrical Discharge Machining) Utensile sagomato -> impronta -> EDM a tuffo Il processo è indipendente dalla durezza del materiale in lavorazione

6 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Circuito a rilassamento Lazarenko V Vo t Legge di carica del condensatore: V(t) = Vo ( 1 - e -t/RC ) Energia di scarica del condensatore: E = 1/2 C Vs 2 (Vs tensione di scarica, variabile aleatoria) t I Osservazioni: Correnti molto alte (1000 A) t off lunghi Danneggiamento utensile e materiale

7 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Inserimento all’interno del circuito, a valle della capacità, di un transistor che permette di far passare corrente per il tempo e per l’intensità voluta Si raggiunge l’obiettivo di: - ridurre la Imax - aumentare t on - diminuire la temperatura - diminuire l’usura dell’utensile Miglioramenti al circuito di Lazarenko transistor

8 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Meccanismo della scarica ignizione fusione vaporizzazione lavaggio Nota: l’ambiente in cui avviene la scarica in queste figure è idealizzato. Le due areole tra le quali scocca la scarica si localizzano in funzione delle rugosità superficiali degli elettrodi, delle condizioni del dielettrico e di quanto reca in sospensione.

9 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Fase 1. Aumento della tensione. Si forma un campo elettrico nella posizione di minore resistenza (minore distanza e/o maggiore conducibilità). Fase 2. Si forma un ponte di particelle a carica negativa emesse dal catodo. Parziale ionizzazione del dielettrico. Fase 3. Termina l’effetto isolante del fluido dielettrico. La tensione diminuisce e inizia il passaggio di corrente. Ionizzazione. Fase 4. Le particelle con carica negativa e positiva migrano rispettivamente verso l’anodo ed il catodo. La corrente aumenta e la tensione diminuisce. Inizia a formarsi un canale di vapore e incomincia il processo di fusione. Fase 5. Il canale di scarica si espande, la tensione e la corrente iniziano a stabilizzarsi. Aumento della temperatura ( °C) e della pressione del vapore (fino a 20 MPa). Fase 6. La scarica elettrica e il calore arrivano alla massima intensità. La bolla di vapore si espande. A questo punto il circuito elettrico viene aperto. Fase 7. Cessa la generazione di calore per la caduta della corrente. Il canale di scarica rapidamente scompare. Il metallo vaporizzato si solidifica rapidamente nel fluido dielettrico sotto forma di microsfere cave, quello fuso si solidifica in microsfere piene. Fase 8. implode generando un’azione dinamica che ha l’effetto di proiettare il metallo fuso all’esterno del cratere. Fase 9. il debris è costituito da particelle di metallo, carbonio (dalla scissione del dielettrico) e gas. Viene chiuso il circuito per dare inizio all’impulso successivo.

10 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Modalità di asportazione nel tempo Tuffo- dielettrico: idrocarburi liquidi, oli al silicone - deionizzabilità bassa, - tempi lunghi, - limitata usura del’utensile. Filo- dielettrico acqua, - buona deionizzabilità, - frequenze elevate, - alta usura filo, - necessità rinnovo Osservazioni: Si usa acqua deionizzata anche nella rettifica a tuffo con utensili a filo per fare piccolissimi fori. Si ovvia al consumo recidendo l’estremità consumata del filo. Nella rettifica a tuffo ogni volta che si devono praticare forature passanti conviene che l’utensile termini in punta perché questo aumenta la velocità di lavorazione.

11 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali La velocità di rimozione agli elettrodi è differente e dipende da polarità, temperatura di fusione dei metalli, durata e intensità delle scariche. Volume asportato al catodo Volume asportato all’anodo Elettroerosione a tuffo (EDM): si usa polarità diretta (CATODO: materiale; ANODO: utensile); ton > 30 μs Elettroerosione a filo (WEDM): si usa polarità inversa (CATODO: utensile; ANODO: materiale); ton ≅ 2 μs

12 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Le proprietà che l’utensile deve avere sono: elevata conducibilità elettrica e termica elevato punto di fusione facilmente lavorabile alle MU Le funzioni che l’utensile deve assolvere sono: non subire eccessiva erosione durante la lavorazione consentire il passaggio di corrente elettrica Caratteristiche degli utensili e scelta dei materiali più idonei alla loro fabbricazione Un indice di qualità idoneo a valutare la scelta più opportuna del materiale costituente l’utensile per la specifica lavorazione da eseguire può essere espresso mediante la seguente relazione:

13 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Materiali metallici ‐ Rame: ha una buona resistenza all’erosione, è facilmente lavorabile. Costo = 1. ‐ Leghe Cu-W/Cu-Ag: Vengono usati in fori profondi con scarso apporto di dielettrico. Costo = 18÷100. ‐ Leghe di Al: per la realizzazione di cavità 3D di grosse dimensioni, finitura superficiale scarsa ‐ Acciaio: rendimento inferiore. Applicazioni nelle lavorazioni acciaio-acciaio (stampi per materie plastiche, pressofusione leghe leggere, matrici per def plastica) Materiali non metallici Grafite: è il materiale più utilizzato perché facilmente lavorabile. Si realizzano facilmente fori per il passaggio del dielettrico. Costo = 2.5÷10. Svantaggi: -abrasivi -formano polveri durante la lavorazione -sono più fragili Vantaggi: -Insensibilità agli sbalzi termici -Facilmente lavorabile -Bassa densità Materiali combinati Cuprografite: grafite con porosità riempite di rame. Tutti i pregi della grafite e inoltre sono più lavorabili e meno fragili. Svantaggi della grafite ed in più elevato costo produttivo

14 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Osservazioni: L’usura degli utensili crescere al diminuire della conducibilità termica, e all’ aumentare delle temperature di cambiamento di stato e dei relativi calori latenti. L’usura è concentrata nei vertici e negli spigoli; scariche laterali consumano lateralmente l’utensile per cui le cavità prodotte presentano una certa conicità. Si definiscono i rapporti di usura per le varie localizzazioni dell’utensile. Il rapporto globale di usura è definito come volume di materiale asportato dal pezzo per unità di materiale di utensile perduto. Si va da 100 ÷ 1 a 0,05 ÷ 1. Per forature passanti, qualora le dimensioni lo consentano, è sempre più veloce la procedura per carotaggio utilizzando un utensile cavo. Per forature passanti con sezione prismatica si ovvia all’usura attraverso il refeed (processo automatico di rimpiazzo per avanzamento della parte usurata dell’utensile; detto processo è compiuto dal servosistema.

