MATERIALI E PROCESSI INNOVATIVI

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1 MATERIALI E PROCESSI INNOVATIVI

2 1.Processi Fisici Innovativi 2.Nanotecnologie e Materiali a Memoria di Forma 3.Processi Chimici Innovativi 4.Prototipazione Rapida e Attrezzaggio Rapido ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 2

3 ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 3

5 Processi Fisici Innovativi

6 1. Lavorazioni con ULTRASUONI 2. ELETTROEROSIONE 3. LASER 4. FASCIO ELETTRONICO 5. PLASMA 6. TAGLIO CON GETTO D ACQUA 7. PALLINATURA 8. RULLATURA 9. DIFFUSSION BONDING 10. DEPOSIZIONE FISICA IN FASE GASSOSA ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 6

7 Peculiarità dei processi fisici innovativi Assenza produzione di truciolo Assenza utensile vero e proprio Assenza di contatto pezzo-utensile Assenza sforzi di taglio con relative riduzioni delle tensioni meccaniche residue ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 7

8 Lavorazioni con Ultrasuoni ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 8

9 Lavorazione ad ultrasuoni, o macinazione impatto ultrasuoni. L utensile vibrante oscillante è sottoposto ad vibrazioni/ultrasuoni, e viene utilizzato per rimuovere materiale dal pezzo, aiutato da un abrasivoliquido, che scorre tra il pezzo e l'utensile. La rimozione del materiale si crede possa essere causata da una combinazione di: Martellamento ed impatto delle particelle abrasive sulla superficie di lavoro ad opera dell'utensile. La velocità dell'utensile vibrante. L'erosione da cavitazione L'azione chimica associata al fluido utilizzato. USM UltrasonicMachining ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 9

10 Vantaggi: Il prezzo non presenta zone termicamente alterate Il bombardamento delle particelle abrasive sul pezzo, genera sforzi residui di compressione che ne aumentano la resistenza a fatica L'utensile mai contatto con il pezzo, rende questa operazione perfetta per la lavorazione di materiali estremamente duri e fragili, come il vetro, zaffiro, rubino, diamanti e ceramica. Si realizzano forme, fori ed intagli perfetti, mantenendo ottime tolleranze di lavorazione ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 10

11 Applicazioni USM Saldatura Foratura Taglio (pietre preziose e non) Pulizia sup. metalliche Rettifica Filettatura materiali ceramici e vetrosi Incisione e punzonatura di stampi Lavorazioni materiali semiconduttori ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 11

12 Principio di funzionamento USM 1. Trasduttore 2. Cono di trasmissione 3. Utensile (sonotrodo) 4. Abrasivo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 12

13 1. Trasduttore sono di 2 tipi:magnetostrittivo (migliori) e/o piezoelettrici La corrente elettrica di rete da bassa f, viene trasformata in alta f (20-60 khz), quindi inviata al trasduttore. Questo la converte in E Mecc vibrazionale longitudinale 2. Cono trasmissione Collegato al trasduttore tramite filettatura o saldatura. Riceve concentra e trasporta, l E Mecc vibrazionale ultrasonica all utensile. Può essere unico o a piùstadi. 3. Utensile o sonotrodo (acciai dolci, inossidabili, rivestiti in Al e ottone) Parte terminale, spinge l abrasivo, alla superficie da lavorare. Ha forme diverse a seconda dello scopo. Ha elevata resilienza e resistenza a fatica 4. Abrasivo Fluido + grani di carburo di boro/silicio, vetro, germanio. Viene riutilizzato. Unità di misura: Mesch. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 13

14 Meccanismo asportazione del materiale Non esiste contatto utensile-pezzo da lavorare, causa l interposizione dell abrasivo. 1. Impatto tra abrasivo e superficie del pezzo 2. Martellamento continuo tra grani e pezzo: movimento oscillatorio utensile + f ultrasonica = aperture ed intagli che si espandono con cricche e fratture (processo di fatica accelerato). 3. Erosione chimica 4. Cavitazione indotta nella superficie già erosa Valori di rugositàtra 0,02-0,8 ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 14

15 Saldatura La saldatura ad ultrasuoni utilizza energia sonora ad alta frequenza per fondere il materiale nel punto di giunzione. Utilizzata x metalli e materie plastiche. Le parti che devono essere saldate vengono tenute insieme sotto pressione e sottoposte a vibrazioni ultrasoniche, normalmente alla frequenza di 20, 30, 35, 70kHz. Essendo un processo molto rapido (il tempo di saldatura è normalmente intorno al secondo) e facilmente automatizzabile, questa è largamente utilizzata per le materie plastiche Vantaggi: un ciclo di saldatura rapido; una saldatura facilmente automatizzabile e controllabile a basso consumo energetico. Svantaggi: Applicabilità solo su parti di piccole e medie dimensioni Applicazioni: Questa tecnologia di saldatura èadatta: per le attrezzature mediche; per il settore automobilistico; per i componenti elettrici e nell'industria dei giocattoli ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 15

