Nessun titolo diapositiva

1
Lavorazioni non convenzionali
2
Diverso modo di utilizzare lenergia 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
Confronto varie tecnologie
va tolleranza Ra stato superficiale
mm3/min mm mm truciolo 105 0.01 1 incru
dita rettifica 103 0.001 0.3 incrudita lappatura
100 00001 0.03 poco incrudita elettroerosione 102
0.01 0.2 fusa laser 103 0.5 10 fusa awj 104 0.0
5 10 incrudita elettrochimiche 103 0.05 0.3 inalte
rata ultrasuoni 102 0.005 0.1 incrudita
truciolo
va
elettroerosione
In funzione della durezza del materiale
HB
4
Richieste ed esigenze più spinte progettuali /
tecnologiche / materialistiche / ingegneristiche
Fori profondi (R 150) Forme complicate
Scarti Energia
Nuovi materiali Minore danno termico meccanico
Alte velocità di taglio Costi macchine Integrazion
e della produzione
Intensa attività scientifica
Meccanismi di lavorazione Flessibilità Nuovi
componenti Parametri di lavorazione Integrazione
Nuovi strumenti di misura Costi di
produzione
5
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 -gt taglio lineare -gt WEDM
Utensile sagomato -gt impronta -gt EDM a tuffo
Il processo è indipendente dalla durezza del
materiale in lavorazione
6
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)
I

• Osservazioni
• Correnti molto alte (1000 A)
• toff lunghi
• Danneggiamento utensile e materiale

t
7
Miglioramenti al circuito di Lazarenko
Inserimento allinterno del circuito, a valle
della capacità, di un transistor che permette di
far passare corrente per il tempo e per
lintensità voluta
transistor
Si raggiunge lobiettivo di - ridurre la Imax -
aumentare ton - diminuire la temperatura -
diminuire lusura dellutensile
8

• Meccanismo della scarica
• ignizione
• fusione vaporizzazione
• lavaggio

Nota lambiente 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
Fase 1. Aumento della tensione. Si forma un campo
elettrico nella posizione di minore resistenza
(minore distanza e/o maggiore conducibilità). Fas
e 2. Si forma un ponte di particelle a carica
negativa emesse dal catodo. Parziale ionizzazione
del dielettrico. Fase 3. Termina leffetto
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
lanodo 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
unazione dinamica che ha leffetto di proiettare
il metallo fuso allesterno 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
allimpulso successivo.
10
Modalità di asportazione nel tempo
Tuffo - dielettrico idrocarburi liquidi, oli
al silicone - deionizzabilità bassa, - tempi
lunghi, - limitata usura delutensile. 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 lestremità
  consumata del filo.
• Nella rettifica a tuffo ogni volta che si devono
  praticare forature passanti conviene che
  lutensile termini in punta perché questo aumenta
  la velocità di lavorazione.

11
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
gt 30 µs Elettroerosione a filo (WEDM) si usa
polarità inversa (CATODO utensile ANODO
materiale) ton ? 2 µs
Volume asportato al catodo Volume
asportato allanodo
12
Caratteristiche degli utensili e scelta dei
materiali più idonei alla loro fabbricazione
Le funzioni che lutensile deve assolvere
sono non subire eccessiva erosione durante la
lavorazione consentire il passaggio di corrente
elettrica
Le proprietà che lutensile 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
lutensile per la specifica lavorazione da
eseguire può essere espresso mediante la seguente
relazione
13

• Materiali metallici
• Rame ha una buona resistenza allerosione, è
  facilmente lavorabile. Costo 1.
• Leghe Cu-W/Cu-Ag Vengono usati in fori profondi
  con scarso apporto di dielettrico. Costo
  18100.
• 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 2.510.
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

• Osservazioni
• Lusura degli utensili crescere al diminuire
  della conducibilità termica, e all aumentare
  delle temperature di cambiamento di stato e dei
  relativi calori latenti.
• Lusura è concentrata nei vertici e negli
  spigoli scariche laterali consumano lateralmente
  lutensile per cui le cavità prodotte presentano
  una certa conicità.
• Si definiscono i rapporti di usura per le varie
  localizzazioni dellutensile. 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 allusura attraverso il refeed (processo
• automatico di rimpiazzo per avanzamento della
• parte usurata dellutensile detto processo è
• compiuto dal servosistema.

