LAVORAZIONI NON CONVENZINALI I.T.S.T J.F. KENNEDY - PN

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1 LAVORAZIONI NON CONVENZINALI I.T.S.T J.F. KENNEDY - PN

2 DEFINIZIONE Le Lavorazioni Non Convenzionali (LNC) sono quei processi che utilizzano tecniche di rimozione del materiale per via meccanica, elettrica, termica e chimica, differenti da quelle tradizionalmente adottate, quali tornitura, fresatura, tranciatura, ecc... Lo sviluppo delle lavorazioni non convenzionali è stato determinato da: a) nuove conoscenze chimico-fisiche della materia; b) esigenza di parametri di lavorazione più spinti; c) introduzione nuovi materiali;

3 Le LNC sono state introdotte per rispondere ad alcune esigenze particolari che non riescono ad essere soddisfatte dalle tecnologie convenzionali, come: tolleranze dimensionali, tolleranze di forma e finiture superficiali non realizzabili dai processi tradizionali; realizzazione di componenti con profili interni ed esterni, spigoli vivi e planarità non realizzabili nei processi di formatura e stampaggio; speciali caratteristiche superficiali ottenibili soltanto con processi di asportazione di materiale; superfici trattate termicamente al fine di migliorare la durezza e la resistenza all usura necessitano di operazioni di finitura;

4 Le LNC permettono, quindi, : 1) lavorazione di materiali innovativi quali: - materiali ceramici - fibre sintetiche - leghe di titanio - leghe di alluminio - leghe di silicio - superleghe - plastiche - resine 2) lavorazioni con materiali classici con caratteristiche meccaniche o richieste di forme e finiture particolari (microfori, rugosità superficiali e cavità di stampi non realizzabili per asportazione classica, );

5 Le LNC permettono, quindi, : 3) lavorazioni su pezzi troppo flessibili o sottili per sopportare forze di taglio elevate; 4) lavorazioni senza incrementi di temperatura e/o tensioni residue nel pezzo in lavorazione; 5) lavorazion con possibili problemi nell afferraggio in un attrezzatura di bloccaggio.

6 Tuttavia le LNC presentano anche delle importanti e sostanziali limitazioni: produzione di scarti di materiale; necessitano di più energia, capitali e manodopera rispetto ai processi tradizionali; se non eseguite correttamente possono produrre effetti indesiderati sulla qualità superficiale e sulle proprietà del prodotto.

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9 LCN Termo-elettriche Elettroerosione Electro Discharge Machining (EDM) Taglio Laser Laser Beam Machining (LBM) Fascio Elettronico Electron Beam Machining (EBM) Plasma Plasma Beam Machining (PBM)

10 LCN Meccaniche Ultrasuoni Ultrasonic Machining (USM) Taglio a getto d acqua Water Jet Machining (WJM) Taglio a getto abrasico Abrasive Jet Machining (AJM)

11 LCN Chimiche Attacco chimico Chemical Machining (CHM) Attacco elettro-chimico Electro chemical Machining (ECM)

12 Applicazioni sui materiali USM WJM ECM CHM EDM EBM LBM PBM Alluminio Acciaio Superleghe Titanio Refrattari * ** ** *** ** ** ** ** ** ** *** *** *** ** ** *** * *** *** ** *** ** ** *** ** ** ** ** *** ** ** ** *** *** ** * *** *** * * Ceramiche Plastiche Vetro *** *** no * no *** *** no ** ** no * no ** ** * *** *** no ** no ** ** no

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15 Elettroerosione a tuffo Si basa sull azione termica di scariche elettriche tra utensile e pezzo: l asportazione di materiale si ha per effetti termici, ma anche elettrici e meccanici. Per aumentare l efficienza delle scariche, queste vengono fatte scoccare all interno di un liquido dielettrico. Il dielettrico diminuisce la sezione dell arco.

16 Elettroerosione a tuffo La lavorazione non dipende dalle caratteristiche meccaniche del materiale, ma dalle sue caratteristiche fisico/termiche. La scintilla scocca dove si ha la distanza minima utensilepezzo e dove si ha la massima conducibilità locale del fluido. Si ha sempre soltanto una scintilla alla volta.