16 Componentistica x saldatura USM 4 i componenti principali: 1. Il generatore, per cambiare la frequenza dell'elettricitàda 50-60Hz in alta frequenza a 20-70kHz. 2. Il converter, per cambiare l energia elettrica in energia meccanica di vibrazione a frequenze ultrasoniche. 3. Il booster, che incrementa l ampiezza delle onde sonore. 4. Il sonotrodo, che trasmette l energia sotto forma di vibrazioni direttamente alle parti che devono essere assemblate ed applica la pressione di saldatura. La tecnologia di saldatura ad ultrasuoni, per la sua versatilità, consente di eseguire lavorazioni di saldatura, deformazione, rivettatura, bordatura, inglobamento o saldatura a punti. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 16

17 Elettroerosione ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 17

18 Principio Fisico Funzionamento Necessari: 1.Elettrodo 2.Pezzo 3.Dielettrico 4.Energia elettrica Si lavorano metalli e leghe di qualsiasi durezza purché CONDUTTORI ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 18

19 Cosa è il dielettrico?? Idrocarburo (oliisintetici o minerali, derivati dal petrolio) x elettroerosione a tuffo Acqua deionizzata x elettroerosione a filo A cosa serve il dielettrico?? Fornisce ioni x generare la scarica elettrica e la scintilla Localizza la scintilla sul pezzo Diminuisce la sezione dell arco elettrico Rimuove il materiale fuso/evaporato Raffreddamento: pezzo ed elettrico ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 19

20 Principio Fisico Funzionamento L asportazione del materiale avviene: 1.Generazione campo elettrico (causa elevato d.d.p., tra elettrodo e pezzo, si sviluppa intenso campo elettrico 2.Rottura del dielettrico(l intenso campo elettrico, strappa gli elettroni al pezzo, creando un effetto a valanga i quali interrompono anche l isolamento ionizzando il dielettrico. 3.Formazione del canale di scarica (costituito da plasma con T comprese tra C ed alte Pressioni) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 20

21 Principio Fisico Funzionamento 4. Formazione della scintilla (si crea una scintilla x volta. La superficie del pezzo causa le alte temperature e pressioni, subisce asportazione del materiale x fusione ed evaporazione con creazione di micro crateri locali) 5. Apertura del circuito elettrico (si ha l interruzione del passaggio di CE, relativa diminuzione degli ioni e scomparsa delcanale di scarica, implosione della bolla di gas) 6. Proiezione del materiale fuso (l implosione della bolla di gas, proietta all esterno il materiale fuso in microsfere cave e piene) 21

22 Tipologia di elettroerosione Elettroerosione a tuffo (elettrodo che si avvicina al pezzo ad una distanza costante, riproduce in negativo la geometria dell elettrodo stesso) Elettroerosione a filo (l utensile èun filo metallico conduttore, che taglia e sagoma complessi profili 2D e 3D) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 22

23 Elettroerosione a tuffo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 23

24 Elettroerosione a tuffo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 24

26 Elettroerosione a filo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 26

33 LASER ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 33

34 LASER (onde elettromagnetiche) Light Amplification Simulated Emission Radiation Amplificazione della Luce mediante l Emissione Stimolata della Radiazione ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 34

35 Applicazioni del LASER Il laser è uno dei dispositivi che più di frequente è presente in oggetti di uso quotidiano: presente nel lettore di Compact Disc, alla cassa del supermercato x la lettura dei prezzi. Utilizzato nelle telecomunicazioni per trasmettere il segnale di un grandissimo numero di canali televisivi attraverso lo spazio, nelle comunicazioni telefoniche e tra sistemi di computer attraverso le fibre ottiche. Nell industria è usato per riscaldare, fondere o vaporizzare una sostanza con grande precisione, per forare diamanti, per tagliare componenti elettronici di dimensioni molto piccole nei microcircuiti e per tutte le lavorazioni che richiedono estrema precisione. In medicina viene usato per forare le ossa, cauterizzare vasi sanguigni, ma è particolarmente utile negli interventi di microchirurgia, soprattutto in oculistica dove grazie al laser, è possibile ricucire la retina sul fondo dell occhio. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 35

36 Applicazioni del LASER Il laser si usa inoltre per rilevare misure anche molto grandi come ad esempio la distanza fra la Terra e la Luna; nel settore militare è impiegato nei sistemi di guidaper missili, aerei e satelliti. Come si genera un raggio laser? Tutta la materia è composta da atomi. Ogni atomo possiede un nucleo attorno al quale ruotano gli elettroni. Quando gli elettroni vengono opportunamente stimolati mediante luce o calore, possono abbandonare la loro orbita e passare su un altra orbita più lontano dal nucleo. Gli elettroni però tendono a ritornare allo stato iniziale restituendo l energia assorbita. Queste piccolissime quantità di energia si chiamano fotoni e sotto forma di radiazioni luminose compongono il fascio di luce dei laser. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 36

37 Applicazioni del LASER Esistono diversi tipi di laser che vengono classificati in base al materiale (materiale attivo) in cui elettroni sono stimolati, per esempio il laser a gas, asemiconduttore, aliquidoe a stato solido. Nel caso del materiale a stato solido, in materiale attivo è costituito da una barretta di cristallo di rubinoavvolta da una lampada a forma di spirale che invia impulsi luminosi intermittenti. Questi lampi di luce bianca sollecitano gli elettroni della sbarra di rubino, tanto da far rimbalzare su orbite lontane dai nuclei. Ricadendo nelle loro orbite, gli elettroni emettono fotoni sotto forma di onde luminose. Ciò genera un lampo di luce laser che fuoriesce da un estremità della barra di rubino. Questo processo spiega il perché del nome laser, che deriva dalle iniziali delle parole inglesi Light Amplification bystimulatedemission ofradation cioè Amplificazione di luce mediante emissione stimolatadi radiazioni. La luce laser differisce dalla luce normale perché è molto più potente e concentrata e può percorrere molte migliaia di kilometri senza disperdersi. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 37

