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31.Lavorazioni con fasci a energia concentrata - Coggle Diagram
31.Lavorazioni con fasci a energia concentrata
Lavorazioni laser
Lavorazioni laser (EDM)
Lavorazioni che rientrano nel machining definito non convenzionale:
• sorgente: energia ottica altamente focalizzata
• utensile: fascio laser (light amplification by stimulated emission of radiation)
Aspetti legati al funzionamento:
• rimozione di materiale
• fusione e vaporizzazione di piccole porzioni di materiale
• meccanismo
• erosione termica attraverso trasferimento calore da fascio ad elevata densità di energia
Tipologia di processo
• Processo termico di rimozione del materiale e può essere usato:
• sia su materiali metallici che non metallici
• influenzano le proprietà termofisiche e ottiche
• indifferenti durezza, resistenza e tenacità
• Tipi di lavorazioni
• lavorazioni di taglio e foratura di materiali sottili, marcatura
• trattamenti superficiali e saldatura di metalli
Evoluzione del processo
• Nel 1900 Planck formulò la teoria quantistica:
• in un corpo riscaldato energia viene assorbita e riemessa in multipli interi di una quantità legata alla frequenza della radiazione
• Nel 1800 Maxwell ipotizzò che la luce fosse una forma di radiazione elettromagnetica
• Luce (radiazioni elettromagnetiche) godono di una natura duale → l’energia viene trasportata sotto forma di fotoni (simili ai corpuscoli) che sono guidati da un campo di onde (teoria delle onde)
• Possibilità di amplificare la luce viene teorizzata nei primi anni del 1900 da Albert Einstein
• Primo amplificatore di radiazioni elettromagnetiche nelle micro-onde (MASER) 1950 realizzato da Charles Townes, Alexander Prokhorov e Nicolas Basov
• Primo laser (al rubino) realizzato nel 1960 dal Prof. Theodore Maiman
Fascio laser
• Fascio laser è costituito da onde elettromagnetiche di un’unica frequenza e di un’unica
fase e possiede una divergenza limitata
• Fascio laser possiede:
• Monocromaticità: radiazione elettromagnetica è concentrata su un’unica lunghezza d’onda, es. luce bianca (distribuita su uno spettro più ampio)
• Unica fase (coerenza): le onde elettromagnetiche (o i fotoni) possiedono anche la stessa fase
• Bassa divergenza: fascio generato ha una divergenza limitata (data la geometria delle cavità risonanti – sorgente)
Funzionamento del processo LBM
o Lavorazione di asportazione avviene quando:
• densità di potenza del raggio > perdite per conduzione, convezione e irraggiamento
o Step:
• materiale asportato per espulsione del materiale fuso, vaporizzazione o ablazione
• provoca rapido aumento di temperatura locale → porta a fusione o ebollizione
• laser interagisce con il materiale, l'energia dei fotoni viene assorbita dal materiale in lavorazione
o Lavorazione di: leghe ad alta resistenza termica, carburi, compositi fibro-rinforzati, ceramici e stelliti
o Nelle lavorazioni industriali
• il fascio laser usato per trasmettere energia dalla sorgente al pezzo in lavorazione
o Non c’è contatto → non si ha usura
o Rimozione dipende da proprietà ottiche del laser e le proprietà ottiche e termofisiche del materiale
o Parametri fisici importanti sono:
• potere riflettente
• conducibilità termica, calore specifico e latente di fusione e evaporazione
o Più bassi sono tali parametri maggiore efficienza
• Profondità di taglio
FORMULA
P: potenza in ingresso; v: velocità di taglio; d: diametro del fascio nel punto di lavoro
(spot focale)
• Output
• superficie rugosa
• presenta zona termicamente alterata (z.t.a.)