15 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Elettroerosione a filo Un filo di diametro 0,05 ÷ 0,3 mm funge da elettrodo, svolgendosi da una bobina e avanzando longitudinalmente mentre il moto di lavoro è rappresentato dall’ avanzamento trasversale nel quale si “apre” una strada attraverso il pezzo consistente perlopiù in una lastra metallica. Il percorso del moto di avanzamento determina il profilo del pezzo da ottenersi e viene controllato e guidato da calcolatore. meccanismo macchina Il gap non è in stato di immersione nel fluido ma viene continuamente inondato con una corrente di acqua deionizzata. Il gap vale 0,025 ÷ 0,05 mm ed è tenuto costante da un sistema di controllo computerizzato. La macchina è costituita da 4 sottosistemi: posizionatore guidafili sorgente di potenza sistema del dielettrico

16 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Posizionatore: tavola a 2 assi controllati a controllo numerico e, in certi casi, sistema posizionante del filo multiassiale. Deve operare in controllo adattativo per assicurare la costanza del gap: in caso di corto circuito il sistema percepisce e fa retrocedere lungo il percorso programmato per ristabilire le condizioni volute. Velocità lineari: meno di 100 mm/h nel taglio di acciaio di spessore 25 mm. Questa lentezza fa si che arresti e riprese non siano tanto incisivi quanto nei processi ad alta velocità. Processi senza operatore possono durare anche 20 ore: si prevedono batterie di supporto in caso di sospensione dell’energia di rete. Se dovesse mancare l’energia, il sistema automaticamente riparte dalla posizione giusta senza intervento umano. Guidafili: il filo si rinnova continuamente avanzando sotto tensione meccanica costante in modo da evitare conicità, segni di lavorazione, rotture di filo e tracce di vibrazione. Esistono numerosi tenditori posizionati in vario modo per dare e controllare la giusta tensione: funzionano come un “volano” per proteggere la zona di lavoro da disturbi possibili dovuti all’avanzamento del filo. All’attraversamento del pezzo il filo ha guide di zaffiro o di diamante. Esistono meccanismi di reinfilamento automatico del filo dopo la rottura, il che incrementa molto la produttività e consente alle macchine di lavorare senza intervento umano. Diametri del filo:- 0,15 ÷ 0,30 mm per ottone - 0,03 ÷ 0,15 mm per acciaio al molibdeno

17 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali La maggior parte delle scariche si ha sulla superficie anteriore del filo avanzante: questo dunque non resta a sezione circolare dopo una passata e deve essere scartato. Esistono metodi di controllo dell’angolo del filo con il piano della lastra per produrre tagli dell’inclinazione voluta. Possono ottenersi in tal modo forme complicatissime come strutture a generatrici inclinate e con sezioni quadrate in alto e circolari alla base. Sorgente di potenza: la più grande differenza rispetto all’elettroerosione a tuffo è la frequenza molto più elevata degli impulsi, dell’ordine del MHz, il che assicura che ogni scintilla asporti meno materiale possibile, riducendo le dimensioni dei crateri. Le superfici sono estremamente lisce. Il filo è sottilissimo quindi può portare correnti limitate. Questi generatori di rado superano i 20 ampere. Sistema del dielettrico: si usa acqua deionizzata per- bassa viscosità, - alta refrigerazione, - alta velocità di ablazione, - nessun rischio di incendio. La bassa viscosità è necessaria per pulire un gap molto stretto. Un raffreddamento efficiente rende sottilissimo lo strato superficiale rifuso. Si può asportare molto materiale ricorrendo all’acqua nonostante la concomitante usura dell’utensile in quanto il filo non si riutilizza (è questo il motivo per cui non si usa acqua nell’elettroerosione a tuffo). La non infiammabilità è un pregio per un processo che procede senza sorveglianza.

18 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali L’alimentazione nella zona di lavoro si ha attraverso un getto orientato all’interfaccia di taglio, spesso coassialmente al filo. L’acqua viene riutilizzata dopo filtrazione e attraversamento di una cartuccia deionizzatrice che ne restaura le condizioni. Si possono aggiungere additivi antiruggine quando si devono lavorare per lunghi periodi pezzi di acciaio. Parametri di processo La velocità lineare è legata allo spessore del materiale in lavorazione e non alla forma del taglio, esempio: 38 ÷ 115 mm/h in acciao spesso 25 mm, 20 mm/h in acciaio spesso 76 mm Velocità assiale del filo: 8 ÷ 42 mm/s Gli inserti di carburo sinterizzato per utensili si lavorano con la più bassa tensione elettrica possibile per evitare elettrolisi con ablazione selettiva del legante cobalto.

19 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Parametri di taglio

20 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Capacità di processo Ottime finiture superficiali, opache a causa dei piccolissimi pozzetti lasciati dalle scariche. Questi hanno attitudine a trattenere il lubrificante il che incrementa la durata di sistemi matrice-punzone. Ordinariamente si arriva a rugosità 0,12 ÷ 0,25 μm; finiture migliori arrivano a 0,05 ÷ 0,12 μm, ottenute a velocità di 380 mm/h. Si ottengono precisioni dell’ordine di ± 0,007 mm; e con rigorosi controlli sull’uniformità del diametro del filo e su temperatura e resistività del delettrico, si arriva a ± 0,0025 mm. Le matrici di tranciatura fine e gli elettrodi per elettroerosione a tuffo sono esempi di parti prodotte con tecniche di elettroerosione a filo. Il raggio interno minimo prodotto è limitato solo dal diametro del filo. Gli angoli esterni possono prodursi con raggi del filo dell’ordine di 0,038 mm. Per produrre spigoli vivi si ricorre al seguente accorgimento: spigolo smussato spigolo vivo

21 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali principali componenti della macchina tipi di lavaggio usura utensile Elettroerosione a tuffo

22 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Parametri che caratterizzano il fenomeno- frequenza della scarica - corrente della scarica Più alta è l’energia della singola scarica (cioè a parità di frequenza la corrente media) più cresce la grandezza dei crateri. L’effetto complessivo è aumento della velocità di lavorazione, peraltro a spese della finitura superficiale. Aumentare la frequenza delle scariche anche di molto (diminuendone più o meno forzatamente il contenuto energetico) non compensa dal punto di vista della velocità di ablazione. Correnti: 0,5 ÷ 400 ampere Tensioni: 40 ÷ 400 V Frequenza: 180 Hz (sgrossatura) molte centinaia di kHz (finitura) Durata scariche: più è alta più cresce la velocità di ablazione, più calano la finitura superficiale e l’usura dell’utensile.Si va da pochi μs a parecchi ms. Gap: 0,012 ÷ 0,05 mm; minore è maggiore è le precisione, più lenta la lavorazione, più difficile la pulizia.

23 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Relazioni parametri / risultati

24 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Zona termicamente alterata Lo strato risolidificato è estremamente duro e fragile e viene eliminato meccanicamente o elettrochimicamente se si teme la fatica.

25 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Grandezze fisiche di interesse

26 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Vantaggi L’elettroerosione a tuffo lavora tutti i materiali conduttori indipendentemente dalla loro durezza. Pratica fori a sezione qualsiasi. Con opportuni moti relativi elettrodo-pezzo possono praticarsi forature ad asse circolare e ad elica cilindrica o conica a passo costante. È inoltre possibile realizzare simultaneamente piccolissimi fori di grande precisione, anche a sezioni differenti. Non esistendo contatto fisico tra utensile e pezzo si possono praticare fori ad asse inclinato anche di più di 20° su superfici di qualsiasi forma (una punta elicoidale inclinata rischierebbe lo sbandamento). La conicità nascente dall’usura dell’utensile viene estremamente ridotta, qualora necessario, utilizzando elettrodi distinti per sgrossatura, semifinitura e finitura. Per piccoli fori si limitano le conicità a 30 a 1 su spessori di 50 mm: con pulizia controllatissima del dielettrico a rapporti 100 a 1. A seconda dei parametri di taglio (potenza, dielettrico, materiale dell’elettrodo) la velocità di ablazione varia da 0,016 a 1,6 cm 3 /h. Vengono lavorati pezzi temprati senza distorsioni e pezzi fragili senza romperli. Il processo non dà bave. Riesce a realizzare forme anche intricate con un’unica lavorazione. Con l’elettroerosione è possibile realizzare anche il processo di rettifica.

27 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Svantaggi L’applicazione dell’elettroerosione si limita a materiale conduttori. Velocità di ablazione relativamente bassa. Logoramento (anche se di modesta entità) degli elettrodi. Presenza di zona fusa e termicamente alterata sul pezzo. Flessibilità relativamente bassa qualora fosse necessario cambiare rapidamente la forma di una cavità. Necessità di molto tempo per produrre elettrodi di forma complicata.