38 LASER Classificate a seconda della loro sorgente: 1. Onde radio 2. Microonde 3. Infrarossi 4. Luce o spettro del visibile 5. Ultravioletti 6. RX 7. RY ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 38

39 LASER Caratteristiche: Monocromaticità Unidirezionalità Coerenza spaziale e temporale Brillanza Ovvero dispositivo in grado di emettere un fascio di lucecoerente e monocromatica, concentrata in un raggio rettilineo estremamente preciso dove tutti i fasci di luce sono resi paralleli tra loro. L elevatissima brillanza, data dal concentrare una grande potenza in un area molto piccola, permette ai laser l incisione ed il taglio dei metalli. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 39

40 Emissione stimolata Crea i presupposti alla generazione del fascio laser. Si può operare per: 1.Inversione di popolazione: consiste nel portare contemporaneamente, gli atomi presenti in un sistema, ad un alto livello di energia. Nel nostro caso una quantità di gas, che fornisce gli atomi, viene fatta vorticare fortemente all interno del laser da delle turbine. Il fascio gassoso è quindi composto da atomi carichi di energia e pronti a rilasciarla sotto forma di fotoni. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 40

41 2. Emissione stimolata: l elettrone spinto nelle orbite più lontane dal nucleo, viene colpito da un fotone e stimolato a rientrare nella sua orbita fondamentale; il salto energetico avviene con avviene con l emissione di altro fotone identico a quello incidente, al quale si somma generando un onda a radiazione amplificata. Quindi: Fotone atomo eccitato Fotone = Luce = E elettrica fotone fotone atomo eccitato atomo eccitato ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 41

42 Generazione del fascio laser 1. Cavità ottica risonante (o risonatore ottico, nel cui interno il singolo fotone, provoca l emissione di una serie di altri identici, costretti ad oscillare avanti e dietro tra i 2 specchi) 2. Specchio riflettente 3. Specchio semi-riflettente, che contiene un 4. Mezzo attivo, solido,liquido o gassoso 5. Sistema di pompaggio (costituito da scariche di energia elettrica/radiazione luminosa monocromatica, consente l inversione di popolazione) 6. Le continue riflessioni (vedi p. 1, provocano, la moltiplicazione del fotone, all interno del mezzo attivo, vedi p. 4) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 42

43 Generazione del fascio laser 7. Raggiunta una certa intensità, i fotoni escono dallo specchio semi riflettente in un unico raggio: Monocromatico in fase Perfettamente rettilineo 8. Il fascio laser raggiunge la Lente di focalizzazione, quindi attraverso l ugello, il pezzo da lavorare 9. Durante la lavorazione è presente un Gas di assistenza (3-4 bar) che: Allontana il materiale fuso Protegge la lente dal materiale fuso Allontana il plasma che si forma al di sopra della sup. da lavorare ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 43

44 Classificazione LASER In base al tipo di materiale attivo, presente nella sorgente: Allo stato solido Allo stato liquido Allo stato gassoso Allo stato semiconduttore Laser a eccimeri A centri di colore ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 44

45 Applicazioni industriali Si ottiene: Fusione dei metalli: 10⁵ W/cm² Evaporazione del materiale:10⁶-10⁷ W/cm² Produzione di plasma (vapore ionizzato): 10⁹ W/cm² ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 45

46 Taglio laser Elevata temperatura C con evaporazione materiale Precisione e velocità grazie all utilizzo dei CNC Vantaggi: Bordi taglio stretti e paralleli Opera su profili complessi Assenza distorsioni meccaniche Minime distorsioni Processo automatizzabile e silenzioso Svantaggi: Elevati costi X gli acciai al C non si superano i 15 mm ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 46

48 E ancora Applicabile a una vasta gamma di materiali e spessori; Larghezze di taglio ridotte; Affidabilità; Flessibilità nelle sostituzioni; Riduzione nei costi di lavorazione e nei tempi di set-up; Processo senza contatto (nessuna usura o rottura degli utensili, minima deformazione del materiale); Versatile (lo stesso utensile può essere utilizzato per la foratura e la saldatura laser); Capacitàper un alto grado di manipolazione del fascio (taglio 3D). ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 48

50 Foratura laser Vantaggi Processo senza contatto (nessuna usura o rottura degli utensili,minima deformazione del materiale); Risultati estremamente precisi e omogenei; Preciso controllo dell'apporto termico; Possibilitàdi produrre fori di piccolo diametro con un elevato rapporto larghezza/lunghezza; Facilitàdi programmazione e adattabilitàper l'automazione; Velocitàdi produzione aumentata con tempi di set-up piùrapidi e utilizzo di un numero minore di utensili; Flessibilitànella sostituzione dei prototipi e la produzione di piccoli lotti; Versatilità(lo stesso utensile può essere utilizzato per la saldatura e iltaglio laser); Elevato grado di manipolazione del fascio (compresa la possibilitàdi praticare fori ad angoli poco profondi e fori sagomati); Possibilitàcon alcuni sistemi laser di forare diverse caratteristiche simultaneamente; Possibilità di lavorare una vasta gamma di materiali. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 50

