Tecnologie non convenzionali

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1 Tecnologie non convenzionali 1 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? 2 1

2 Componenti meccanici realizzati mediante processi tecnologici primari richiedono generalmente processi tecnologici per asportazione di truciolo 3 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 4 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 5 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 6 3

4 Tecnologie di lavorazione Δm<0 Δm=0 Δm>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 7 Classificazione delle lavorazioni per asportazione di materiale Asportazione con utensili a geometria definita Asportazione con utensili a geometria indefinita Asportazione con processi non convenzionali 8 4

5 Asportazione con utensili a geometria definita Tornitura Fresatura Foratura, Svasatura, Alesatura Piallatura Brocciatura Segatura Limatura 9 Asportazione con utensili a geometria indefinita Rettifica Levigatura Lappatura 10 5

6 Asportazione con processi non convenzionali Laser Plasma Waterjet - Abrasive Waterjet Ultrasuoni Elettroerosione Elettrochimica 11 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 non convenzionali 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, ) 12 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 13 Classificazione delle lavorazioni per asportazione di materiale 14 7

8 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 15 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 16 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) 8

9 Tecnologie non convenzionali Energia Meccanica Ultrasonic Machining (USM) Abrasive Jet Machining (AJM) Water Jet Machining (WJM) 17 Lavorazioni ad ultrasuoni USM Utensile in acciaio dolce Abrasivo: carburo di boro, allumina, carburo di silicio Trasduttore piezoelettrico o magnetostrittivo 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 18 9

10 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 19 Abrasive Jet Machining (AJM) Fori e fessure Materiali molto duri, metallici e non Fori molto conici No spigoli ed angoli acuti Eventuale mascheratura 20 10

11 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 Taglio a freddo Forze di taglio basse Geometria e finitura = f(parametri) Smaltimento abrasivo 21 Impianto AWJ 2 assi 5 assi 22 11

12 Il Processo: getti puri e iniettati WATER JET ABRASIVE WATER JET 23 Schema d impianto 24 12

13 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 25 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 26 13

14 Applicazioni AWJ Kevlar Bronzo Acciaio Alluminio 27 Applicazioni AWJ: lavorazione artistica dei lapidei 28 14

15 Applicazioni WJ cibo gomma carta 29 Tecnologie non convenzionali Energia Chimica Chemical Machining (CHM) Energia Elettrochimica Electro Chemical Machining (ECM) 30 15

16 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 31 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 32 16

17 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 33 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 34 17

18 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 35 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 36 18

19 Rettificatura elettrochimica (ECG) L utensile è un catodo rotante L abrasivo agisce da isolante Usura molto contenuta 37 Tecnologie non convenzionali Energia Elettrotermica Electro Discharge Machining (EDM) Laser Beam Machining (LBM) 38 19

20 Tecnologie non convenzionali Energia Elettrotermica Electron Beam Machining (EBM) Plasma Beam Machining (PBM) 39 Elettroerosione - EDM Erosione dei metalli attraverso una successione di scariche elettriche Elettroerosione a tuffo Si applica a tutti i materiali conduttori 40 20

21 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 41 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 42 21

22 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 43 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 44 22

23 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 45 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 46 23

24 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 47 Il laser La macchina La testa di taglio 48 24

25 Materiali lavorabili Metallici Polimerici Ceramici Compositi Legno, carta, vetro, gomma, pelle 49 Applicazioni industriali Taglio assistito ad ossigeno per fusione per vaporizzazione per degradazione chimica Un esempio di taglio Un esempio di taglio della lamiera Saldatura Saldatura di bassa o profonda penetrazione ottima qualità, notevoli velocità, ZTA ridotte difficoltà nell accoppiare perfettamente i lembi 50 25

26 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. 51 Marcatura e incisione Cleaning 52 26

27 L efficienza del processo è inversamente proporzionale a: riflettività conducibilità termica calore latente di fusione e di evaporazione del materiale impiegato Considerazioni tecnologiche e progettuali: Evitare superfici riflettenti alla lunghezza d onda della sorgente Evitare spigoli molto acuti Tagli su spessori rilevanti presentano una eccessiva conicità Danneggiamento microstrutturale 53 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)

28 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. 55 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 56 28

29 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 57 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 58 29

30 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) 59 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 60 30

31 61 Tolleranze e Rugosità ottenibili 62 31