28 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Sistemi di controllo L’elettroerosione, vista anche la lunga durata della lavorazione, deve poter essere svolta anche senza presidio dell’operatore. Sono quindi necessari svariati accorgimenti per evitare danneggiamenti e interruzioni. La sorgente di potenza reca sensori che percepiscono la tensione elettrica elettrodo-pezzo. Esiste una relazione tra la tensione e l’entità del gap che deve essere mantenuta costante nel corso della lavorazione, durante l’avanzamento dell’elettrodo. Durante la lavorazione occorre controllare tutti i parametri operativi: in caso di cortocircuito tra gli elettrodi il servomeccanismo fa retrocedere l’utensile evitando danneggiamenti; in caso di mancanza di scariche per un certo tempo l’utensile viene fatto avanzare fino a raggiungere la distanza utile perché la lavorazione proceda. in caso di rottura del filo può essere previsto un sistema di infilaggio automatico. pulizia dell’elettrodo (sistemi di filtraggio) Esistono anche circuiti limitanti protettivi che si attivano ad esempio in caso di innesco di arco tra gli elettrodi, predisponenti la sospensione dell’erogazione di potenza e l’invio di un segnale di avvertimento all’operatore.

29 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Rettifica con elettroerosione Mola di grafite: elettrodo sempre a polarità negativa. Zona di lavoro immersa in olio fluente al moto del quale contribuisce anche la rotazione della mola. Problemi di accumulo di detriti praticamente assenti. Frequenza: da 50 fino a Hz, per le migliori finiture. Processo adatto per sezioni sottili e materiali fragili. Attrezzatura:- sorgente di potenza con presenza di condensatore. - sistema di erogazione e filtrazione del dielettrico: tutto come in EDM convenzionale. - movimento, montaggio mole e aspetto macchina come nelle rettificatrici convenzionali. - servosistema: mantiene dinamicamente la costanza del gap. - mole: grafite di bassa qualità (diametri 100 ÷ 305 mm, larghezza 152 ÷ 0,25 mm)

30 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Il ricorso al vecchio circuito di Lazarenko dovuto alla relativa scarsa importanza dell’usura della mola, facilmente rigenerabile con dispositivi automatici, vincola l’estensione del gap alla tensione e quindi alla corrente. Più grande è il gap, più cresce la corrente, peggiore è la finitura superficiale (energia di scarica = 1/2 c Vs 2 ) Corrente: 0,5 ÷ 200 ampere; tensione: 40 ÷ 80 V. Velocità di rotazione della mola: durante la rettifica le mole di diametro maggiore vanno a 125 giri/min. le velocità in superficie valgono 30 ÷ 183 m/min. in rigenerazione le mole vanno a 600 giri/min. Il ciclo è estremamente ripetibile: si può prevedere la durata del ciclo in minuti: Tc = V / k I in cui:V = volume asportato [cm 3 ] I = corrente [ampere] k = costante che vale 0,016 cm 3 /min ampere per l’acciaio e 0,004 cm 3 /min ampere per il carburo. Per materiali estremamente duri il procedimento è del 200 ÷ 300% più veloce della rettifica con diamante. Si ottengono precisioni di ± 0,0025 mm, finiture di 0,2 μm su carburo e 0,3 μm su acciaio; per mole di forma il rapporto di conicità, se richiesto, arriva a 10 a 1.

31 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Abrasive Jet Machining (AIM) - Sabbiatura Asportazione di materiale per azione abrasiva di una corrente focalizzata di gas che trasporta micro- particelle abrasive (velocità del gas fino a 300 m/s). L’azione abrasiva effettua tagli, incisioni, puliture, sbavature, levigature e forature. L’ablazione avviene per truciolamento, efficace su materiali duri e fragili come vetro, silicio, tungsteno e ceramici. Inadatto per materiale “resilienti”. L’assenza di vibrazioni dovute al caricamento uniforme del pezzo da parte di una grande quantità di piccole masse abrasive consente di produrre dettagli intricatissimi in oggetti fragilissimi.

32 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Attrezzatura Propulsione del gas Sistema di misura e dosaggio Sistema di distribuzione dell’abrasivo sul pezzo Sistema di raccolta dell’abrasivo Gas impiegati Azoto Aria CO2 (ossigeno non impiegato per il rischio di incendi) Ugelli Tipicamente in WC o zaffiro, rotondi o rettangolari; sezioni dell’ordine di alcuni mm 2. Se l’ugello si usura la corrente si allarga e il materiale si danneggia in quanto aggredito al di là dei confini del taglio. Maschere Si usano maschere per controllare i debordamenti o produrre fori grandi e dettagli intricati senza muovere l’ugello e tracciare la forma. La maschera viene prodotta con aree aperte dove si desidera l’ablazione: il getto aggredisce solo le aree scoperte. Le maschere sono di gomma o di metallo; quelle di gomma dettagliano poco i particolari ma durano di più.

33 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Abrasivi Vengono impiegati: allumina (Al2O3) carburo di silicio (SiO3) vetro in palline o macinato (per pulizie pesanti o pallinature) bicarbonato di sodio (NaHCO3) (per operazioni leggere di pulitura, taglio e sbavatura di materiali teneri: rimane una superficie senza graffi; teme l’umidità) Dimensioni degli abrasivi: μm. Le più piccole per levigare e pulire, le più grandi per tagliare e pallinare. L’abrasivo non si riutilizza in quanto trucioli uscenti dal pezzo intasano l’ugello e perché l’azione di taglio degrada le particelle. Parametri di processo Stand-off distance Portata di abrasivo Pressione del gas Tipo di abrasivo Capacità di processo Basse velocità di ablazione, dell’ordine di 0,016 cm 3 /min Fenditure strette da 0,12-0,25 mm si producono controllando l’espansione del taglio aldilà dei limiti e usando ugelli rettangolari. L’acciaio e il vetro sono tagliati molto lentamente e con forte conicità.

34 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Velocità di asportazione in funzione dello stand-off: il flusso è disturbato se l’ugello è troppo vicino, perde energia se questo è troppo lontano. Allargamento del fascio in funzione dello stand-off Velocità di asportazione in funzione della portata di abrasivo: al crescere della portata si ha dapprima un aumento di velocità di ablazione, quindi una diminuzione dovuta al fatto che l’energia cinetica della singola particella diminuisce, dovendo il sistema accelerare una massa maggiore di materiale a parità di potenza.

35 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Velocità di asportazione in funzione della pressione dell’ugello: l’aumento della pressione provoca un aumento della velocità delle particelle, che influisce sulla velocità di ablazione in misura inferiore a quello che darebbe un aumento del numero di abrasivi (portata). Velocità di asportazione in funzione della granulometria della polvere: maggiori sono le dimensione del grano di abrasivo, più velocemente viene asportato il materiale. Nota: la portata ottimale per tutte le polveri è intorno ai 10 grammi/min.