52 Saldatura laser Caratteristiche: La saldatura laser è generalmente effettuata senza metalli d'apporto (autogena) e quindi l'accostamento delle parti è estremamente importante, con una distanza inferiore al 15% dello spessore del componente piùsottile. Le parti devono essere inoltre relativamente pulite in quanto la saldatura èmolto veloce e quindi eventuali contaminanti non possono essere bruciati. Un'atmosfera di gas è necessaria per i metalli più reattivi, ma molte leghe possono essere saldate normalmente. L'apporto del calore di saldatura e la forma della saldatura possono essere controllati con parametri laser e ottici per generare modalità di saldatura a conduzione, penetrazione e keyhole. La modalità a conduzione prevede una penetrazione piuttosto superficiale e saldature larghe, simili a una forma di saldatura GTAW o TIG. Le saldature per penetrazione prevedono una penetrazione pari alla larghezza della saldatura, o leggermente superiore. Quando si utilizza la modalità di saldatura laser per penetrazione, l'apporto termico viene ridotto a causa del volume di fusione inferiore, che consente una saldatura per penetrazione a basso apporto termico anche con laser di bassa potenza media. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 52

54 Saldatura laser Vantaggi: Saldature uniformi e ripetibili; Piccola zona affetta da calore (HAZ); Stretto cordone di saldatura con un buon aspetto estetico; Saldatura ad alta tenacità; Facilmente automatizzabile; Alto grado di precisione e controllo; Possibilità di saldare materiali dissimili; Fondente o riempitivi in genere non necessari; Flessibilitànella manipolazione del fascio, compresa l'emissione a fibra ottica; Possibilità di saldare in zone difficili da raggiungere con altre tecniche; Spesso più veloce di altre tecniche, con un rendimento superiore; Versatile (lo stesso utensile può essere utilizzato per il taglio e la foratura laser); ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 54

60 Fascio Elettronico ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 60

61 Fascio Elettronico Caratteristiche: (utilizzato x saldare e forare ) La saldatura a fascio di elettroni è un metodo che utilizza un fascio mirato di elettroni ad alta energia generati da un filamento e diretti al giunto da saldare. Il riscaldamento èmolto localizzato e il resto dell'assieme rimane pertanto freddo e stabile. Ciò provoca saldatura molto stretta con una zona termicamente alterata minima. Non vi è alcuna necessità di utilizzare metallo d'apporto in quanto il metallo di base dell'assieme viene fuso. Poiché si tratta di un metodo in cui è necessaria una visibilità diretta, non è possibile saldare negli angoli o negli spigoli. Produce una profondità di saldatura fino a 30 mm e i comandi del computer garantiscono una dipendenza minima dell'operatore, ottenendo così una buona riproducibilitàsu tutti i componenti, anche se si tratta di un processo di pezzi elementari. Poiché l'ingresso di calore è molto localizzato, è possibile saldare insieme dei componenti precedentemente sottoposti a trattamento termico; questo è un metodo estremamente economico per la produzione di alberi di trasmissione compositi, che ad esempio dispone di un ingranaggio cementato e un albero sottoposto a rinvenimento. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 61

62 Vantaggi: Fascio Elettronico Basso calore di ingresso per i pezzi saldati; Deformazione minima; Zona di fusione stretta (MZ) e zona termicamente alterata stretta (HAZ); Penetrazione di saldatura profonda da 0,05 mm a 200 mm (da 0,002" a 8") in un solo passaggio; Velocità elevata di saldatura; Saldatura di tutti i metalli anche ad elevata conduttività termica; Saldatura di metalli con punti di fusione diversi; Il processo sottovuoto si produce in un ambiente pulito e riproducibile; Processo di saldatura naturale per i materiali che necessitano ossigeno come titanio, zirconio e niobio; Lavorazione garantita per affidabilità e riproducibilità delle condizioni operative; Processo di saldatura economico per grande produzione in modalità automatica; e I pezzi possono essere utilizzati per lo piùnella condizione di saldatura (non ènecessaria alcuna lavorazione successiva). ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 62

63 Fascio Elettronico Applicazioni e materiali: Aerospaziale Componenti dei motori aeronautici. Pezzi strutturali Pezzi di trasmissione Sensori Produzione di energia Spaziale Serbatoi in titanio Sensori Sistemi a vuoto Medico Automobilistico Organi di trasmissione Ingranaggi Pezzi del turbocompressore Settori elettrico/elettronico Contatti in rame ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 63

64 Applicazioni e materiali: Fascio Elettronico Nucleare Camera carburante Pezzi strutturali Valvole Strumentazioni Tutti i metalli anche ad elevata conduttività termica Acciaio e acciaio inossidabile Alluminio e leghe Rame e leghe Leghe di nichel e metalli refrattari Titanio e leghe Zr, Mo, Ta, Hf, W, Nb, ecc. Saldatura di metalli con punti di fusione diversi Rame - acciaio Rame -leghe di nichel Acciaio - leghe di nichel Tantalio - tungsteno ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 64

65 Plasma (EROSIONE) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 65

68 Plasma Plasma = gas ionizzato = elettroni (cariche -) + ioni (cariche +) che si muovono indipendentemente tra loro 4 i stati della materia: 1. Solido 2. Liquido 3.Gas 4.Plasma (presenti nei fulmini, aurore boreali, scudo termico dei veicoli al rientro dal atmosfera. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 68