17 Elettroerosione a tuffo Tensione V (in continua) Corrente 1000 A Tempo scarica 0.1 µs Tempo totale 200 µs I elevata - t ON breve Bassa velocità di rimozione Elevata finitura superficiale I bassa - t ON lungo Elevata velocità di rimozione Scarsa finitura superficiale

18 Elettroerosione a tuffo Il ciclo produttivo per la lavorazione tramite elettroerosione a tuffo può essere così riassunta: analisi della forma da ottenere; realizzazione dell elettrodo in rame con forma pari al negativo della forma che si vuole ottenere; montaggio dell elettrodo sulla macchina; scelta dei parametri di lavoro; esecuzione del ciclo di lavoro. E possibile ottenere fori ciechi, fori profondi di piccolo diametro, fessure strette, forme complesse e articolate. Gli utensili (grafite, bronzo, rame, leghe rame-tungsteno) sono sagomati mediante forgiatura, fusione o asportazione di truciolo.

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20 Lavorazioni Laser - LBM La sorgente di energia è un laser che focalizza l energia di un fascio di luce coerente sulla superficie del pezzo portandolo alla fusione e all evaporazione. Il fascio di luce deve avere caratteristiche di monocromaticità, fasamento e direzionalità. Una sorgente laser è in grado di generare un fascio di onde elettromagnetiche (o fotoni) con particolari caratteristiche: - monocromaticità: il fascio laser è costituito da fotoni di uguale lunghezza d onda λ; - coerenza (fasamento): i fotoni sono tutti in fase; - direzionalità: il fascio viene emesso in un unica direzione con una ristretta divergenza

21 Lavorazioni Laser - LBM In altre parole, un fascio laser: Dalle caratteristiche del fascio derivano proprietà utili per le lavorazioni: 1. Facilità di focalizzazione 2. Elevata efficienza di interazione laser-materia Potenza specifica laser 100 W: 10 4 W/mm 2 Potenza specifica lampadina 100 W: 10-3 W/mm 2

22 Lavorazioni Laser - LBM Lo schema tipico di una macchina per lavorazione laser è:

23 Lavorazioni Laser - LBM La generazione del raggio laser può avvenire usando differenti tipi di sorgente: liquida di scarso interesse industriale solida Nd-Yag Pot: fino a pochi kw (appl.industriali) diodi Pot= fino a 1 kw gassosa atomi HeNe Pot= qualche centinaio di mw (campi di misura e olografici) ioni Kr e Ar Pot= fino a poche decine di Watt (campo medicale) molecole CO2 Pot= max circa 20 kw (applicazioni industriali)

24 Lavorazioni Laser - LBM Quando il fascio laser raggiunge una superficie avvengono diversi fenomeni: riflessione, assorbimento e trasmissione della luce. La riflessione comporta perdita di energia. Se Pi è la potenza incidente, R verrà riflessa dalla superficie e solo la quantità A=1-R viene assorbita dal materiale: A = coeff. di assorbimento superficiale [ - ] R = coeff. di riflessione superficiale [ - ] Il coefficiente di assorbimento superficiale dipende dal materiale, dalla lunghezza d onda del laser (all aumentare della λ diminuisce A per i metalli mentre aumenta per i materiali organici) e dalla finitura superficiale (all aumentare della finitura diminuisce A).

25 Lavorazioni Laser - LBM L asportazione di materiale può avvenire con diverse modalità e passa attraverso le fasi seguenti: riscaldamento, fusione e vaporizzazione è la modalità più utilizzata, ma, a causa della elevata conducibilità termica e del basso assorbimento, alcuni materiali non possono essere tagliati in questo modo. riscaldamento e reazione esotermica di ossidazione viene utilizzata solo per i metalli. Il laser riscalda il materiale ad una T che favorisce la reazione tra materiale e gas di assistenza. Il calore prodotto permette l asportazione.