15
Elettroerosione a filo
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
16

• 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 dellenergia di rete. Se dovesse
  mancare lenergia, 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 allavanzamento del
  filo. Allattraversamento 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
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 dellangolo del filo con il piano
della lastra per produrre tagli dellinclinazione
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 allelettroerosione a tuffo è la
  frequenza molto più elevata degli impulsi,
  dellordine 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
  allacqua nonostante la concomitante usura
  dellutensile in quanto il filo non si riutilizza
  (è questo il motivo per cui non si usa acqua
  nellelettroerosione a tuffo).
• La non infiammabilità è un pregio per un processo
  che procede senza sorveglianza.

18
Lalimentazione nella zona di lavoro si ha
attraverso un getto orientato allinterfaccia di
taglio, spesso coassialmente al filo. Lacqua
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
Parametri di taglio
20
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 dellordine di
0,007 mm e con rigorosi controlli
sulluniformità 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
dellordine di 0,038 mm. Per produrre spigoli
vivi si ricorre al seguente accorgimento
spigolo vivo
spigolo smussato
21
Elettroerosione a tuffo
tipi di lavaggio
usura utensile
principali componenti della macchina
22
Parametri che caratterizzano il fenomeno -
frequenza della scarica - corrente della
scarica
Più alta è lenergia della singola scarica (cioè
a parità di frequenza la corrente media) più
cresce la grandezza dei crateri. Leffetto
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 lusura dellutensile.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
Relazioni parametri / risultati
24
Zona termicamente alterata
Lo strato risolidificato è estremamente duro e
fragile e viene eliminato meccanicamente o
elettrochimicamente se si teme la fatica.
25
Grandezze fisiche di interesse
26
Vantaggi

• Lelettroerosione 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 dallusura dellutensile
  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 dellelettrodo) 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
  ununica lavorazione.
• Con lelettroerosione è possibile realizzare
  anche il processo di rettifica.

27
Svantaggi

• Lapplicazione dellelettroerosione 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

• Sistemi di controllo
• Lelettroerosione, vista anche la lunga durata
  della lavorazione, deve poter essere svolta anche
  senza presidio delloperatore. 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 lentità
  del gap che deve essere mantenuta costante nel
  corso della lavorazione, durante lavanzamento
  dellelettrodo.
• Durante la lavorazione occorre controllare tutti
  i parametri operativi
• in caso di cortocircuito tra gli elettrodi il
  servomeccanismo fa retrocedere lutensile
  evitando danneggiamenti
• in caso di mancanza di scariche per un certo
  tempo lutensile 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 dellelettrodo (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
  dellerogazione di potenza e linvio di un
  segnale di avvertimento alloperatore.

29
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.

30

• Il ricorso al vecchio circuito di Lazarenko
  dovuto alla relativa scarsa importanza dellusura
  della mola, facilmente rigenerabile con
  dispositivi automatici, vincola lestensione 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

• 
  Tc V / k I
• in cui V volume asportato cm3
• I corrente ampere
• k costante che vale 0,016 cm3/min ampere per
  lacciaio 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.

31
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). Lazione abrasiva effettua tagli,
incisioni, puliture, sbavature, levigature e
forature. Lablazione avviene per truciolamento,
efficace su materiali duri e fragili come vetro,
silicio, tungsteno e ceramici. Inadatto per
materiale resilienti. Lassenza 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
Attrezzatura

• Propulsione del gas
• Sistema di misura e dosaggio
• Sistema di distribuzione dellabrasivo sul pezzo
• Sistema di raccolta dellabrasivo

Gas impiegati

• Azoto
• Aria
• CO2
• (ossigeno non impiegato per il rischio di
  incendi)