70 Plasma Vantaggi: Riduzione tempi e costi del lavoro Vasta gamma materiali lavorabili Taglio da piccoli (5 mm) ad elevati spessori (100 mm), ma con scarsa qualitàe scarsa precisione di taglio, tanto da richiedere ulteriori lavorazioni dei bordi di taglio Tagli inclinati Taglio Saldatura Temperature di lavoro da a C ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 70

72 Torcia ad Arco Plasma Attrezzatura e procedimento: Speciali torce inserite in cirquito Trasformazione del gas in plasma Arco elettrodo tra catodo (polo -, elettrodo do tugsteno toriato) e anodo ( polo +, ugello di rame o pezzo da lavorare) Il gas scorre dentro la torcia, quando viene attraversato dall arco elettrico subisce una ionizzazione. Il plasma così formato, trasferisce al pezzo l E dell arco elettrico. Generazione di Energia sonora + Energia termica (calore) + Energia elettromagnetica (luce) Sistema di raffreddamento x l ugello di rame. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 72

74 Plasma Caratteriste ugello Tanto più risulta stretto, tanto più maggiore risulta: La tensione dell arco elettrico La T al centro del plasma Il grado di ionizzazione del gas plasmogeno La V di uscita del plasma Troviamo ugelli a : Foro singolo Fori multipli ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 74

76 Tipi di plasma ad arco 1. Non trasferito 2. Trasferito 3. Ad archi sovrapposti 4. Semi trasferito ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 76

78 Arco Non trasferito Il generatore di corrente è collegato in modo che l'elettrodo di Tungsteno rappresenta il catodo ( polo - del generatore), mentre l'ugello della torcia rappresenta l'anodo ( polo +del generatore). Collegamento del generatore Il pezzo in lavorazione non è inserito in alcun modo nel circuito elettrico del generatore. L'arco si stabilisce tra il catodo e l'ugello anodico; il gas plasmageno è introdotto nell'arco dove acquista temperature elevatissime ( K ovvero C C) ed esce dall'ugello sotto forma di getto luminoso di plasma ad alta velocità(mach 1 ovvero km/h) L'arco non trasferito viene chiamato anche arco pilota o arco plasma. Questo modo di operare è tipico del procedimento Plasma Spraying((PSP, processo di proiezione termica che utilizza un arco non trasferito allo stato di plasma come sorgente termica per fondere e proiettare polveri metalliche e ceramiche sul pezzo da rivestire). Ambiente di lavoro insonorizzato; x materiali non conduttori (plastici) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 78

79 (Elettrodo di tugsteno) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 79

80 Arco trasferito In questo caso, il generatore di correnteèinserito tra il catodo della torcia (polo -del generatore) ed il pezzo in lavorazione che assolve la funzione di anodo ( polo +del generatore). Collegamento del generatore Il pezzo in lavorazione èquindi inserito in continuitànel circuito elettrico del generatore. L'arco, strozzato dall'ugello, si stabilisce tra l'elettrodo catodico in Tungsteno ed il pezzo da tagliare o da saldare; il gas plasmagenoè introdotto nell'arco dove assume lo stato di plasma. L'arco trasferito viene chiamato anche arco strozzatoo arco principale. Plasma Welding-(PAW) -Processo di saldatura ad arco elettrico allo stato di plasma Questo modo di operare ètipico del procedimento di saldatura passante (senza materiale di apporto) e di taglio al plasma. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 80

81 (-) G (+) pezzo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 81

82 Archi sovrapposti In questo caso, la presenza di due archi sovrappostirichiede due generatori: un generatore di corrente per l'arco non trasferito (arco pilota), collegato in polaritàdiretta tra catodo ed ugello della torcia; un generatore di corrente per l'arco trasferito (arco principale), collegato in polaritàdiretta tra il catodo della torcia e il pezzo in lavorazione. Collegamento dei generatori Il pezzo in lavorazione èinserito in continuitànel circuito elettrico del generatore principale. Il gas plasmagenoèintrodotto nell'arco dove assume lo stato di plasma; il getto di plasma viene ulteriormente ionizzato dall'apporto termico fornito dall'arco principale che si stabilisce tra il catodo della torcia e il pezzo. Questo modo di operare ètipico del procedimento di saldaturacon materiale di apporto, sia in polvere che in elettrodi, fili o bacchette. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 82

83 (-) G1 G2 (+) Pezzo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 83

84 Arco semitrasferito La combinazione del getto di plasma (arco pilota) con l'arco in corrente continua che crea il bagno di fusione (arco trasferito) dàle caratteristiche proprie del procedimento PTA: un arco rigido, concentrato e facilmente direzionabile, assieme ad un apporto termico controllato al bagno di fusione che comunque introduce diluizionenel riporto da parte del materiale base. Per superare questa limitazione, recentemente si èsviluppato il procedimento di riporto ad arco semitrasferito(psta-plasma SemitransferredArc) che utilizzando due generatori di corrente con regolazione indipendente fa uso di : 1. una corrente alta per l' arco pilotaper conferire un maggiore apporto termico alle polveri che raggiungono il bagno di fusione quasi completamente fuse; 2. una corrente relativamente bassa per l' arco trasferitoper limitare l'apporto termico al bagno di fusione e quindi la diluizione nel deposito senza deteriore eccessivamente la qualità della lega usata. Questo modo di operare èparticolarmente vantaggioso quando si opera su pezzi di piccole dimensioni evitando eccessive distorsioni o quando sivuole ottenere un deposito a diluizione ottimizzata. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 84