26 Lavorazioni Laser - LBM Durante le lavorazioni di taglio il fascio laser viene focalizzato sulla superficie da lavorare. Nella stessa direzione del fascio viene fatto fluire del gas che ha lo scopo di: favorire l allontanamento del materiale fuso proteggere la lente da eventuali proiezioni di materiale fuso allontanare il plasma che si forma al di sopra della superficie Il gas è generalmente una miscela di gas inerti (N 2, He 2 ). Nel caso di taglio ossiassistito, il gas inerte viene sostituito con l ossigeno che è estremamente reattivo.

27 Lavorazioni Laser - LBM La LNC con utilizzo di laser consente la lavorazioni di materiali: Metallici Ceramici Compositi Polimerici Legno, carta Vetro, gomma, pelle

28 Lavorazioni Laser - LBM Le principali LNC con laser sono: LASER PER SALDATURA - assistito ad ossigeno - per fusione - per vaporizzazione - per degradazione chimica LASER PER USO TAGLIO - per fusione - per vaporizzazione - per degradazione chimica - assistito ad ossigeno

29 Lavorazioni Laser - LBM LASER PER USO TAGLIO applicazione tra le più diffuse - ottima qualità del lembo di taglio - elevata velocità di processo - buona ripetibilità utilizzato nella lavorazione - di lamiere piane - di geometrie complesse (lamiere imbutite o tubi a sezione varia)

30 Lavorazioni Laser - LBM LASER PER USO TAGLIO Vantaggi Processo estremamente rapido Solco di taglio stretto Processo facilmente automatizzabile Qualità elevata Assenza di forze Assenza di usura Svantaggi Taglio omnidirezionale Costo del sistema Processo silenzioso Limite degli spessori tagliabili Processo termico

31 Lavorazioni Laser - LBM LASER PER SALDATURA Il raggio laser, focalizzato sul profilo dei lembi, ne determina la saldatura autogena per fusione e successiva risolidificazione. La saldatura avviene quindi senza materiale d apporto, mentre è richiesto l uso di un gas inerte di copertura (argon, elio, azoto) per evitare ossidazioni.

32 Lavorazioni Laser - LBM LASER PER SALDATURA Secondo il rapporto di forma del cordone di saldatura, cioè del rapporto tra la profondità di penetrazione e la larghezza del cordone stesso, la saldatura laser può essere di due tipi: SALDATURA DI SCARSA PENETRAZIONE Rapporto di forma ~ 1 SALDATURA DI PROFONDA PENETRAZIONE Rapporto di forma fino a 10:1 e oltre

33 Lavorazioni Laser - LBM LASER PER SALDATURA La saldatura a profonda penetrazione ha profondità del cordone almeno pari a tre volte la sua larghezza. L elevata potenza specifica (10 6 W/cm 2 ) porta alla formazione di una colonna di materiale vaporizzato (key hole) circondata da materiale fuso. Al procedere del fascio, il materiale fuso si richiude su se stesso generando il cordone di saldatura. E necessario un flusso di gas inerte per allontanare il plasma che si forma sopra la zona di saldatura e che assorbe l energia del fascio.

34 Lavorazioni Laser - LBM LASER PER SALDATURA Vantaggi Elevata produttività Limitate distorsioni termiche del componente Limitata alterazione termica del materiale Assenza di materiale d apporto Facilità di accesso Possibilità di ottenere saldature estetiche Elevata qualità del cordone (profonda penetrazione) Svantaggi Difficoltà tecnologiche: I due lembi devono essere accoppiati in modo perfetto (luce 5 10% dello spessore) Il fascio deve seguire con estrema precisione la linea di saldatura (sistema di spostamento particolarmente preciso)

35 Lavorazioni con fascio di ioni e di elettroni - IBM/EBM Principio di funzionamento: generazione di un flusso di ioni (IBM) o di elettroni (EBM) che viene accelerato e sparato contro la superficie del pezzo da lavorare (sotto vuoto). La necessità di operare sotto vuoto limita le dimensioni dei pezzi da lavorare.

36 Lavorazioni con fascio di ioni e di elettroni - IBM/EBM Questo processo è utilizzato per vari tipi di lavorazione: taglio foratura saldatura impianto di atomi sulla superficie del pezzo (drogaggio) deposizione di atomi sulla superficie del pezzo (ricoperture) Microfresa a due taglienti, Ø 0.022mm realizzata per asportazione di materiale con la tecnica Ion Beam Machining.

