Tecnologie non convenzionali

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1 Tecnologie non convenzionali Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 1 Tecnologia Meccanica Sommario Processi tecnologici per asportazione di truciolo Perché Tecnologie Non Convenzionali? Classificazione delle Tecnologie Non Convenzionali Panoramica sulle Tecnologie Non Convenzionali Come si studia e si valuta una tecnologia? Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 2 Tecnologia Meccanica 1

2 Componenti meccanici realizzati mediante processi tecnologici primari richiedono generalmente processi tecnologici per asportazione di truciolo Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 3 Tecnologia Meccanica PERCHE? 1) E necessario ottenere tolleranze dimensionali, tolleranze di forma e finiture superficiali non realizzabili dai processi tecnologici primari FUNZIONAMENTO AFFIDABILE ED APPROPRIATO DEI COMPONENTI Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 4 Tecnologia Meccanica 2

3 2) Componenti con profili interni ed esterni, spigoli vivi e planarità non realizzabili nei processi di formatura e stampaggio 3) Speciali caratteristiche superficiali ottenibili soltanto con processi di asportazione di materiale 4) Le superfici trattate termicamente al fine di migliorare la durezza e la resistenza all usura necessitano di operazioni di finitura 5) Le lavorazioni alle macchine utensili possono risultare più economiche, ad esempio per piccoli lotti Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 5 Tecnologia Meccanica Limitazioni Produzione di scarti di materiale Necessitano di più energia, capitali e manodopera rispetto ai processi primari Se non eseguiti correttamente possono produrre effetti indesiderati sulla qualità superficiale e sulle proprietà del prodotto Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 6 Tecnologia Meccanica 3

4 Tecnologie di lavorazione m<0 m=0 m>0 convenzionali Per asportazione di materiale Tornitura Fresatura ecc. Per deformazione del materiale Stampaggio Estrusione Tempra ecc. Per aggiunta di materiale Fonderia speciali Taglio laser Lavorazioni a getto d acqua ecc. Idroformatura Trattamento al plasma ecc. Prototipazione Rapida Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 7 Tecnologia Meccanica Classificazione delle lavorazioni per asportazione di materiale Asportazione con utensili a geometria definita Asportazione con utensili a geometria indefinita Asportazione con processi non convenzionali Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 8 Tecnologia Meccanica 4

5 Asportazione con utensili a geometria definita Tornitura Fresatura Foratura, Svasatura, Alesatura Piallatura Brocciatura Segatura Limatura Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 9 Tecnologia Meccanica Asportazione con utensili a geometria indefinita Rettifica Levigatura Lappatura Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 10 Tecnologia Meccanica 5

6 Asportazione con processi non convenzionali Laser Plasma Waterjet - Abrasive Waterjet Ultrasuoni Elettroerosione Elettrochimica Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 11 Tecnologia Meccanica Perché processi non convenzionali? Queste lavorazioni sono state introdotte per rispondere ad alcune esigenze particolari che non riescono ad essere soddisfatte dalle tecnologie convenzionali: 1) Lavorazione di materiali innovativi quali: Materiali ceramici Fibre sintetiche Leghe di titanio Leghe di alluminio Leghe di silicio Superleghe Plastiche Resine 2) Materiali più classici con caratteristiche meccaniche o richieste di forme e finiture particolari (microfori, rugosità superficiali e cavità di stampi non realizzabili per asportazione classica, ) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 12 Tecnologia Meccanica 6

7 Perché processi non convenzionali? 3) Richieste finiture e tolleranze migliori di quelle ottenibili mediante processi tradizionali 4) Pezzi in lavorazioni troppo flessibili o sottili per sopportare forze di taglio elevate 5) Per evitare incrementi di temperatura e/o tensioni residue nel pezzo in lavorazione 6) Problemi nell afferraggio in un attrezzatura di bloccaggio Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 13 Tecnologia Meccanica Classificazione delle lavorazioni per asportazione di materiale Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 14 Tecnologia Meccanica 7