36 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Water-jet Per water jet si intende la lavorazione ottenibile sfruttando l’energia cinetica di una getto d’acqua in pressione, uscente a velocità supersonica. Si distinguono due casi: 1. Getto d’acqua pura: il meccanismo di lavoro si fonda sull’impatto del fluido sul pezzo. Tecnologia adatta per lavorare materiali soffici (pelle, gomma, tessuti, carne, carta, polistirolo, etc.). 2. Getto additivato con abrasivi: il meccanismo di lavoro si fonda sull’abrasione praticata dalle particelle di abrasivo che si compone con l’azione dell’energia cinetica del fluido. Tecnologia adatta per lavorare materiali duri (vetro, ceramiche, metalli, compositi, pietra, etc.). Con il WJ è possibile effettuare lavorazioni di taglio (tornitura, fresatura e foratura) e trattamenti superficiali (pallinatura). P M W U T C S P: pompa intensificatore M: motore S: accumulatore T: tubazione U: ugello W: pezzo C: catcher

37 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Pompa / intensificatore: si tratta di una pompa alternativa a doppio effetto caratterizzata da alta prevalenza (400 MPa) piccola portata (1-2 l/min) La pressione dell’acqua viene aumentata fino a 40 volte, nel rapporto delle aree dei due cilindri, quello pieno d’olio e quello pieno d’acqua: (Po x Ao)/Aa = Pa Tenuto conto del funzionamento alternativo del sistema che fornisce acqua, per evitare pulsazioni è necessario prevedere un accumulatore in alta pressione che riduce le oscillazioni di portata contenendole entro ± 5%. Getto d’acqua pura Tubazioni: l’acqua è portata dalla pompa all’ugello attraverso tubazioni atte a reggere le forti pressioni. I tubi vengono costruiti flessibili in modo da poter essere avvolti a molla per motivi di trasportabilità.

38 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Ugello: per dare proprietà coesive al getto, gli ugelli vengono progettati con forme interne brevettate da costruttore a costruttore. Esternamente i fori vanno da 0,07 a 0,5 mm. Materiale: zaffiro sintetico (facilmente lavorabile). Gli ugelli possono andare fuori servizio se incisi da particelle trasportate dall’acqua o per intasamento da depositi minerali. La durata media è di ore se l’acqua viene filtrata a 1 μm e demineralizzata. Catcher: si tratta di un bacino tubolare per la raccolta dell’acqua, di lunghezza sufficiente per consentire che il getto si rompa completamente prima di raggiungerne il fondo. Se la lunghezza fosse fastidiosa, si può impiegare un catcher corto che utilizza un inserto duro sostituibile in grado di reggere l’urto del getto e di romperlo rapidamente. Il catcher risolve anche il problema del rumore.

39 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Parametri di processo Pressione Portata Diametro dell’ugello Stand-off Velocità trasversale Il processo si fonda su quanto esprime l’equazione di Bernoulli per moto a regime di fluidi incomprimibili: p / ρ = v 2 / 2 p = pressione all’interno dell’ugello ρ = densità del fluido v = velocità del getto La portata in volume può esprimersi con la:Q = 24 C D D 2 [0,22 p / ρ] 1/2 (C D = coeff. di orifizio) Lo stand-off è il meno critico dei parametri: si va da meno di 25 mm e si raggiunge l’ottimo a 3 mm. Entro i 25 mm, cambiando poco la forma del getto, lo stand-off può considerarsi un parametro fisso. Riguardo a pressione, diametro d’ugello e velocità trasversale, c’è differenza secondo materiale e spessore tagliati: in genere, crescendo la potenza del getto cresce l’attitudine a tagliare spessori più grandi o più velocemente. Questo si ottiene accrescendo la pressione e il diametro dell’ugello o diminuendo la velocità trasversale.

40 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali La figura mostra le relazioni tra diametro d’ugello, pressione, portata e potenza della pompa con C D = 1 (il valore tipo per diamante o zaffiro è 0,7). Capacità di processo I materiali tagliabili devono essere:porosi, fibrosi, granulari, soffici. Le velocità di taglio sono estremamente alte, tali da mettere fuori gioco macchine a CNC. Quando succede si aumenta lo spessore ricorrendo al taglio multistrato, abbassando così la velocità di taglio; oppure l’ugello viene mosso da un attuatore a eccentrico. Non c’è bisogno di preforo di avviamento per i tagli: è possibile taglio onnidirezionale, di forme complesse, praticamente con qualsiasi raggio. La larghezza di taglio è di circa 0,025 mm più grande del diametro dell’ugello. Materiali troppo spessi per essere tagliati con una sola passata possono essere soggetti a passate multiple senza degrado della qualità del taglio. Buona finitura dei bordi del taglio. Non ci sono bave. Le tolleranze sono funzione di materiale e spessore. Di solito ± 0,1-0,2 mm. Applicazioni tipiche: denudamento dei cavi elettrici e sbavatura.

41 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Vantaggi Non ci sono utensili da riaffilare Piccolo spessore di taglio Facile automazione Taglio onnidirezionale Processo senza polvere Alte velocità di taglio (quindi elevata produttività) Assenza di ZTA Svantaggi Costi non trascurabili Non adatto a metalli duri e non porosi Materiali fragili possono rompersi Si deve trattare l’acqua contaminata prima di gattarla via Rumore e alte pressioni esigono considerazioni di sicurezza

42 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Getto con abrasivi L’AWJM (Abrasive Water Jet Machining) combina i vantaggi delle due lavorazioni viste in precedenza. Utilizza un getto d’acqua che porta in sospensione particelle d’abrasivo producendo una fanghiglia tagliente. L’ugello opera a pressioni fino a 400 MPa e il fluido esce a 915 m/s. Una corrente di piccole particelle abrasive è introdotta e trascinata nel getto d’acqua (trasferimento di quantità di moto): si forma un getto coerente atto a tagliare materiali duri con spessori fino a 20 cm. Si attivano due meccanismi di ablazione: 1. Avviene all’inizio del taglio dove l’angolo di impatto dell’abrasivo è piccolo e il materiale è asportato soprattutto con meccanismi erosivi. 2 Avviene più in profondità, dove l’angolo di impatto cresce: il principale meccanismo di ablazione diventa usura-deformazione. Probabilmente l’attitudine del getto a penetrare materiali molto spessi è dovuta al ricoinvolgimento nel getto di particelle d’abrasivo dopo gli impatti iniziali in cima al taglio.

43 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Attrezzatura Il motore e la pompa lavorano a potenze e prevalenze leggermente maggiori che nel caso di getto d’acqua pura. I sistemi di alimentazione dell’abrasivo devono operare a portata costante controllata con precisione: per controllare la portata si deve dimensionare l’orifizio di controllo. In ogni caso il trasporto di abrasivo secco su lunghe distanze dà problemi: sarebbe più semplice movimentare fanghiglia preformata, ma questi sistemi sono ancora in via sperimentale. L’ugello deve mescolare con efficienza abrasivo e getto d’acqua. Tenendo conto che la distribuzione di velocità del fluido prevede un massimo nella zona centrale e valore praticamente nullo alle pareti, si possono avere due casi: 1. L’abrasivo è distribuito lateralmente e quindi tende a rimanere nelle zone più lente del getto. Ciò implica non solo un minore contenuto energetico degli abrasivi, ma anche maggiore logoramento del focalizzatore (realizzato in WC o B4C3). 2. L’abrasivo è iniettato al centro del getto e quindi tende a rimanere nella zona più veloce. Ciò assicura un maggior rendimento della lavorazione e una minore usura del focalizzatore. D’altra parte questo tipo di ugello è di difficile costruzione data la criticità della scelta dell’angolo di convergenza; ciò si traduce in costi più elevati.