Ugelli
Tipicamente in WC o zaffiro, rotondi o
rettangolari sezioni dellordine di alcuni
mm2. Se lugello 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 lugello e tracciare la forma. La
maschera viene prodotta con aree aperte dove si
desidera lablazione 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
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 lumidità)
• Dimensioni degli abrasivi 10-50 µm. Le più
  piccole per levigare e pulire, le più grandi per
  tagliare e pallinare.
• Labrasivo non si riutilizza in quanto trucioli
  uscenti dal pezzo intasano lugello e perché
  lazione 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, dellordine di
  0,016 cm3/min
• Fenditure strette da 0,12-0,25 mm si producono
  controllando lespansione del taglio aldilà dei
  limiti e usando ugelli rettangolari.
• Lacciaio e il vetro sono tagliati molto
  lentamente e con forte conicità.

34
Velocità di asportazione in funzione dello
stand-off il flusso è disturbato se lugello
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
lenergia cinetica della singola particella
diminuisce, dovendo il sistema accelerare una
massa maggiore di materiale a parità di potenza.
35
Velocità di asportazione in funzione della
granulometria della polvere maggiori sono le
dimensione del grano di abrasivo, più velocemente
viene asportato il materiale.
Velocità di asportazione in funzione della
pressione dellugello laumento 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).
Nota la portata ottimale per tutte le polveri è
intorno ai 10 grammi/min.
36
Water-jet
T
S
P
Per water jet si intende la lavorazione
ottenibile sfruttando lenergia cinetica di una
getto dacqua in pressione, uscente a velocità
supersonica. Si distinguono due casi 1. Getto
dacqua pura il meccanismo di lavoro si fonda
sullimpatto 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 sullabrasione
praticata dalle particelle di abrasivo che si
compone con lazione dellenergia 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).
U
M
W
C
P pompa intensificatore M motore S
accumulatore T tubazione U ugello W pezzo C
catcher
37
Getto dacqua 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 dellacqua viene aumentata fino a 40
  volte, nel rapporto delle aree dei due cilindri,
  quello pieno dolio e quello pieno dacqua
• (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 lacqua è portata dalla pompa
allugello 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
Ugello per dare proprietà coesive al getto, gli
ugelli vengono progettati con forme interne
brevettate da costruttore a costruttore. Estername
nte 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 dallacqua o per
intasamento da depositi minerali. La durata
media è di 250-500 ore se lacqua viene filtrata
a 1 µm e demineralizzata.
Catcher si tratta di un bacino tubolare per la
raccolta dellacqua, 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 lurto del getto e di
romperlo rapidamente. Il catcher risolve anche il
problema del rumore.
39
Parametri di processo

• Pressione
• Portata
• Diametro dellugello
• Stand-off
• Velocità trasversale
• Il processo si fonda su quanto esprime
  lequazione di Bernoulli per moto a regime di
  fluidi incomprimibili
• 
  p / ? v2 / 2
• p pressione allinterno dellugello
• ? densità del fluido
• v velocità del getto
• La portata in volume può esprimersi con la Q
  24 CDD2 0,22 p / ?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 lottimo 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 dugello e
  velocità trasversale, cè differenza secondo
  materiale e spessore tagliati in genere,
  crescendo la potenza del getto cresce
  lattitudine a tagliare spessori più grandi o più
  velocemente. Questo si ottiene accrescendo la
  pressione e il diametro dellugello o diminuendo
  la velocità trasversale.

40
La figura mostra le relazioni tra diametro
dugello, 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 lugello viene mosso
  da un attuatore a eccentrico.
• Non cè 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 dellugello.
• 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
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 lacqua contaminata prima di
  gattarla via
• Rumore e alte pressioni esigono considerazioni
  di sicurezza