8 Tecnologie non convenzionali Elettro-termiche Electro Discharge Machining (EDM) Laser Beam Machining (LBM) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 15 Tecnologia Meccanica Tecnologie non convenzionali Elettro-termiche Electron Beam Machining (EBM) Plasma Beam Machining (PBM) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 16 Tecnologia Meccanica 8

9 Elettroerosione - EDM Erosione dei metalli attraverso una successione di scariche elettriche Elettroerosione a tuffo Si applica a tutti i materiali conduttori Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 17 Tecnologia Meccanica ELETTROEROSIONE A TUFFO Si basa sulla 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 Pezzo Dielettrico Utensile Gap (0.025 mm) Volume asportato Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 18 Tecnologia Meccanica 9

10 La lavorazione non dipende dalle caratteristiche meccaniche del materiale ma dalle sue caratteristiche fisico/termiche La scintilla scocca dove si ha la distanza minima utensile-pezzo e dove si ha la massima conducibilità locale del fluido. Si ha sempre soltanto una scintilla alla volta. Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 19 Tecnologia Meccanica IL CIRCUITO DI LAZARENKO (1943) Il primo circuito è stato messo a punto da Lazarenko (circuito RC o a rilassamento ): Tensione al generatore Vr Tensione di rottura V Corrente (>1000 A) I I s t ton toff t ttot Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 20 Tecnologia Meccanica 10

11 PARAMETRI TIPICI DEL PROCESSO (LAZARENKO) Tensione V (in continua) Tensione al generatore Vr Tensione di rottura V Corrente 1000 A Tempo scarica 0.1 µs Tempo totale 200 µs Corrente (>1000 A) I I s t ton toff t ttot Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 21 Tecnologia Meccanica CIRCUITO DI GENERAZIONE DEGLI IMPULSI V Vr Utilizzando dei circuiti elettronici di potenza è possibile controllare la forma dell impulso I s I t t on t off t tot t Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 22 Tecnologia Meccanica 11

12 PARAMETRI TIPICI DEL PROCESSO GENERATORE DI IMPULSI Tensione Corrente V 1-10 A Tempo scarica µs (t on ) Tempo totale µs (t tot ) Tensione V (in continua) Corrente LAZARENKO 1000 A Tempo scarica 0.1 µs (t on ) Tempo totale 200 µs (t tot ) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 23 Tecnologia Meccanica EFFICIENZA DEL CIRCUITO Il processo di conduzione del calore richiede tempo. A parità di energia per impulso si ha: I elevata ton breve I bassa ton lungo Bassa velocità di rimozione Elevata finitura superficiale Elevata velocità di rimozione Scarsa finitura superficiale Circuito di Lazarenko Circuito a generazione di impulsi Alcuni impianti utilizzano il circuito di Lazarenko per la finitura e il generatore di impulsi per la sgrossatura. Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 24 Tecnologia Meccanica 12

13 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 Mandrino Elettrodo Pezzo Elettrolita Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 25 Tecnologia Meccanica Microfori su metallo duro Fori ciechi Fori profondi di piccolo diametro Fessure strette Forme complesse e articolate Foro minimo 0,3 Utensili (grafite, bronzo, rame, leghe rame-tungsteno) sagomati mediante forgiatura, fusione o asportazione di truciolo Problemi per l usura dell utensile Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 26 Tecnologia Meccanica 13

14 e All inizio del ciclo, il contributo più importante è dato dagli elettroni (massa piccola quindi più mobilità) che colpiscono l anodo. Velocità di erosione [volume/tempo] (MRR) Catodo All aumentare di t on interviene anche il contributo degli ioni positivi (meno mobili), che accelerano verso il catodo aumentandone l erosione. Il catodo può arrivare a subire il 99% dell erosione totale. Anodo 0,5 µs 3 µs 30 µs t on Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 27 Tecnologia Meccanica Elettroerosione a filo (WEDM) Il filo percorre molto lentamente il profilo programmato Spessori fino a 500 mm Filo di bronzo, rame o tungsteno (ø min 0.25 mm) Filo (Elettrodo) Elettrolita Pezzo Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 28 Tecnologia Meccanica 14