85 G1 G2 (+) Pezzo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 85

86 Note gas plasmageno-nel processo di saldatura e di taglio al plasma si utilizza un gas monoatomico(di norma Argon puro) per ottenere elevate temperature di plasma. gas plasmageno(plasma gas) -Nel processo di saldatura di polveri metalliche con tecnica PTA, è preferibile usare Argon puro come gas plasmageno, in quanto si raggiungono elevate temperature del getto di plasma. arco pilota(pilotarc) -Fornendo alte correnti all'arco pilota, si ottiene un getto di plasma con elevato contenuto entalpico che porta le polveri in uno stato di fusione semiplastico. velocità-nel processo plasma spraying, il getto di plasma raggiunge velocitàdi Mach 1 o 2e l'ambiente di lavoro deve essere protetto con un'adeguata insonorizzazione. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 86

88 Taglio con getto d acqua ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 88

89 Taglio con getto d acqua La tecnologia di base è semplice ed estremamente complessa allo stesso tempo. Alla base del sistema vi è l acqua che fluisce da una pompa passando attraverso tubazioni e uscendo dalla testa di taglio. Importante risulta il controllo/manutenzione dell acqua/parti con le relative pressioni di bar. Infatti basta una leggera perdita per provocare danni da erosione permanenti ai componenti se non correttamente progettati. Il sistema a getto d acqua pura è il metodo di taglio ad acqua originale. Le prime applicazioni commerciali, relative al taglio di cartone increspato, sono state effettuate nella prima metà degli anni Settanta. Molti macchinari, possono funzionare sia con getto d acqua puro che con getto d acqua abrasivo. Il getto d acqua puro èusato per tagliare materiali morbidi. Lo stesso getto d acqua può anche essere trasformato in un getto d'acqua abrasivo per tagliare materiali duri. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 89

91 TAGLIO A GETTO D ACQUAPURA Il sistema a getto d acqua pura è il metodo di taglio originale. Le prime applicazioni commerciali, relative al taglio di cartone increspato, sono state effettuate nella prima metàdegli anni Settanta. Gli usi piùampi del taglio a getto d acqua pura riguardano pannolini monouso, fazzoletti di carta e interni per auto. Nel caso dei fazzoletti di carta e dei pannolini monouso la lavorazione a getto d acqua crea minore umiditàrispetto a quando si toccano o si respira su di essi. Caratteristiche del getto d acqua pura Flusso molto sottile (da 0,004 a 0,010 pollici di diametro èl intervallo comune) Geometria estremamente dettagliata Perdita di materiale dovuta al taglio molto bassa Taglio non a caldo e solitamente molto rapidamente Taglia pezzi molto spessi e molto sottili In grado di tagliare materiali morbidi e leggeri (per esempio, isolamento in vetroresina con spessore fino a 24 pollici) Forze di taglio estremamente basse Funzionamento 24 ore al ITI giorno M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 91

92 Taglio con getto d acqua pura ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 92

93 Taglio con getto d acqua pura ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 93

94 Taglio con getto d acqua con abrasivo ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 94

95 Taglio con getto d acqua con abrasivo Caratteristiche del getto d'acqua abrasivo Processo estremamente versatile Zone senza apporto termico Nessuno stress meccanico Semplice da programmare Getto sottile da 0,5 a 1,27 mm (0,020 a 0,050 pollici) di diametro) Geometria estremamente dettagliata Taglio materiali sottili Taglio 25 cm (10 pollici) di spessore Taglio in pile ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 95

97 Taglio con getto d acqua con abrasivo Perdita minima di materiale dovuta al taglio Forze di taglio basse (al di sotto di ½kg durante il taglio) Unica impostazione del getto per quasi tutti i lavori con getto abrasivo Semplice commutazione da uso con testa singola a uso con testa multipla Commutazione rapida da getto d acqua puro a getto d'acqua abrasivo Poca o nessuna sbavatura ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 97

99 Taglio con getto d acqua con abrasivo Nel getto d acqua abrasivo, il flusso del getto d acqua accelera le particelle abrasive particelle facendo sì che queste, non l'acqua, consumino il materiale. Il sistema a getto d acqua abrasivo è migliaia di volte più potente rispetto a quello a getto d acqua pura. Sia il sistema a getto d acqua che il sistema a getto d acqua abrasivo hanno una propria funzione. Se il sistema a getto d acqua pura taglia materiali morbidi, quello a getto d acqua abrasivo taglia materiali duri, quali metalli, pietra, compositi e ceramica. Usando parametri standard, i sistemi a getto d acqua abrasivo possono tagliare materiali con durezza fino a, o addirittura leggermente superiore, quella della ceramica dell'ossido di alluminio (spesso chiamata allumina, AD 99.9). ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 99