37 Lavorazioni taglio al Plasma Si utilizza un gas ionizzato (plasma) come mezzo per trasferire energia termica da una sorgente di potenza elettrica alla superficie del materiale. Gas a T ambiente ISOLANTE elettrico Gas ad alta energia CONDUTTORE elettrico L arco viene fatto passare attraverso un ugello di rame, raffreddato ad acqua, posizionato tra elettrodo e pezzo.

38 Lavorazioni taglio al Plasma Principio di funzionamento: consiste nella generazione di un flusso di plasma che viene accelerato e sparato contro la superficie del pezzo da lavorare 1 elettrodo refrattario: emettitore termoionico (catodo) 2 orifizio 3 guide per i gas

39 Lavorazioni ad ultrasuoni USM Frequenza vibrazione testa: 20 khz Ampiezza: mm Stress d impatto notevole Tempo e area di contatto tra particelle e pezzo molto ridotto Microfratturazioni localizzate ed erosione della superficie Utensile in acciaio dolce Abrasivo: carburo di boro, allumina, carburo di silicio Trasduttore piezoelettrico o magnetostrittivo

40 Lavorazioni ad ultrasuoni USM Possibili impieghi Materiali molto duri e fragili (ceramici, carburi, pietre preziose, vetro, acciai temprati) No spigoli ed angoli acuti Cavità e fori con marcata conicità Utilizzato anche nella saldatura a lembi sovrapposti di lamiere sottili

41 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Possibili impieghi Fori e fessure Materiali molto duri, metallici e non metallici Fori molto conici No spigoli ed angoli acuti Eventuale mascheratura

42 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Principio di funzionamento Getto molto compatto di acqua sotto pressione (da 70 fino a 400 MPa) Può essere composto da sola acqua o contenere anche materiale abrasivo Taglia qualsiasi materiale Taglio a freddo Forze di taglio basse Geometria e finitura dipendono da vari parametri Smaltimento abrasivo

43 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Principio di funzionamento

44 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Schema dell impianto

45 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Sistema di adduzione abrasivo

46 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Abrasivo Silicon Dioxide (SiO2) 41% Ferrous Oxide (FeO) 10% Ferric Oxide (Fe2O3) 13% Aluminum Oxide (Al2O3) 20% Calcium Oxide (CaO) 3% Magnesium Oxide (MgO) 12% Manganese Oxide (MnO) 1% (Barton Garnet)

47 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Materiali lavorabili Materiali plastici Materiali isolanti Gomma Polistirene Cemento Titanio Alluminio Pietre Materiali compositi Cibi Nylon Tessuti Pellami Leghe di nichel Materiali ceramici Lapidei Acciai Vetro Carta

48 Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ Vantaggi e caratteristiche Il processo può essere applicato a qualsiasi materiale Sistema facilmente automatizzabile e permette la realizzazione di profili complessi Geometria del solco e finitura delle pareti dipendono dalla scelta dei parametri tecnologici Non si hanno distorsioni ed effetti termici Il taglio è molto accurato Non si hanno modifiche strutturali anche in materiali spessi Forze di taglio ridotte, non sono indispensabili attrezzaggi particolari

49 Lavorazioni chimiche - CHM Si utilizzano soluzioni acide o alcaline per attaccare localmente o dissolvere chimicamente il materiale Trattamento termico per l eliminazione di tensioni residue Eliminazione delle parti della maschera che verranno attaccate chimicamente Decapaggio e pulitura delle superfici Applicazione maschera Immersione del pezzo nel reagente Risciacquo accurato Fresatura chimica Rimozione della maschera e ispezione

50 Lavorazioni elettrochimiche ECM L elettrolita porta in soluzione i prodotti della reazione anodica che si sviluppa sul pezzo in lavorazione producendo una cavità. Elettrolita: soluzione in acqua di cloruro di sodio o di nitrato di sodio. Superfici prive di bave Usato anche per sbavatura Utensile (catodo) in ottone, rame o bronzo Velocità di asportazione proporzionale alla densità di corrente No danni termici e distorsioni meccaniche

51 Tolleranze e Rugosità ottenibili