15 Con questa lavorazione è possibile lavorare piastre nelle quali eseguire ritagli secondo profili predefiniti È possibile ottenere anche profili di tipo rigato comandando in maniera differenziata le due testate inferiore e superiore del mandrino portafilo (4 assi) Esempio di macchina Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 29 Tecnologia Meccanica 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 Caratteristiche: Monocromaticità Fasamento Direzionalità Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 30 Tecnologia Meccanica 15

16 Caratteristiche della radiazione laser 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 Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 31 Tecnologia Meccanica Caratteristiche della radiazione laser Dalle caratteristiche del fascio derivano proprietà utili per le lavorazioni: 1.Facilità di focalizzazione 2.Elevata efficienza di interazione laser-materia d s 1. Se avessi diverse λ, avrei, per ognuna, un valore diverso di z f e il valore del diametro nel fuoco d s sarebbe mediato 2. La forzante ha una sola frequenza e una sola fase quindi si ha uno scambio efficiente di energia Reticolo cristallino del materiale Potenza specifica laser 100 W: 10 4 W/mm 2 Potenza specifica lampadina 100 W: 10-3 W/mm 2 Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 32 Tecnologia Meccanica 16

17 Schema tipico del sistema laser Sorgente laser Fascio laser Specchio riflettente Sistema di raffreddamento Lente di focalizzazione Gas di assistenza Pezzo in lavorazione Ugello Tavola x-y Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 33 Tecnologia Meccanica Il laser La macchina La testa di taglio Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 34 Tecnologia Meccanica 17

18 Sorgenti liquida: di scarso interesse industriale solida: Nd-Yag Pot= fino a pochi kw Applicazioni industriali diodi Pot= fino a 1 kw gassosa: atomi HeNe Pot= qualche centinaio di milliwatt Campi di misura e olografici ioni Kr e Ar molecole CO 2 Pot= fino a poche decine di Watt Campo medicale Pot= max circa 20 kw Applicazioni industriali Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 35 Tecnologia Meccanica Interazione laser - materia Quando il fascio laser raggiunge una superficie avvengono diversi fenomeni: riflessione, assorbimento e trasmissione della luce. La riflessione comporta una perdita di energia. Se P i 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 [ - ] P i P a Pr A + R = 1 P = P + P i r a a P = RP i P = (1 R) P = AP r i i 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). Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 36 Tecnologia Meccanica 18

19 Interazione laser - materia Andamento dell assorbimento laser in funzione della lunghezza d onda e del materiale: Assorbimento % A KrF Nd:YAG CO 2 Metalli Non Metalli Lunghezza d onda (µm) Assorbimento A 0.30 KrF Nd:YAG CO Ag Acciaio 0.20 Au Al Fe Mo Lunghezza d onda (µm) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 37 Tecnologia Meccanica Interazione laser - materia Andamento dell assorbimento laser in funzione della temperatura e dello stato del materiale: 100 Assorbimento % A µm 10.6 µm Punto di fusione Temperatura Punto di vaporizzazione Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 38 Tecnologia Meccanica 19

20 Modalità di asportazione del materiale L asportazione di materiale può avvenire con diverse modalità e passa attraverso le fasi seguenti: riscaldamento, fusione e vaporizzazione La 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 fusione vaporizzazione Formazione di plasma Riscaldamento e reazione esotermica di ossidazione: viene utilizzata solo per i metalli. Il laser riscalda il materiale ad una temperatura alla quale avviene la reazione di ossidazione tra il materiale e il gas di assistenza. Tale reazione è fortemente esotermica e il calore prodotto contribuisce ad asportare il materiale. Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 39 Tecnologia Meccanica Gas di assistenza 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. Gas di assistenza Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 40 Tecnologia Meccanica 20

21 Materiali lavorabili Metallici Polimerici Ceramici Compositi Legno, carta, vetro, gomma, pelle Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 41 Tecnologia Meccanica Applicazioni industriali Taglio assistito ad ossigeno per fusione per vaporizzazione per degradazione chimica Un esempio di taglio Un esempio di taglio della lamiera Saldatura di bassa o profonda penetrazione ottima qualità, notevoli velocità, ZTA ridotte difficoltà nell accoppiare perfettamente i lembi Saldatura Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 42 Tecnologia Meccanica 21