44 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Rispetto al getto d’acqua pura, il catcher in questo caso è rivestito di materiali opportuni (ceramici) per resistere all’impatto degli abrasivi. Quando si usano ugelli mobili per tagliare pezzi grandi si mette sotto al pezzo un grosso recipiente pieno d’acqua che cattura quanto resta del getto e aiuta a attutire il rumore. Tubi flessibili ad alta pressione sono necessari per trasportare l’acqua a 241 MPa dalla pompa all’ugello. Parametri di processo La figura sintetizza i parametri di processo. Le relazioni tra l’uno e l’altro sono tutte empiriche. Acquaportata pressione Abrasivoportata materiale granulometria Ugellogeometria SODlunghezza Pezzomateriale profondità di taglio

45 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Nel caso di taglio passante: H max pressione portata abrasivo ↑ diametro ugello ↑ portata abrasivo velocità avanzamento H max diametro focalizzatore SDO potenza getto pressione costante

46 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Fig. 1La pressione del getto va quasi linearmente con la profondità ma per quanto la portata in abrasivo e il diametro d’ugello possano variarsi, le curve convergono tutte verso una zona di origine (pressione critica minima). Per ogni specifico materiale esiste infatti una velocità minima per poter tagliare. Fig. 2All’aumentare della portata di abrasivo, inizialmente prevale il contributo dell’aumento del numero dei grani attivi, potendo questi essere tutti accelerati come dovuto; successivamente un aumento eccessivo dei portatori conduce alla diminuzione della velocità del getto per l’impossibilità di trasferire la richiesta quantità di moto a tutte le particelle a parità di potenza. Fig. 3Come era da attendersi la profondità di taglio diminuisce all’aumentare della velocità di avanzamento. Tuttavia esiste una velocità minima critica al di sotto della quale non si ottiene alcun aumento di profondità di taglio. Fig. 4Anche in questo caso il diagramma prevede un massimo: inizialmente all’aumentare del diametro diminuiscono le perdite di carico, dando luogo ad una lavorazione più efficiente. Tuttavia, per un diametro troppo grande, la zona investita dal getto diventa troppo ampia e quindi diminuisce l’energia per unità di superficie. Fig. 5Per SDO troppo basso c’è disturbo dell’efflusso, per SDO troppo alto c’è defocalizzazione e aumento di area investita dal getto. Fig. 6Ovviamente all’aumentare della potenza, a parità di pressione, cresce la portata d’acqua (ovviamente dopo un opportuno allargamento dell’ugello) e ciò implica un aumento dello spessore tagliato. Nota: considerazioni opposte a quelle appena fatte per il taglio passante sono necessarie per realizzare fori ciechi, ottenendo la fresatura con WJ. In questo caso, data il totale rimbalzo del getto, è necessario prevedere una opportuna inclinazione dello stesso.

47 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Osservazioni: I segni di lavorazione sul pezzo mostrano la combinazione della velocità dell’abrasivo con quella di traslazione del pezzo: questa è molto inferiore alla prima ed è evidente soprattutto alla fine del taglio quando il getto ha perso gran parte dell’energia cinetica. L’inclinazione delle pareti del taglio è funzione della durezza del materiale: materiali duri presentano conicità aperta verso l’alto, materiali teneri verso il basso.

48 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Esempi di lavorazioni con WJ

49 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Trattamenti superficiali Pallinatura R a viene modificata problemi di sicurezza ‘Pallinatura’ con WJ defocalizzazione bassa pressione portabilità trattamenti locali su macchine

50 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Lavorazioni LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Radiazione a differenti lunghezze d’onda a seconda del materiale eccitato. Applicazioni - taglio - saldatura - TT - alligazione superficiale e riporti - marking

51 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Emissione stimolata Fisica del processo: 1.conferimento di energia da una sorgente esterna: inversione di popolazione (gli elettroni, in condizioni normali statisticamente più numerosi ai livelli energetici più bassi, si portano in prevalenza ai livelli superiori); 2.emissione di fotone quando l’atomo si diseccita, cioè cede l’energia E in esubero con caduta di un elettrone al livello originario: E = h  = h c/λ 3.il fotone così emesso colpisce un altro atomo eccitato e provoca l’emissione di un altro fotone di stessa lunghezza d’onda e quindi stesso contenuto energetico; il processo continua.. 4.due specchi posti a distanza nλ, costringono i pochi fotoni che li colpiscono con la direzione voluta a ripetere il percorso molte volte, generando sempre nuovi fotoni; si crea così un fascio di fotoni in fase fra loro (risonanza) con somma delle energie. L’energia dei fotoni non in fase o con direzione errata viene smaltita per refrigerazione (molto impegnativa).

52 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali 5. lo specchio semiriflettente fa si che parte del fascio lo attraversi per essere convogliata in opportuni dispositivi (secondo l’amplificazione del laser lo specchio di uscita può essere scelto con riflettività dal 98 al 10%); naturalmente deve rimanere nella camera un numero sufficiente di fotoni tale che il fascio non si spenga. n specchio riflettente specchio semiriflettente

53 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Caratteristiche del fascio d  r P 1.Monocromaticità: la lunghezza d’onda dipende dal tipo di mezzo attivato e condiziona l’assorbimento dell’energia: materiali diversi hanno capacità di riflettere, assorbire e/o trasparire specifiche lunghezze d’onda. Di questo si deve tener conto nella scelta dei materiali sia degli specchi sia del pezzo in lavorazione. Una lente semplice può usarsi per focalizzare e concentrare la luce laser su una macchia di diametro molto inferiore rispetto alla luce bianca, risultandone un’intensità molto più alta. 2.Coerenza spaziale: i laser si collimano secondo raggi che spesso divergono di angoli minori di 1-2 mrad: questo influisce sul raggiungimento di intensità elevate sul pezzo. legge di Lambert d = a r --> W 3.Coerenza temporale: mentre la luce ordinaria non è coerente, la luce laser, in seguito all’intervento degli specchi tra i quali è confinato il risonatore è costituita da fotoni tutti in fase fra loro. Le intensità si sommano e si raggiungono più alte intensità focalizzate sul pezzo che se si focalizzasse luce ordinaria. Tutte le onde interagiscono con il materiale nello stesso istante presentandogli i loro punti di massimo o di minimo

54 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali 4.Intensità luminosa: è estremamente elevata a causa della direzionalità del fascio luminoso. Percepiamone la differenza rispetto all’intensità prodotta da una lampadina da 100 W a distanza di 1 m illuminante un oggetto con densità di potenza di solo 0,0008 W/cm 2 : emettendo essa in tutte le direzioni, solo una piccolissima parte è intercettata da un oggetto. Per contro a distanza di 1 m un laser da 100 W con diametro di fascio di 1 cm dà densità di potenza di 127 W7cm 2 e se focalizzato e concentrato con una lente fino a dare una macchia di diametro 0,127 mm, la densità di potenza arriva a più di 800 kW/cm 2. 5.Modalità: ogni camera laser, definita tra un opportuno sistema di specchi, è caratterizzata da una certa configurazione del campo elettromagnetico detta “modalità”. Ad ogni modalità corrisponde una particolare distribuzione dell’energia sulla sezione normale del raggio laser; si distingue tra: - distribuzione monomodale: gaussiana in 3D (simmetria assiale); - distribuzioni multimodali: ottenute con un adeguato uso di specchi, prismi, risonatori, guide d’onda, etc. Si tratta di distribuzioni anch’esse gaussiane ottenute “frazionando” opportunamente la distribuzione monomodale.