42
Getto con abrasivi
LAWJM (Abrasive Water Jet Machining) combina i
vantaggi delle due lavorazioni viste in
precedenza. Utilizza un getto dacqua che porta
in sospensione particelle dabrasivo producendo
una fanghiglia tagliente. Lugello 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 dacqua
(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 allinizio
del taglio dove langolo di impatto dellabrasivo
è piccolo e il materiale è asportato soprattutto
con meccanismi erosivi. 2 Avviene più in
profondità, dove langolo di impatto cresce il
principale meccanismo di ablazione diventa
usura-deformazione. Probabilmente lattitudine
del getto a penetrare materiali molto spessi è
dovuta al ricoinvolgimento nel getto di
particelle dabrasivo dopo gli impatti iniziali
in cima al taglio.
43
Attrezzatura
Il motore e la pompa lavorano a potenze e
prevalenze leggermente maggiori che nel caso di
getto dacqua pura. I sistemi di alimentazione
dellabrasivo devono operare a portata costante
controllata con precisione per controllare la
portata si deve dimensionare lorifizio 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.
Lugello deve mescolare con efficienza abrasivo e
getto dacqua. 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. Labrasivo
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.
Labrasivo 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. Daltra parte questo tipo di
ugello è di difficile costruzione data la
criticità della scelta dellangolo di
convergenza ciò si traduce in costi più elevati.
44
Rispetto al getto dacqua pura, il catcher in
questo caso è rivestito di materiali opportuni
(ceramici) per resistere allimpatto degli
abrasivi. Quando si usano ugelli mobili per
tagliare pezzi grandi si mette sotto al pezzo un
grosso recipiente pieno dacqua che cattura
quanto resta del getto e aiuta a attutire il
rumore. Tubi flessibili ad alta pressione sono
necessari per trasportare lacqua a 241 MPa dalla
pompa allugello.
Parametri di processo
La figura sintetizza i parametri di processo. Le
relazioni tra luno e laltro sono tutte
empiriche. Acqua portata pressione Abrasivo port
ata materiale granulometria Ugello geometria SOD
lunghezza Pezzo materiale profondità di taglio
45
Nel caso di taglio passante
Hmax
Hmax
portata abrasivo ? diametro ugello ?
1
2
portata abrasivo
pressione
Hmax
Hmax
Hmax
Hmax
pressione costante
potenza getto
SDO
velocità avanzamento
diametro focalizzatore
6
5
3
4
46

• Fig. 1 La pressione del getto va quasi
  linearmente con la profondità ma per quanto la
  portata in
• abrasivo e il diametro dugello 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. 2 Allaumentare della portata di abrasivo,
  inizialmente prevale il contributo dellaumento
  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
• limpossibilità di trasferire la richiesta
  quantità di moto a tutte le particelle a parità
  di potenza.
• Fig. 3 Come era da attendersi la profondità di
  taglio diminuisce allaumentare 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. 4 Anche in questo caso il diagramma prevede
  un massimo inizialmente allaumentare 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 lenergia per unità di
  superficie.
• Fig. 5 Per SDO troppo basso cè disturbo
  dellefflusso, per SDO troppo alto cè
  defocalizzazione e
• aumento di area investita dal getto.
• Fig. 6 Ovviamente allaumentare della potenza, a
  parità di pressione, cresce la portata dacqua
• (ovviamente dopo un opportuno allargamento
  dellugello) e ciò implica un aumento dello

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

• Osservazioni
• I segni di lavorazione sul pezzo mostrano la
  combinazione della velocità dellabrasivo 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 dellenergia cinetica.
• Linclinazione delle pareti del taglio è
  funzione della durezza del materiale materiali
  duri presentano conicità aperta verso lalto,
  materiali teneri verso il basso.

48
Esempi di lavorazioni con WJ
49
Trattamenti superficiali
Pallinatura Ra viene modificata problemi di
sicurezza
Pallinatura con WJ defocalizzazione bassa
pressione portabilità trattamenti locali su
macchine
50
Lavorazioni LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation)
Radiazione a differenti lunghezze donda a
seconda del materiale eccitato.
Applicazioni - taglio -
saldatura - TT - alligazione
superficiale e riporti - marking
51
Emissione stimolata

• Fisica del processo
• 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 latomo si diseccita,
  cioè cede lenergia E in esubero con caduta di un
  elettrone al livello originario E h n
  h c/?
• il fotone così emesso colpisce un altro atomo
  eccitato e provoca lemissione di un altro fotone
  di stessa lunghezza donda e quindi stesso
  contenuto energetico il processo continua..
• due specchi posti a distanza n?, 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. Lenergia dei fotoni non in
  fase o con direzione errata viene smaltita per
  refrigerazione (molto impegnativa).