22 Taglio laser 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) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 43 Tecnologia Meccanica Taglio laser Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 44 Tecnologia Meccanica 22

23 Foratura fori di piccolo diametro (ordine di grandezza: 1 µm) Foratura Trattamenti termici tempra, alligazione, vetrificazione sup. superfici di difficile accesso ridotta distorsione geometrica Modifiche superf. Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 45 Tecnologia Meccanica Vantaggi e svantaggi del taglio laser VANTAGGI Processo estremamente rapido Solco di taglio stretto Qualità elevata Processo facilmente automatizzabile Assenza di forze Assenza di usura Taglio omnidirezionale Processo silenzioso SVANTAGGI Costo del sistema Limite degli spessori tagliabili Processo termico Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 46 Tecnologia Meccanica 23

24 Saldatura laser Il raggio laser focalizzato sul profilo dei lembi, ne determina la saldatura autogena per fusione e successiva risolidificazione. laser cordone di saldatura lembi 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 Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 47 Tecnologia Meccanica Tipologie di saldature laser 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 1:10 e oltre Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 48 Tecnologia Meccanica 24

25 Saldatura a bassa penetrazione La profondità del cordone è paragonabile alla sua larghezza (fattore di forma circa unitario). Adatta sia per materiali metallici che polimerici La potenza del laser è assorbita dalla superficie del materiale senza vaporizzazione e la propagazione del calore all interno dei pezzi è dovuta ad un fenomeno di conduzione. La potenza media delle sorgenti usate è 1 1,5 kw per il CO 2 in continuo e 100 W impulsati per il Nd:YAG. Saldatura di C40, spessore 1 mm La saldatura a bassa penetrazione è comunque poco affidabile ed è impiegata nella giunzione di lamiere di piccolo spessore e nella sigillatura Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 49 Tecnologia Meccanica Saldatura di profonda penetrazione La profondità del cordone è 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: metallo fuso key hole larghezza zona fusa penetrazione direzione di movimento del pezzo 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. Si utilizzano laser a CO 2 fino a 5 kw o laser impulsati al Nd:Yag con potenza media di 1 1,5 kw. Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 50 Tecnologia Meccanica 25

26 Saldatura di profonda penetrazione Laser Rappresentazione schematica di una saldatura laser Sezione tipica di una saldatura laser Materiale: AISI 316 LN Spessore: 14 mm Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 51 Tecnologia Meccanica Vantaggi e svantaggi della saldatura laser 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 movimentazione particolarmente preciso) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 52 Tecnologia Meccanica 26

27 Marcatura e incisione Cleaning Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 53 Tecnologia Meccanica Esempi di marcature laser marcatura su acciaio: scala graduata e nonio di un calibro marcatura su alluminio mediante incisione dello strato anodizzato Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 54 Tecnologia Meccanica 27

28 Esempio di marcature laser lavorazione 3D nel vetro Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 55 Tecnologia Meccanica Lavorazioni con fascio di ioni e di elettroni - IBM/EBM Il principio di funzionamento consiste nella 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). Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 56 Tecnologia Meccanica 28

29 Questo processo può essere 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) Applicazioni nell industria elettronica e nucleare La necessità di operare sotto vuoto limita le dimensioni dei pezzi da lavorare Microfresa a due taglienti, Ø mm realizzata per asportazione di materiale con la tecnica Ion Beam Machining. Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 57 Tecnologia Meccanica Si utilizza un gas ionizzato (plasma) come mezzo per trasferire energia termica da una sorgente di potenza elettrica alla superficie del materiale Taglio plasma - PAC Gas a T ambiente ISOLANTE elettrico Gas ad alta energia CONDUTTORE elettrico Plasma freddo Il gas non è in equilibrio termico Applicazioni: fusione selettiva, trattamenti termici, trasformazioni strutturali Plasma caldo Il gas è in equilibrio termico Applicazioni: taglio, saldatura, thermal spray Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 58 Tecnologia Meccanica 29