55 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali La convenzione generale per indicare la modalità è: TEMmn (transverse electromagnetic mode). La distribuzione monomodale corrisponde ai valori massimi di densità di energia mentre più si va verso la multimodalità (al limite verso una distribuzione rettangolare) più è ampia l’area su cui l’energia del fascio è distribuita: questo, unitamente alle tecniche di focalizzazione e alla presenza o meno di protezioni con atmosfere gassose, consentirà di effettuare lavorazioni diverse. In particolare: monomodale: energia concentrata in una piccola area taglio multimodale: energia distribuita su un’ampia area trattamenti termici, saldatura

56 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Per semplicità di trattazione, riferiamoci al caso 2D. L’area sottesa alla gaussiana (monomodale) è, per definizione, pari a 1. La distribuzione multimodale si può ottenere “scomponendo” la monomodale in un opportuno numero N di distribuzioni gaussiane, ciascuna di area 1/N. La somma di queste darà la distribuzione multimodale cercata anch’essa con area unitaria. Agendo, a parità di N, sulla varianza della monomodale, si possono ottenere per quest’ultima picchi più accentuati concentrati in un’areola piccolissima (taglio). Viceversa la multimodale si schiaccia e si allarga in modo da determinare una distribuzione quasi uniforme di energia su un’area relativamente ampia (trattamento termico).

57 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali 6.Focalizzazione: il raggio laser per essere applicato alla lavorazione di materiali deve essere focalizzato perché ne aumenti la densità di potenza alla distanza desiderata dalla sorgente. Densità di potenza e tempo d’interazione raggio-pezzo determinano il tipo di lavorazione che il materiale sperimenterà. La focalizzazione avviene con lenti di materiali che hanno basso assorbimento per le lunghezze d’onda della luce laser (vetri con gallio, seleniuro di zinco). È possibile montare lenti con diversa lunghezza focale per condizionare la localizzazione del fuoco rispetto alla superficie del pezzo da lavorare in funzione del tipo di lavorazione. In particolare è possibile portare a fusione o comunque far raggiungere valori di temperatura di picco in un ciclo termico, nelle zone interne di un materiale senza riscaldare eccessivamente le superfici: molti oggetti in commercio come curiosità tecnologica, ma soprattutto molte interessanti applicazioni mediche (miopia) si fondano su questo principio. Naturalmente può esserci anche la necessità opposta, cioè quella di intervenire su esigui strati superficiali senza condizionare il materiale sottostante: ciò è realizzato utilizzando una focale molto corta.

58 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali lunga- grossa profondità f = 0.4 mm h = 3-15 mm focale-> taglio corta - piccolo spot - piccola profondità f = 0.02 mm h = 0.5 -> alta energia specifica -> saldatura e TT

59 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Generazione del fascio laser I materiali laseranti devono consentire di produrre laser di alta potenza, affidabili e poco costosi. La selezione ha lasciato 5 materiali, 4 allo stato solido e 1 a gas: rubino neodimio/vetro alessandrite neodimio yag (granato di Yittrio e alluminio drogato con neodimio) CO2 La resistenza del materiale agli effetti termici determina se i laser possono operare in continuo (CW, continuos wave) o a impulsi: - Rubino e Nd/vetro sono a impulsi; - Alessandrite e Nd/Yag sono a impulsi o CW; - CO2 possibilità di scelta sullo stesso laser. Lunghezza d’onda della luce emessa: - Allo stato solido si usano essenzialmente i laser Nd/Yag per cui λ = 1, 06 μm. - Per i laser a CO2 λ = 10,6 μm Esistono altri tipi di laser, ad esempio quelli a eccimeri che producono energia nello specchio dell’ultravioletto.

60 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Dati relativi al funzionamento a impulsi e/o CW: - Laser Nd/Yag: frequenza 1 ÷ impulsi/sec ogni impulso contiene da 5 a 80 joule (si può arrivare a 100 joule); potenza in uscita (impulsi e/o CW): 100 ÷ 400 w - Laser CO2: potenza media per funzionamento a impulsi 100 ÷ 2000 w potenza media per funzionamento CW 250 ÷ 5000 w - Laser Nd/vetro: lavorano solo a impulsi a bassa frequenza e hanno un campo di applicazione limitato (saldatura a punti) Laser allo stato solido Tipicamente l’eccitazione è costituita da una sorgente di luce ad alta intensità: tutte le lampade sono a configurazione rettilinea o elicoidale e hanno durata limitata. I cristalli portano due specchi alle estremità delimitanti il risonatore.

61 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Laser a gas Un tubo di vetro contiene il mezzo laserante consistente in una miscela di CO2, He, N2 che percorre il tubo in flusso continuo. Eccitazione: attraverso una coppia di elettrodi si applica alta tensione elettrica al gas in modo che vi si inneschino scariche. La struttura del sistema può avere configurazioni diverse: a. Semplice tubo con flussi assiali di gas (occupa molto spazio in lunghezza). b. Tubo a multi-percorso del fascio costretto da specchi a percorrere vari tubi in parallelo. In questo caso la potenza è di 100 w per m di tubo per flussi lenti e di 600 w a metro per flussi veloci. Le potenze complessive non superano rispettivamente i 1500 e 5000 w. Operando in pulsazione le frequenze vanno da 1 a Hz.

62 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali c. Quando si vogliono laser di potenza media estremamente compatti o quando sono necessarie potenze di oltre w si ricorre a laser a CO2 a trasporto trasversale. La regione di scarica è definita da una coppia di elettrodi paralleli all’asse ottico del laser: è attraversata dalla miscela di gas. Il volume di gas nella regione di scarica, relativamente grande, è attraversato varie volte a motivo delle riflessioni indotte dagli specchi del risonatore prima che il raggio esca attraverso lo specchio di emissione. Il gas, lasciata la zona di scarica, è refrigerato in uno scambiatore di calore e reimmesso in ciclo da una soffiante. A causa del lungo cammino ottico effettivo ripiegato in uno spazio ristretto, si generano le più alte potenze effettive ottenibili in un laser continuo: 2500 ÷ w. Questi laser operano solo in continuo, sebbene sistemi di interruzione del fascio possano farlo interferire con il materiale da lavorarsi in maniera pulsata.

63 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Parametri di lavorazione potenza: erogata con continuità o a impulsi; impulsi: durata, frequenza, energia per impulso; lente focalizzante e posizione della superficie del pezzo rispetto al fuoco; oscillazioni del raggio; flusso gassoso ausiliario. Lavorazioni laser Foratura a percussione Lavorazione compiuta da un laser fermo rispetto al pezzo che invia uno o più impulsi. Prodotto: fori di diametro < 1,3 mm passanti attraverso spessori fino a 25 mm. Si arriva a fori di diametro < 0,25 mm con limitazione dello spessore del materiale. I fori ottenuti sono conici, ovalizzati con ZTA estesa fino a 0,1 mm a seconda dei parametri operativi. Può forarsi qualsiasi materiale, anche obliquamente, con ripetibilità di ± 0,025 mm o ± 10% del diametro.

64 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Si impiega quasi sempre il laser Nd/Yag che possiede la massima energia per impulso. Ogni impulso asporta un po’ di materiale: crescendo lo spessore diminuisce il campo di variabilità dei diametri possibili. L’energia è trasmessa al fondo del foro e viene riflessa verso l’esterno dalle pareti interne del foro. L’impulso in parte vaporizza e in parte fonde il materiale; il vaporizzato, sviluppandosi esplosivamente, fa uscire la maggior parte del volume del fuso in forma di goccioline. È perciò necessario che la lente venga protetta; a questo servono eventuali schermature gassose. Esiste poi il problema della formazione di un plasma metallico che assorbe molta della potenza del laser. Parametri operativi: potenza: mediamente w durata d’impulso: brevi durate possono limitare il massimo di energia di impulso; 0,5-2 ms frequenza: si sceglie per ottimizzare tra produzione e qualità; 5-20 Hz per Nd/Yag, fino 100 Hz per CO2 energia per impulso: è legata a spessore del materiale, composizione e diametro del foro. Alte energie aumentano la velocità ma peggiorano la qualità lente focalizzatrice: determina la dimensione delle macchie che corrisponde al diametro del foro per spessori sottili (< 6 mm). Crescendo lo spessore decrescono i diametri forabili a percussione. Le lunghezze focali vanno da 100 a 250 mm. La macchia focale si pone o sopra o sotto il livello della superficie del pezzo, più spesso dal 5 al 15% sotto la superficie del foro. I fori ottenuti si valutano in base a: rotondità, conicità, zona rifusa, microcricche. flusso gassoso: può essere o no presente; in assenza occorre proteggere la lente in altro modo. L’ossigeno, che ha reazione esoterma con molti metalli, aiuta l’efficienza di ablazione. L’ugello è caratterizzato da un diametro di orifizio di 2,5-6 mm con distanza dalla superficie 4-40 mm.