52
5. lo specchio semiriflettente fa si che parte
del fascio lo attraversi per essere convogliata
in opportuni dispositivi (secondo
lamplificazione 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
53
Caratteristiche del fascio

• Monocromaticità la lunghezza donda dipende dal
  tipo di mezzo attivato e condiziona
  lassorbimento dellenergia materiali diversi
  hanno capacità di riflettere, assorbire e/o
  trasparire specifiche lunghezze donda. 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 unintensità molto più alta.
• 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 --gt W
• 3. Coerenza temporale mentre la luce ordinaria
  non è coerente, la luce laser, in seguito
  allintervento 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

• Intensità luminosa è estremamente elevata a
  causa della direzionalità del fascio luminoso.
  Percepiamone la differenza rispetto allintensità
  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 dellenergia 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 donda, etc. Si tratta di distribuzioni
  anchesse gaussiane ottenute frazionando
  opportunamente la distribuzione monomodale.

55
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 larea su
  cui lenergia 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 unampia
  area
• trattamenti termici, saldatura

56
Per semplicità di trattazione, riferiamoci al
caso 2D. Larea 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 anchessa con
area unitaria.
Agendo, a parità di N, sulla varianza della
monomodale, si possono ottenere per questultima
picchi più accentuati concentrati in unareola
piccolissima (taglio). Viceversa la multimodale
si schiaccia e si allarga in modo da determinare
una distribuzione quasi uniforme di energia su
unarea relativamente ampia (trattamento termico).
57
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
dinterazione 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 donda
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
lunga - grossa profondità f 0.4 mm h
3-15 mm focale -gt taglio corta - piccolo
spot - piccola profondità f 0.02 mm h
0.5 -gt alta energia specifica -gt saldatura e
TT
59
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 donda della luce emessa
• - Allo stato solido si usano essenzialmente i
  laser Nd/Yag per cui ? 1, 06 µm.
• - Per i laser a CO2 ? 10,6 µm
• Esistono altri tipi di laser, ad esempio quelli a
  eccimeri che producono energia nello specchio
  dellultravioletto.

60

• 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 leccitazione 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
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.
62
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
allasse 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.
63
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 lt 1,3 mm passanti attraverso
spessori fino a 25 mm. Si arriva a fori di
diametro lt 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

• 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.
• Lenergia è trasmessa al fondo del foro e viene
  riflessa verso lesterno dalle pareti interne del
  foro. Limpulso 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 dimpulso 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 (lt 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.
• Lossigeno, che ha reazione esoterma con molti
  metalli, aiuta lefficienza di ablazione.

65
Taglio di cavità passanti (carotaggio di fori)
Oltre diametri di 1,2 mm leccessiva
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 gt 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
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 uguale a velocità di ossidazione
velocità bassa
67

• 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 200500 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
  lasportazione del fuso e proteggono la lente.
• Variabili tipo di gas, pressione, geometria
  dellugello e distanza dalla superficie lavorata
  (molto piccola con laser CO2).

68

• Velocità massima di taglio.

• Tempo vaporizzazione

69
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
È necessaria una preparazione molto precisa dei
lembi da saldare lintercapedine è minore del 5
dello spessore. Si protegge la zona di saldatura
con gas inerti per evitare lossidazione. 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 lenergia 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 dellenergia 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

• 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

• 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). Loscillazione si usa
  anche quando la saldatura è eterogena con
  materiale dapporto in forma di fili, polveri o
  preformati che fanno ponte nellintercapedine.
• Getto di gas. È importantissimo per proteggere
  la lente dagli spruzzi e per proteggere la pozza
  di saldatura dallatmosfera. 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 linterferenza con lottica
  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
  allarco.

Nota confronto costi saldatura
73
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 fa