30 Evoluzione del processo di saldatura TIG (Tungsten Inert Gas) Arco elettrico tra elettrodo e superficie del pezzo da lavorare Gas inerte protegge zona di saldatura e elettrodo TIG PLASMA L arco viene fatto passare attraverso un ugello di rame raffreddato ad acqua posizionato tra elettrodo e pezzo Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 59 Tecnologia Meccanica Il 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 Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 60 Tecnologia Meccanica 30

31 Combinazione di 2 azioni: termica: provoca la fusione del metallo cinetica: provoca l evacuazione del liquido formato alto costo d investimento elevata produttività scarsa qualità del taglio limitata trasportabilità produzione di fumi, rumore e radiazioni danneggiamento microstrutturale Applicazioni: metalli materiali non conduttori (Plasma Jet) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 61 Tecnologia Meccanica Dai primi anni 90: High Definition Plasma Cutting - HDP miglioramento della tecnologia preesistente TEMPERATURA qualità del taglio buona ZTA contenuta concorrenziale con altre tecnologie non convenzionali Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 62 Tecnologia Meccanica 31

32 Impianto HDP del Politecnico di Milano Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 63 Tecnologia Meccanica Meccaniche Tecnologie non convenzionali Ultrasonic Machining (USM) Abrasive Jet Machining (AJM) Water Jet Machining (WJM) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 64 Tecnologia Meccanica 32

33 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 Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 65 Tecnologia Meccanica Materiali molto duri e fragili (ceramici, carburi, pietre preziose, vetro, acciai temprati) No spigoli ed angoli acuti Cavità e fori con marcata conicità Utilizzo di eventuale mascheratura di protezione Utilizzato anche nella saldatura a lembi sovrapposti di lamiere sottili Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 66 Tecnologia Meccanica 33

34 Abrasive Jet Machining (AJM) Fori e fessure Materiali molto duri, metallici e non Fori molto conici No spigoli ed angoli acuti Eventuale mascheratura Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 67 Tecnologia Meccanica Taglio a freddo Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ 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 Forze di taglio basse Geometria e finitura = f(parametri) Smaltimento abrasivo Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 68 Tecnologia Meccanica 34

35 Impianto AWJ del Politecnico di Milano 2 assi 5 assi Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 69 Tecnologia Meccanica Il Processo: getti puri e iniettati WATER JET ABRASIVE WATER JET Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 70 Tecnologia Meccanica 35

36 Schema d impianto Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 71 Tecnologia Meccanica L intensificatore Entrata acqua Uscita acqua Uscita olio A singolo effetto Entrata olio Uscita olio Entrata olio g A doppio effetto Uscita acqua q Entrata acqua Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 72 Tecnologia Meccanica 36

37 Intensificatore a doppio effetto Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 73 Tecnologia Meccanica Sistema di adduzione abrasivo VALVOLA DI REGOLAZIONE ABRASIVO VALVOLA DI REGOLAZIONE DELL ARIA ACQUA AD ALTA PRESSIONE LINEA DI TRASPORTO DELL ABRASIVO TESTA DI TAGLIO ABRASIVA UNITA DI REGOLAZIONE ABRASIVO Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 74 Tecnologia Meccanica 37

38 Abrasivo Barton Garnet Silicon Dioxide (SiO 2 ) 41% Ferrous Oxide (FeO) 10% Ferric Oxide (Fe 2 O 3 ) 13% Aluminum Oxide (Al 2 O 3 ) 20% Calcium Oxide (CaO) 3% Magnesium Oxide (MgO) 12% Manganese Oxide (MnO) 1% mesh # HPX (µm) 60 (250) 80 (180) 100 (150) 150 (106) 200 (75) 250 (63) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 75 Tecnologia Meccanica 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 Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 76 Tecnologia Meccanica 38

39 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 Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 77 Tecnologia Meccanica Applicazioni AWJ Kevlar Bronzo Acciaio Alluminio Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 78 Tecnologia Meccanica 39

40 Applicazioni AWJ: lavorazione artistica dei lapidei Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 79 Tecnologia Meccanica Applicazioni WJ cibo gomma carta Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 80 Tecnologia Meccanica 40