65 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Taglio di cavità passanti (carotaggio di fori) Oltre diametri di 1,2 mm l’eccessiva defocalizzazione, diminuendo la densità di potenze, rende impossibile forare a percussione. Si deve quindi carotare usando laser Nd/Yag o CO2 con funzionamento sia CW che pulsato. La velocità di taglio diminuisce al crescere dello spessore da tagliare. Il carotaggio viene realizzato facendo spazzare al raggio un percorso circolare sul pezzo, cosa possibile se gli assi del fascio e della lente non sono allineati (la traiettoria circolare viene realizzata inclinando la lente e non spostando il braccio del laser): il sistema arriva a carotare fori con rapporto lunghezza/diametro 20 a 1. I fori, virtualmente privi di conicità, sono ripetibili entro ± 0,025- 0,05 mm; durata del ciclo: da frazioni di secondo a 20 s. Fori di diametro > 20 mm o di sezione non rotonda si producono con tecniche di CNC: è possibile qualsiasi percorso generando cavità passanti di qualsiasi forma. Impossibile viceversa generare cavità cieche nei metalli, dato che la maggior parte del materiale, asportato allo stato fuso, deve essere espulso attraverso il foro. Al contrario molti materiali organici e ceramici vaporizzano completamente e consentono la “fresatura” di forme intricate.

66 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Il taglio combina il laser con un getto di gas ad alta velocità per vaporizzare (nella maggior parte dei non metalli) o fondere (metalli) per asportare velocemente il materiale senza forze di contatto. Per tutti i tipi di taglio di cui si è presentata la cinematica il fascio è diretto a un sistema ottico che ospita la lente focalizzante e un sistema coassiale a getto di gas. Principali gas impiegati: Ossigeno O2 per tagliare metalli molto ossidabili: ossitaglio assistito. Il calore è fornito dal laser che scalda il materiale il quale si ossida con reazione esotermica: si forma ossido di ferro che fonde a bassa temperatura e sostiene la reazione. Con basse potenze si ottengono alte velocità di taglio. I bordi restano ossidati e la zona termicamente alterata è particolarmente spessa. Comunque è la tecnica più veloce di procedimento. velocità bassa velocità uguale a velocità di ossidazione

67 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Aria: contiene solo il 20% di O2 per cui si procede a velocità minore. Argon: quando si vogliono evitare contaminazioni sulle superfici tagliate, fatto importante soprattutto in vista di successive saldature o brasature. Osservazione: lavorando in CW si procede più velocemente che con gli impulsi a prezzo di maggiori effetti termici e distorsioni. Parametri operativi: Potenza. Siamo ai massimi livelli: il valor medio è funzione del tipo di laser e della velocità massima di taglio che consenta di non uscire di tolleranza. Con laser a gas in CW si va da 250 a 5000 w. Nel sistema pulsato a CO2 si va da 100 a 2000 w: sono sufficienti potenze minori perché il taglio è sostenuto dai più alti picchi istantanei di potenza. Con laser Nd/Yag si va da meno di 100 a più di 400 w. Impulsi. Si hanno durate da meno di 0,75 ms a 2 ms. Frequenze. Con laser a CO2 200–500 Hz; con Nd/Yag Hz. Energia per impulso. È tanto più alta quanto maggiore è lo spessore da tagliare. I laser a CO2 alle maggiori durate e minori frequenze arrivano a 2 joule a impulso; quelli Nd/Yag arrivano a 80 joule a impulso. Scelta della lente. Maggiore è lo spessore, maggiore è la lunghezza focale; maggiori lunghezze focali si adottano anche quando la densità di potenza cade al di sotto del livello necessario per superare gli effetti della riflettività superficiale. Getti di gas. Flussi coassiali aiutano l’asportazione del fuso e proteggono la lente. Variabili: tipo di gas, pressione, geometria dell’ugello e distanza dalla superficie lavorata (molto piccola con laser CO2).

68 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Velocità massima di taglio. Tempo vaporizzazione

69 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Saldatura Processo:- in genere autogeno - basse distorsioni - alte velocità - per punti o continua La saldatura continua si può fare anche con laser a impulsi, purchè dotato di alta velocità di ripetizione. Per saldature a punti vanno bene tutti i laser, anche quelli a rubino e a Nd/vetro (cioè quelli a minor potenza). La scelta di attrezzature e parametri operativi si conduce in base a: tipo di materiale, spessore, disegno del finito. Profondità di penetrazione/velocità per laser CW o pulsato Profondità di penetrazione/velocità per diverse potenze

70 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali È necessaria una preparazione molto precisa dei lembi da saldare: l’intercapedine è minore del 5% dello spessore. Si protegge la zona di saldatura con gas inerti per evitare l’ossidazione. Secondo i parametri operativi scelti, le saldature laser avvengono con 2 meccanismi base: 1. Conduzione. Analogia con le saldature ad arco. I laser impiegano densità di potenza relativamente basse e la profondità di saldatura è limitata dalla conduzione termica: al massimo 2,5 mm. 2. Penetrazione. I laser sono di alta potenza, sufficiente a vaporizzare con efficacia il metallo. Si forma un piccolo canale a pareti fuse in corrispondenza del giunto (key hole): è tenuto aperto dalla pressione del vapore mentre il raggio attraversa il pezzo. Così l’energia del laser non resta in superficie. Nella parte superiore del key hole si forma una nube di plasma metallico che ha pesanti capacità di assorbimento dell’energia del fascio. Il flusso gassoso deve asportarlo. Appena il raggio è uscito dal pezzo le pareti fuse collassano e solidificano formando il nucleo di saldatura. Si arriva ad attraversare oltre 50 mm di acciaio. Il processo produce una ZTA molto limitata. Il fenomeno descritto (key hole) avviene anche nel taglio.

71 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Parametri operativi: Potenza. Determinante per la penetrazione massima. Maggiore per laser a CO2. si può procedere a impulsi o CW. Impulsi. La durata è scelta per raggiungere la fusione e controllare la velocità di raffreddamento: impulsi più lunghi riducono le tensioni di solidificazione rallentando la velocità di raffreddamento, cosa importante nelle leghe sensibili ai cretti. Laser a CO2 da meno di 0,5 ms a 5 ms. Laser Nd/Yag da 5 a 10 ms. Frequenza. Determina la velocità di processo e di raffreddamento e la percentuale di ricoprimento: questa varia dal 40 al 70 % per saldature ermeticamente sigillanti. Energia per impulso. È minore che nel taglio: frazioni di joule per laser CO2, parecchi joule per Nd/Yag. Lente. Le considerazioni riguardano: - la densità di potenza per la penetrazione voluta, - tipo di giunto, - preparazione dei lembi, - tecniche di schermatura e protezione della lente. Una scadente preparazione dei lembi o allineamenti critici si aggiustano con distanze focali più lunghe. Queste sono anche consigliate quando ci sono spruzzi di metallo, a scopo di protezione.