101 Pallinatura (controllata) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 101

104 Pallinatura Il fenomeno di fatica si innesca sulla superficie dei pezzi, nei punti sollecitati a sforzo normale di trazione. Quindi il principio fondamentale seguito dalla pallinatura (shot peening), consiste nel fare in modo che negli strati superficiali la trazione generata dai carichi esterni venga ridotta, sovrapponendole uno strato di compressione artificiale generato non già da carichi esterni quanto piuttosto dal trattamento stesso. La somma di trazione e compressione fornisce come risultato uno stato di sforzo superficiale più favorevole. Questo tipo di lavorazione crea una superficie forte ovvero quella che possiede caratteristiche meccaniche superiori rispetto al nucleo in quanto sede di sforzi di compressione che ostacolano la propagazione delle microcricche di fatica. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 104

105 Pallinatura Tra i trattamenti superficiali, la pallinatura controllata è spesso utilizzata (in particolar modo nell industria automobilistica e in quella aeronautica) per incrementare la resistenza a fatica e la durezza superficiale delle macchine e degli elementi strutturali ed è a volte preferibile ai più tradizionali trattamenti termochimici per la maggiore versatilità, il migliore impatto ambientale e il costo relativamente limitato. Inoltre migliora: la distribuzione delle tensioni superficiali eventualmente turbate da lavorazioni meccaniche o da trattamenti termici e attenua notevolmente la concentrazione degli sforzi provocati da intagli, filettature e decarburazioni superficiali. la maggior resistenza a stress-corrosion (tenso-corrosione), la diminuzione di porosità e infine la superficie in virtù delle fossette superficiali (dimple), trattiene in maniera efficace eventuali oli o grassi per lubrificazione. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 105

106 Pallinatura la resistenza a fatica di componenti meccanici in materiale metallico. Non deve essere confuso con la pallinatura convenzionale che, al contrario, èun trattamento di pulizia di superfici. può raggiungere notevoli profondità di penetrazione ed è spesso impiegata per ritardare od eliminare la formazione di cricche di fatica. In ambienti aeronautici viene impiegata anche prima dei rivestimenti galvanici per eliminare l' infragilimento derivante dalla deposizione dello strato. Possono essere trattati con efficacia tutti i materiali metallici come acciaio bonificato, acciaio cementato, acciaio nitrurato, leghe leggere in genere ed in particolare ergal, titanio in tutti gli stati di trattamento termico, leghe di magnesio, leghe di boro, leghe o superleghe a base nichel, inconel, maraging, compositi a matrice metallica etc. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 106

108 Pallinatura STATO SUPERFICIALE prima della pallinatura AUMENTO DELLA RESISTENZA limite di fatica superfici lisce % superfici grezze o con difetti superfici con effetto d intaglio % scompare l effetto d intaglio ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 108

109 ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti Curva di Wohler 109

113 Pallinatura Il trattamento di pallinatura consiste nel bombardare la superficie dei pezzi con sfere di acciaio, ceramica o vetro (il pezzo viene sottoposto all azione di un flusso di sfere di diverso diametro) al fine di plasticizzare gli strati superficiali di materiale dell elemento meccanico, inducendo così tensioni residue di compressione e incrudendo la superficie stessa. Si attribuisce proprio al campo di tensioni residue sotto pelle e in minor misura all incrudimento provocato dalla deformazione plastica, il miglioramento della resistenza a fatica in quanto questo previene la nucleazionee inibisce la propagazione di cricche di fatica. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 113

114 Rullatura ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 114

115 Rullatura Metodo di superfinitura superficiale mediante il quale, senza asportazione di truciolo, per semplice deformazione plastica, si ottiene una superficie perfettamente levigata. Dei rullini conici, tenuti in guida da una gabbia, forzati contro la superficie da rullare, creano una pressione che genera deformazione plastica. Ogni pezzo meccanico, lavorato d'utensile, per asportazione di truciolo, lascia una superficie che, vista in sezione, si presenta come una successione più o meno regolare di creste. Ora il rullatore, per mezzo dei suoi rullini, esercitando una pressione sulla superficie del pezzo, crea un appiattimento delle creste ed un riempimento degli avvallamenti. La superficie che si ottiene ne risulta speculare con un incremento di durezza e densità. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 115

116 Rullatura MIGLIORAMENTI STRUTTURALI La deformazione plastica generata dalla rullatura non migliora solamente la superficie del pezzo, ma provoca altresì una variazione nella struttura della superficie stessa modificando la forma e l'orientamento dei grani. Si ottiene di conseguenza una superficie lucida ed indurita con una migliore resistenza alla corrosione ed all usura. Con la rullatura si possono ottenere incrementi della durezza superficiale anche di alcuni punti HRC. Le superfici rullate presentano quindi una migliore resistenza alle rotture per fatica. SUPERFINITURA Con il rullatore si ottengono superfici "a specchio". Si possono facilmente ottenere rugosità fino a Ra = 0,2 0,3 micron. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 116

119 DiffusioneBonding ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 119

120 Diffusione Bonding Processo di saldatura che si basa sul fenomeno della diffusione allo stato solido. La diffusione è un meccanismo in cui la materia viene trasportata attraverso la materia. La diffusione allo stato solido èsempre attiva. Nella diffusionbonding, a differenza di altri processi di giunzione solida come la saldatura a pressione, la deformazione totale dello spessore èusualmente bassa (5% o meno) e sono usate basse pressioni e alte temperature (> 0,5*Tm, dove Tmèil punto di fusione) ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 120