41 Chimiche Tecnologie non convenzionali Chemical Machining (CHM) Elettrochimiche Electro Chemical Machining (ECM) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 81 Tecnologia Meccanica Lavorazioni chimiche - CHM Si utilizzano soluzioni acide o alcaline per attaccare localmente o dissolvere chimicamente il materiale Fresatura chimica Trattamento termico per l eliminazione di tensioni residue Decapaggio e pulitura delle superfici Applicazione maschera Eliminazione delle parti della maschera che verranno attaccate chimicamente Immersione del pezzo nel reagente Risciacquo accurato Rimozione della maschera e ispezione Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 82 Tecnologia Meccanica 41

42 Fresatura chimica: applicazioni Piccole cavità di forma anche complessa su lamiere, pezzi forgiati o estrusi Vasta gamma di metalli e profondità di asportazione fino a mm Produzioni di cavità o contorni a più livelli Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 83 Tecnologia Meccanica Tranciatura fotochimica Lamiere di spessore molto sottile (fino a mm) Non si formano bave Procedura: Ingrandimento della geometria da tranciare Ricopertura del lamierino da tranciare con liquido fotosensibile Proiezione del negativo Fase di sviluppo Immersione in vasca piena di reagente Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 84 Tecnologia Meccanica 42

43 Tranciatura fotochimica Applicazioni nell industria aeronautica ed elettronica Controindicazioni: Non adatto per geometrie con angoli molto acuti, cavità profonde e sottili, conicità molto precise Difficoltà con superfici porose o fortemente irregolari Asportazione di materiale anche nelle zone protette da maschera Tasso di rimozione (MRR) basso Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 85 Tecnologia Meccanica Lavorazioni elettrochimiche ECM L elettrolita porta in soluzione i prodotti della reazione anodica che si sviluppa sul pezzo in lavorazione producendo una cavità Utensile (catodo) in ottone, rame o bronzo Elettrolita: soluzione in acqua di cloruro di sodio o di nitrato di sodio Velocità di asportazione proporzionale alla densità di corrente Superfici prive di bave Usato anche per sbavatura No danni termici e distorsioni meccaniche Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 86 Tecnologia Meccanica 43

44 Problemi per spigoli netti e planarità elevata Controllo del flusso di elettrolita problematico Tolleranze dimensionali e di forma non troppo strette Industria aeronautica (palette di turbina, ugelli di forma complessa) Lavorazioni di cavità di forme complesse in materiali di elevata tenacità e resistenza meccanica Fori di diametro molto piccolo Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 87 Tecnologia Meccanica Rettificatura elettrochimica (ECG) L utensile è un catodo rotante L abrasivo agisce da isolante Usura molto contenuta Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 88 Tecnologia Meccanica 44

45 Tolleranze e Rugosità ottenibili Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 89 Tecnologia Meccanica Come si studia una TECNOLOGIA? (prodotto+processo+sistema) Il processo principio fisico di base del processo modellazione dell interazione tra utensile e materiale principali parametri di processo e relativo campo di variabilità Il sistema descrizione del sistema schema di funzionamento Il prodotto relazione tra parametri di processo e qualità dei prodotti ottenibili principali applicazioni industriali Elementi di valutazione tecnica ed economica Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 90 Tecnologia Meccanica 45

46 Come si valuta una tecnologia? (Prodotto+ Processo+ Sistema) Qualità Costo Pd - Complessità particolari geometrici Pd - Finitura superficiale Pd - Proprietà termo-meccaniche Pc - Ripetibilità del processo Pc - Precisione del processo S - Costo d investimento S - Costo d esercizio S/Pc - Impatto ambientale t Tempo S/Pc S S fs/pc - Range di materiali lavorabili S/Pc - Range di geometrie lavorabili S/Pc - Variabilità ritmi produttivi Flessibilità - Velocità di lavorazione - Tempi di setup - Tempo di progettazione e lancio in produzione di un nuovo prodotto (time to market) Sezione Tecnologie Meccaniche e Produzione 91 Tecnologia Meccanica 46