72 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Nota: confronto costi saldatura Oscillazioni del raggio. Piccole oscillazioni circolari o lineari superano problemi di cattivo accostamento dei lembi e sono utili per produrre saldature con “rapporto di forma” basso (uniforme larghezza del nucleo). L’oscillazione si usa anche quando la saldatura è eterogena con materiale d’apporto in forma di fili, polveri o preformati che fanno ponte nell’intercapedine. Getto di gas. È importantissimo per proteggere la lente dagli spruzzi e per proteggere la pozza di saldatura dall’atmosfera. Gli ugelli hanno orifizi da 2,5 a 6,4 mm e la distanza dalla saldatura è 3,2-9,5 mm. Quando getti coassiali potrebbero causare l’interferenza con l’ottica focalizzante o con il pezzo si usano getti incrociati. La pressione del gas è bassa: kPa per non squassare la pozza di saldatura. Le tecniche di schermatura sul retro della saldatura sono uguali a quelle di saldatura all’arco.

73 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Marchiatura Impiega un laser a rapida pulsazione ad alta potenza di picco, munito di sistema scandente a controllo computerizzato. Il fascio scandisce muovendosi sul pezzo, facendo vaporizzare il metallo e formando una serie di piccoli fori ciechi sovrapponentesi i quali generano gole a fondo liscio che fanno identificare lettere e simboli. Per assicurare che il materiale sia asportato completamente e minimizzare il danno termico si usa il metodo di “interruzione a Q”: si dà densità di potenza adeguata per far sublimare il metallo attraverso impulsi che durano solo nanosecondi. Un microcalcolatore controlla il posizionamento del laser e la temporizzazione degli impulsi. Si usa di solito laser Nd/Yag a livelli medi di potenza (20-75 w) e si procede in modo pulsato (frequenza Hz). Viene impedito il ricorso a gas protettivi data l’impossibilità di usare ugelli (data la difficoltà costruttiva introdotta dal sistema galvano- ottico impiegato per indirizzare il raggio). Flussi di gas possono essere inviati lateralmente: - l’ossigeno per esaltare i contrasti (tenuto conto dell’ossidazione); - un gas inerte, impedendo l’ossidazione, genera caratteri brillanti e luminosi.

74 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Trattamento termico superficiale Sono possibili ricotture e tempre. Ricottura: il materiale viene scaldato da un fascio, con la voluta distribuzione energetica e animato da opportuna velocità, al di sotto della temperatura di liquidus; a ciò segue un raffreddamento a velocità controllata il che consente di ottenere microstrutture più tenere. Elevare la potenza non aumenta la profondità del trattamento ma la superficie trattabile con una singola passata. Si opera di solito con un laser a CO2 CW. Tempra: si scalda sotto la temperatura di liquidus e si raffredda rapidamente: il trattamento avviene praticamente senza distorsioni facendo ottenere uno strato temprato profondo fino a 2 mm su acciai con contenuto di C maggiore dello 0,3%. Il laser è defocalizzato fino a densità di potenza di w/cm 2 e attraversa la superficie a velocità sufficiente per non determinare fusioni. Il riscaldamento avviene a velocità di gradi al secondo; il calore è condotto sotto il raggio in un volume finito e sottile che si raffredda rapidamente per conduzione del calore attraverso gli strati inferiori.

75 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Viene raggiunta le temperatura critica di tempra con formazione di austenite; la condizione di regime tra calore immesso e asportato dura 0,01-0,6 s. Quando il raggio si è allontanato si ha autoraffreddamento dello strato per conduzione nel substrato freddo a velocità di gradi/secondo, il che produce dura microstruttura martensitica. Al crescere della densità di potenza si riduce l’attitudine del processo ad andare in profondità in quanto il gradiente di temperatura diventa più ripido dovendosi limitare la temperatura della superficie per evitare fusione; ne deriva che il raggio deve procedere più velocemente. Si usano laser a CO2 la cui lunghezza d’onda viene altamente riflessa dalle superfici di metallo puro. Per massimizzare l’assorbimento si devono coprire le superfici con sostanza assorbenti di colore tendente al nero: spesso grafite colloidale. Il trattamento termico è la sola lavorazione con laser a esigere questi rivestimenti. Vantaggi: - si possono effettuare tempre localizzate in tempi brevissimi; - il rapidissimo raffreddamento determina durezze leggermente superiori rispetto ai processi ordinari; - le distorsioni sono minime e non vi è necessità di lavorazioni post-finitura. Svantaggi:- gli ugelli per erogare gas schermanti devono essere refrigerati ad acqua. Le potenze impiegate vanno da 20 w a oltre 10 kw con modifiche del profilo di intensità del fascio per avere la voluta distribuzione di potenza.

76 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Rivestimenti superficiali Un raggio defocalizzato con gas schermante si usa per fondere e depositare selettivamente leghe speciali sulle superfici di pezzi che debbano essere protetti in zone ristrette da corrosione e/o usura (non conviene rivestirli completamente per motivi economici). Il laser fonde rapidamente polveri, fili o inserti preformati, facendoli diffondere sulla superficie e controllando il variare nel tempo dei gradienti spaziali di temperatura; ciò rende possibile il controllo della distorsione del pezzo e della diluizione del materiale rivestente. A volte il trattamento è fatto per aggiungere sulla superficie del pezzo una certa quantità dello stesso materiale al fine di alterare o ripristinare (riporti o ricariche) le dimensioni del pezzo. A volte il laser non aggiunge nulla ma porta semplicemente a fusione lo strato superficiale: questo per eliminare difetti superficiali e modificare le microstrutture. Le potenze sono dello stesso ordine di grandezza dei trattamenti termici. Spesso si opera in camere a gas inerte; a volte è necessario preriscaldare con lampade ad arco materiali sensibili alle cricche per ridurre la velocità di raffreddamento. Gli ugelli, refrigerati ad acqua, possono incorporare meccanismi distributori di polveri.

77 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Formatura Si possono distinguere due casi: 1. Laser in movimento: un laser defocalizzato percorrendo la superficie di una lamiera, ne scalda gli strati superiori inducendo un gradiente termico attraverso lo spessore con conseguente variazione di lunghezza e di resistenza meccanica. Per la congruenza alla deformazione si generano tensioni che, in corrispondenza alle zone più calde (più deboli) possono indurre deformazioni plastiche. In questo caso si assiste al piegamento della lamiera prima in un verso (riscaldamento) e poi in quello opposto (raffreddamento). 2. Laser fisso: in questo caso il laser è tenuto fermo in un punto in cui il materiale risulterà superficialmente con resistenza meccanica inferiore a quella del materiale circostante; inoltre il materiale della zona calda tenderà ad allungarsi circonferenzialmente ma troverà opposizione da parte del materiale freddo: ciò provocherà la formazione di una “bolla”.

78 Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Roma La Sapienza Tecnologie speciali Lavorazioni non convenzionali Vantaggi dei laser Bassa immissione di calore Fori con un alto rapporto L/D Taglio onnidirezionale Facilità d’automazione Impiegabile per tutti i materiali Alte velocità di processo Nessun elettrodo consumabile Limiti dei laser Strato rifuso e ZTA Difficoltà con materiali altamente riflettenti A volte si presentano conicità non volute Non applicabile a cavità cieche Alto investimento di capitale


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