121 Diffusione Bonding Altri vantaggi della diffusionbondingparagonati alla saldatura per fusione sono: resistenza del punto di giunzione paragonabile al resto del materiale ridotte deformazioni e distorsioni che portano ad una più accurato controllo delle dimensioni possibilità di avere giunzioni sia con parti grosse che sottili La diffusionbondingèun'attrattiva interessante per la produzione delle leghe Al-Lia strutture lamellari. Éanche un metodo che assicura la massima utilizzazione del metallo al fine di minimizzare il costo del materiale ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 121

122 Diffusione Bonding Permette di creare una grande varietà di accoppiamenti di metalli e materiali ceramici per la produzione di pezzi finiti sia di piccole che di grandi dimensioni. Il processo dipende da un certo numero di parametri: in particolare il tempo, la pressione applicata, la temperatura di saldatura e la modalità di apporto di calore. La saldatura per diffusione può essere distinta in diverse varianti, in base alla modalità di pressurizzazione, all uso di strati di materiali intermedi e all eventuale formazione di una fase liquida transitoria. Ogni diversa tipologia trova la sua applicazione in un certo numero di materiali e geometrie particolari. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 122

123 Diffusione Bonding Caratteristiche del processo Nella sua forma piùsemplice, la saldatura per diffusione richiede per prima cosa che i materiali base vengano accostati nel punto di giunzione e che successivamente vengano sottoposti all azione di un carico, unitamente ad un elevato riscaldamento, di solito in atmosfera inerte o nel vuoto. I carichi impiegati sono generalmente piùbassi di quelli che porterebbero a delle macrodeformazioni, mentre le temperature massime raggiunte sono comprese tra 0.5 e 0.8 volte la temperatura di fusione del materiale base. I tempi di esposizione alle alte temperature variano da 1 a piùdi 60 minuti e dipendono dai materiali che devono essere uniti, dalle proprietàrichieste al giunto e dai restanti parametri di saldatura. Nonostante la maggior parte di queste saldature vengano eseguite, come detto, nel vuoto o in atmosfere inerti, alcune possono essere eseguite in aria. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 123

124 Diffusione Bonding Caratteristiche del processo (segue) Un attento esame della sequenza di saldatura permette di comprendere l importanza della finitura delle superfici di partenza. Per ottenere una buona giunzione, ènecessario che le due superfici in questione siano perfettamente pulite e piane, affinchéla mutua diffusione a livello atomico possa avvenire nel modo corretto. Sono stati sviluppati diversi modelli per studiare nel dettaglioogni singolo momento di questo processo di saldatura. Per prima cosa il carico applicato provoca una deformazione plastica delle superfici, in modo da appianare eventuali asperitàe ridurre i vuoti; quindi si passa al vero e proprio meccanismo di diffusione atomica. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 124

125 Meccanismo di diffusion bonding a) punto di contatto iniziale (è evidente lo strato superficiale di ossido e la rugosità della superficie b) struttura sottoposta al carico, con riduzione degli agenti contaminanti e dei vuoti c) fase finale dell applicazione del carico, con scomparsa quasi totale dei vuoti d) fase di diffusione, con eliminazione dello strato di ossido e) saldatura completata. ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 125

126 DiffusioneBonding ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 126

127 Deposizione fisica in fase gassosa ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 127

128 Deposizione fisica in fase gassosa La deposizione fisica da vapore (PVD) è un metodo piuttosto comune a cui si ricorre per la deposizione di film sottili sottovuoto a T = 400 C, ed è una tecnica molto diffusa soprattutto per la fabbricazione di dispositivi elettronici. I processi di questo tipo sono processi di deposizione atomica, cioè la crescita del film avviene atomo per atomo sul substrato, nei quali il materiale viene evaporato da una sorgente sotto forma appunto di atomi e trasportato in forma vapore attraverso un ambiente sottovuoto, o costituito da un plasma, fino al substrato, dove condensa. La deposizione fisica da vapore consente la creazione di film caratterizzata da una buona purezza e struttura cristallina e si può applicare sia a materiali metallici che a materiali dielettrici. Una delle problematiche principali che si riscontrano con questatecnica di deposizione consiste nel cosiddetto step coverage: esso consiste nella difficoltà di creare film uniformi su superfici caratterizzate da spigoli concavi e/o convessi o comunque da zone non perpendicolari alla direzione di deposizione ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 128

129 Deposizione fisica in fase gassosa PVD ad arco: 1. Polverizzazione ionica (spunttering) 2. Polverizzazione catodica 3. Impiantazione ionica (ion planting) Applicazioni: Si utilizzano depositi ceramici che x la loro elevata densità riducono la diffusione dell O2 con resistenza all ossidazione. Utilizzati x utensili da taglio (resistenza all attrito, all usura, alla corrosione, all adesione e agli attacchi termici) In campo bio medico, nel rivestimento delle protesi ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 129

130 Processi Chimici ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti Innovativi 130

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132 Prototipazione e Attrezzaggio Rapido ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 132

133 Bibliografia e sitografia Le slide sono state sviluppate utilizzando. Il testo in adozione: Corso di Tecnologia meccanica, Vol. 3, Di Gennaro, Chiappetta, Chillemi; ed. Hoepli Le immagini ed altre informazioni, prese dal web in siti specializzati ITI M. Faraday prof. Giordano Cecchetti 133