Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica
Università di Roma La Sapienza
Tecnologie speciali
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni non convenzionali
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Diverso modo di utilizzare l’energia
Nuove forme di energia:
Energia meccanica
Energia elettrochimica
Energia chimica
Energia elettrica
Energia termica
-
water-jet
abrasive-jet
ultrasuoni
deformazione alta velocità
erosione elettrochimica
scarica elettrochimica
dissoluzione chimica
elettroerosione
fascio elettronico
laser
plasma
Lavorazioni non convenzionali
Tecnologie speciali
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Tecnologie speciali
Confronto varie tecnologie:
va
tolleranza
[mm3/min] [mm]
truciolo
105
0.01
3
rettifica
10
0.001
0
lappatura
10
00001
elettroerosione
102
0.01
laser
103
0.5
awj
104
0.05
3
elettrochimiche
10
0.05
2
ultrasuoni
10
0.005
Ra
mm
1
0.3
0.03
0.2
10
10
0.3
0.1
va
In funzione della durezza del materiale
stato superficiale
incrudita
incrudita
poco incrudita
fusa
fusa
incrudita
inalterata
incrudita
truciolo
elettroerosione
HB
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
Richieste ed esigenze più spinte
progettuali / tecnologiche / materialistiche / ingegneristiche
Fori profondi (R = 150)
Forme complicate
Scarti
Energia
Alte velocità di taglio
Costi macchine
Integrazione della produzione
Nuovi materiali
Minore danno
termico
meccanico
Intensa attività scientifica
Meccanismi di lavorazione
Parametri di lavorazione
Flessibilità
Integrazione
Costi di produzione
Lavorazioni non convenzionali
Nuovi componenti
Nuovi strumenti di misura
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Tecnologie speciali
Elettroerosione
(Electrical Discharge Machining)
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
Utensile sagomato -> impronta -> EDM a tuffo
Il processo è indipendente dalla durezza del materiale in lavorazione
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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 Vs2
(Vs tensione di scarica, variabile aleatoria)
Osservazioni:
• Correnti molto alte (1000 A)
• toff lunghi
• Danneggiamento utensile e materiale
Lavorazioni non convenzionali
I
t
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Tecnologie speciali
Miglioramenti al circuito di Lazarenko
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
transistor
Si raggiunge l’obiettivo di:
- ridurre la Imax
- aumentare ton
- diminuire la temperatura
- diminuire l’usura dell’utensile
Lavorazioni non convenzionali
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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.
Lavorazioni non convenzionali
Tecnologie speciali
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Tecnologie speciali
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 (4000-10000 °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.
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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.
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
La velocità di rimozione agli elettrodi è differente e dipende da polarità, temperatura di fusione dei
metalli, durata e intensità delle scariche.
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
Volume asportato
al catodo
Volume asportato
all’anodo
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Tecnologie speciali
Caratteristiche degli utensili e scelta dei materiali più idonei alla loro fabbricazione
Le funzioni che l’utensile deve assolvere sono:
• non subire eccessiva erosione durante la lavorazione
• consentire il passaggio di corrente elettrica
Le proprietà che l’utensile deve avere sono:
• elevata conducibilità elettrica e termica
• elevato punto di fusione
• facilmente lavorabile alle MU
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:
(𝑇𝑓2 𝜆𝜌𝑐)𝑡𝑜𝑜𝑙 = (𝑇𝑓2 𝜆𝜌𝑐) 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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.
Vantaggi:
-Insensibilità agli sbalzi termici
-Facilmente lavorabile
-Bassa densità
Svantaggi:
-abrasivi
-formano polveri durante la lavorazione
-sono più fragili
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
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Tecnologie speciali
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.
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Elettroerosione a filo
Tecnologie speciali
meccanismo
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.
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
macchina
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Tecnologie speciali
• 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
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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.
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Tecnologie speciali
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.