• Vantaggi
• velocità e qualità
• Svantaggi
• tecnologia costosa, bassa efficienza
Attrezzature per LBM
•Componenti di un sistema laser industriale:
• Sorgente laser
• Unità frigorifera
• Sistema di trasporto del fascio
• Sistema di focalizzazione
• Sistema di movimentazione
Sorgente laser
• Dove si trova il mezzo attivo che genera il fascio
• Mezzo attivo può trovarsi allo stato gassoso, liquido o solido
• Si distinguono:
• Sorgenti a gas
CO2
• Sorgenti allo stato solido
Nd:YAG
Diodi laser
Yb:vetro in fibra
Yb:YAG a disco
• influenza fattori che influiscono sulla lavorazione:
lunghezza d’onda della radiazione
emissione continua o impulsata
potenza del fascio
distribuzione di densità di potenza
Unità frigorifera
• sorgente è energeticamente inefficiente
• necessaria per smaltire il calore generato
Sistema di trasporto del fascio
• portare il fascio nella zona di lavorazione
• si usano specchi in rame o se lunghezza d’onda del fascio lo permette fibra ottica
Sistema di focalizzazione
• sistema che focalizza il fascio su piccola area (concentrando la potenza) elevato flusso termico per unità di tempo o area
• ↑ il flusso termico ↑ efficienza
• potenza fascio è attribuita a quella di generazione → aumentare flusso termico → ridurre sezione trasversale
Sistema di movimentazione
genera moto relativo tra fascio e pezzo
si può movimentare o il pezzo o il fascio
Taglio LBM
• Più diffusa applicazione industriale del laser
• Componenti di qualsivoglia geometria
• Caratteristiche
• Ottima qualità del lembo
• Elevata velocità
• Ripetibilità
• Meccanismi di taglio: dipende da materiale e irradianza
• Fusione
Per Fusione
• Separazione tramite fusione del materiale ad opera del fascio e l’allontanamento del materiale fuso mediante il gas d’assistenza
• Gas assistenza:
• acciai inox e Al: inerti
• lamierini sottili: O2, Ar, N
• Lembi di taglio:
• striati (periodicità innesco)
• ossidati (senza uso gas inerti)
• Vaporizzazione
Per vaporizzazione:
• riscaldamento fino a temperatura di vaporizzazione senza produzione di significative quantità di materiale fuso (taglio quasi istantaneo)
• Possibile solo se
• Materiale con temperatura di vaporizzazione bassa
• Fascio con elevata irradianza
• Buona qualità del solco, assenza di bava (a differenza di taglio per fusione), ottima finitura (rimozione del materiale è continua)
• Degradazione chimica
Per degradazione chimica
• per materiali organici (polimeri, legno, pellami)
• aumento T rompe legami chimici (dip. struttura molecolare)
Metalli
Vaporizzazione
Velocità
Bassa
Qualità
Elevata
Spessore
Bassi
Degradazione
chimica
Velocità
N.A.
Spessore
N.A.
Qualità
N.A.
Fusione
Velocità
Media elevata
Qualità
Medio-bassa
Spessore
Medi—elevati
Non
metalli
Vaporizzazione
Velocità
Media
Qualità
Elevata
Spessore
Bassi
Degradazione
chimica
Velocità
Elevata
Qualità
Media
Spessore
Medi
Fusione
Velocità
Elevata
Qualità
Elevata
Spessore
Medi
Peculiarità del taglio LBM
• Fori di diametro fino a 0.005 mm
• Rapporti di forma 50:1
• Taglio di metalli, non metalli e compositi
• Zone critiche per la qualità del taglio:
• Spigoli
• Punto di inizio e termine
• Bordo quando il taglio termina al di fuori del pezzo
Laser Microjet
o Usa un flusso laminare di acqua a bassa pressione (come fosse cavo in fibra ottica) per guidare fascio
o Asportazione legata ad azione fascio
o Caratteristiche:
• Realizza fori con aspect ratio elevati
• Profondità del fuoco del laser è molto grande
o Acqua per raffreddamento (riduce z.t.a.) e impedisce schizzi materiale
Taglio LBM
• Vantaggi
• Processo estremamente rapido e silenzioso
• Solco di taglio stretto
• Qualità elevata (ripetibile, ZTA piccola, pulito)
• Processo facilmente automatizzabile
• Assenza di forze (no vincolo pezzo)
• Assenza di usura (no fermo-macchina)
• Taglio omnidirezionale
• Svantaggi
• Costo del sistema (elevati volumi produttivi)
• Limite negli spessori tagliabili (metalli max 20 mm)
• Processo termico (danneggiamenti, prob. in esercizio)
Lavorazioni con fascio elettronico e taglio plasma
Lavorazioni con fascio elettroni (EBM)
o rientrano nel machining definito non convenzionale
• utensile: fascio elettroni (electron-beam)
• sorgente: energia di elettroni ad alta velocità
o Aspetti legati al funzionamento:
• rimozione di materiale
• fusione e vaporizzazione del materiale per riscaldamento da impatto con
elettroni
• meccanismo
• erosione dei materiali attraverso fascio di elettroni ad alta velocità che
colpisce superficie
o Si usano tensioni di 50-200kV per accelerare elettroni a velocità 50-80% velocità della luce
o Applicazioni simili a quelle del LBM
o Utilizzato per taglio metalli
o Vantaggi
• elevata accuratezza
• elevata finitura superficiale
• larghezza di taglio inferiore
o Svantaggi
• richiedono il vuoto
• interazione fascio-pezzo produce raggi X
Taglio plasma (PAC)
• rientra nel machining definito non convenzionale
• utensile: fascio di plasma (pleasma-arc)
• sorgente: gas ionizzato
• Aspetti legati al funzionamento:
• rimozione di materiale
• fusione e vaporizzazione del materiale per trasferimento di calore da
fascio plasma
• meccanismo
• erosione termica dei materiali attraverso fascio plasma
• Plasma è gas altamente ionizzato:
• Funzionamento:
• arco elettrico scocca tra elettrodi e ionizza gas detto plasmogeno
• plasma entra in contatto con superficie pezzo e porta a fusione o vaporizzazione materiale
• Temperature raggiunte elevatissime (9400°C, utilizzando ossigeno come gas plasmogeno)
• Taglio rapido di piastre in materiali non ferrosi e acciaio inox
• Vantaggi
• velocità di taglio superiori a LBM e elettroerosione
• bordi netti
• spessori fino a 150 mm
• Svantaggi
• bassa qualità bordi (taper)
• fumi e rumori
• estesa z.t.a.