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Tecnologie speciali
Parametri di taglio
 Elettrici
 Geometrici
Corrente di scarica i
Tensione
V
t
Tempo accensione ON e t OFF
Gap
Taper
 Velocità
 Dielettrico
 Utensile
 del filo
Forma del pezzo
Tavola
Filo
Dielettrico
Spessore
Materiale
Vb
Conducibilità
Fluidità
Materiale
Forma
sua durezza
1100 Ampere
10100 Volt
Variabili da 1 a 100 ? s
Variabile in sgrossatura
e finitura
Indica la forma del solco di taglio
( esempio la perpendicolarità
delle pareti ) e dipende dalla
presenza delle particelle staccate
dalle pareti.
1/100 1/10 di secondo
Qualche m/s (da 1 a 10)
Circa 1 m/s
Del pezzo ma non della
Tensione di rottura
Raffredda + o - velocemente
Raggiunge meglio tutti i punti
Si utilizzano acqua demineralizzata
olio di paraffina
oli leggeri
kerosene
Per filo Rame, leghe di rame, acciaio
Per tuffo Rame, leghe di rame, Ag-Cu, Grafite
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Tecnologie speciali
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
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Tecnologie speciali
Elettroerosione a tuffo
tipi di lavaggio
usura utensile
principali componenti della macchina
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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.
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Tecnologie speciali
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Relazioni parametri / risultati
Lavorazioni non convenzionali
Tecnologie speciali
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Tecnologie speciali
Zona termicamente alterata
Lo strato risolidificato è estremamente duro e
fragile e viene eliminato meccanicamente o
elettrochimicamente se si teme la fatica.
Zona A : zona di rifusione: il materiale viene rifuso e risolidificato.
Zona B : zona di modificazione strutturale.
Zona C : Non si può parlare di modificazione strutturale, ma esiste effetto del
calore sviluppato.
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Grandezze fisiche di interesse
Durante
Temperature
Del Dielettrico e dei materiali
Forze
Tecnologiche e del filo
Velocità del dielettrico
Corrente
Tensione
Tempi
ON/OFF
Forma dell’impulso ( In realtà non è a scalino )
Dopo
Rugosità
Tolleranze
Modificazioni microstrutturali
Usura dell’utensile
Dimensioni e forma del DEBRIS ( truciolo )
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Tecnologie speciali
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Tecnologie speciali
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 cm3/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.
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Tecnologie speciali
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.
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Tecnologie speciali
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.
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Tecnologie speciali
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 250000 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)
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Tecnologie speciali
• 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 Vs2 )
• 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:
in cui:
Tc = V / k I
V = volume asportato [cm3]
I = corrente [ampere]
k = costante che vale 0,016 cm3/min ampere per l’acciaio e 0,004 cm3/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.
Lavorazioni non convenzionali
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Abrasive Jet Machining (AIM) - Sabbiatura
Asportazione di materiale per azione abrasiva di una
corrente focalizzata di gas che trasporta microparticelle 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.
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Tecnologie speciali
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Tecnologie speciali
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 mm2.
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.
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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: 10-50 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 cm3/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.
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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.
Lavorazioni non convenzionali
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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).
Tecnologie speciali
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.
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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).
Lavorazioni non convenzionali
P
S
T
U
M
W
C
P: pompa intensificatore
M: motore
S: accumulatore
T: tubazione
U: ugello
W: pezzo
C: catcher
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Tecnologie speciali
Getto d’acqua pura
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%.
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.
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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 250-500 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.
Lavorazioni non convenzionali
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Tecnologie speciali
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 = v2 / 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 CDD2 [0,22 p / ρ]1/2
(CD = 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.
Lavorazioni non convenzionali
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La figura mostra le relazioni tra diametro d’ugello, pressione, portata e
potenza della pompa con CD = 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.
Lavorazioni non convenzionali
Tecnologie speciali
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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
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Tecnologie speciali
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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.
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Tecnologie speciali
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.
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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.
Acqua
portata
pressione
Abrasivo portata
materiale
granulometria
Ugello
geometria
SOD
lunghezza
Pezzo
materiale
profondità di taglio
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Nel caso di taglio passante:
Hmax
portata abrasivo ↑
diametro ugello ↑
1
Hmax
2
portata abrasivo
pressione
Hmax
Hmax
Hmax
Hmax
pressione
costante
3
velocità avanzamento
4
diametro focalizzatore
5
Lavorazioni non convenzionali
SDO
6
potenza getto
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• Fig. 1
• Fig. 2
• Fig. 3
• Fig. 4
• Fig. 5
• Fig. 6
Tecnologie speciali
La 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.
All’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.
Come 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.
Anche 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.
Per SDO troppo basso c’è disturbo dell’efflusso, per SDO troppo alto c’è defocalizzazione e
aumento di area investita dal getto.
Ovviamente 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.
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Tecnologie speciali
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.
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Esempi di lavorazioni con WJ
Lavorazioni non convenzionali
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Trattamenti superficiali
Pallinatura
Ra viene modificata
problemi di sicurezza
‘Pallinatura’ con WJ
defocalizzazione
bassa pressione
portabilità
trattamenti locali su macchine
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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
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Emissione stimolata
Fisica del processo:
1.
2.
3.
4.
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);
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 n = h c/λ
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..
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).
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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.
specchio riflettente
specchio semiriflettente
nl
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Tecnologie speciali
Caratteristiche del fascio
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 P
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
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a
r
d
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Tecnologie speciali
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/cm2: 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 W7cm2 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/cm2.
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.
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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
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Tecnologie speciali
Per semplicità di trattazione, riferiamoci al
caso 2D.
3
2,5
Multimode
single
2
L’area sottesa alla gaussiana (monomodale)
è, per definizione, pari a 1.
single
single
1,5
single
single
1
single
single
0,5
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.
0
0
2
4
6
8
10
12
14
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).
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6.
Tecnologie speciali
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.
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lunga
- grossa profondità
f = 0.4 mm
h = 3-15 mm
-> taglio
corta
- piccolo spot
- piccola profondità
f = 0.02 mm
h = 0.5
-> alta energia specifica
-> saldatura e TT
focale
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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.
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• Dati relativi al funzionamento a impulsi e/o CW:
- Laser Nd/Yag: frequenza 1 ÷ 10000 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.
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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 10000
Hz.
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c. Quando si vogliono laser di potenza media estremamente compatti o quando sono necessarie potenze
di oltre 10000 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 ÷ 15000
w.
Questi laser operano solo in continuo, sebbene
sistemi di interruzione del fascio possano farlo
interferire con il materiale da lavorarsi in maniera
pulsata.
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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.
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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 100-250 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.
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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.
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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
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• 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 30-100 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).
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• Velocità massima di taglio.
v max 
Con :
Vmax = Velocità massima di taglio passante
Pot = Potenza del fascio
K = Conducibilità termica
b = Spessore della lamina da tagliare
d = Diametro del fascio focalizzato
• Tempo vaporizzazione
Matrici
Fibre di kevlar
Fibre di vetro
Fibre di carbonio
Pot
K bd
K  Tv2  
t
4  f 02  k
= 10^-4 s
= 10^-3 s
=1s
= 100 s
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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
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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.
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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.
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• 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: 35-100 kPa per non squassare la pozza di saldatura.
Le tecniche di schermatura sul retro della saldatura sono uguali a quelle di saldatura all’arco.
Nota: confronto costi saldatura
Velocità
Manutenzione
TIG
40 cm/min
Tanta
Plasma
120 cm/min
Tanta
Laser a CO2
180 cm/min
3/4 ore ogni 6
mesi
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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 500-10000 Hz).
Viene impedito il ricorso a gas protettivi data l’impossibilità di usare
ugelli (data la difficoltà costruttiva introdotta dal sistema galvanoottico 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.
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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 150-1500 w/cm2 e attraversa la superficie a velocità sufficiente
per non determinare fusioni.
Il riscaldamento avviene a velocità di 200000 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.
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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 20000 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.
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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.
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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”.
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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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