16) Tecnologie non convenzionali
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Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino LE TECNOLOGIE NON CONVENZIONALI Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni per asportazione di materiale Nelle lavorazioni per asportazione di truciolo tradizionali il materiale è rimosso grazie all’energia meccanica a disposizione di un utensile reale o indefinito Energia (meccanica) Vi sono altre forze capaci di rimuovere materiale, inoltre la stessa azione meccanica può essere esercitata non solo con l’utilizzo di utensili taglienti. Le lavorazioni non convenzionali si differenziano dalle lavorazioni convenzionali principalmente per l’assenza di un utensile e dunque del contatto utensilepezzo. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Classificazione delle tecnologie di asportazione di materiale non convenzionali Tecnologie convenzionali Tecnologie non convenzionali Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Vantaggi e svantaggi delle tecnologie non convenzionali 1) Possibilità di lavorare materiali “innovativi” quali: • • • • • • • Materiali ceramici Fibre sintetiche Leghe di titanio Leghe di alluminio Leghe di silicio Superleghe Materiali polimerici 2) Materiali più “classici” con caratteristiche meccaniche elevate o di forme e finiture particolari (microfori, rugosità superficiale controllata e cavità di stampi) non realizzabili per asportazione classica 3) Finiture superficiali e tolleranze migliori di quelle ottenibili mediante processi tradizionali Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Vantaggi e svantaggi delle tecnologie non convenzionali 4) Lavorazioni di particolari troppo flessibili o sottili per sopportare elevate forze di taglio 5) Ridotti incrementi locali di temperatura 6) Ridotte tensioni residue nel pezzo in lavorazione A questo fa da contrappeso un elevato costo iniziale e la necessità di conoscenze teoriche e tecniche di alto livello Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con ultrasuoni Cosa sono gli ultrasuoni : • Vibrazioni meccaniche a frequenze superiori a quelle percepibili dall’orecchio umano a causa delle peculiarità strutturali dell’orecchio medio. • Range di frequenza : > 20kHz (soglia di percezione convenzionale) Campi di utilizzo degli ultrasuoni: o Medico (Ecografia, litotrissia, trattamento di tumori) o Industriale (Controlli non distruttivi, saldature, lavorazioni per abrasione, pulizia superficiale) o Civile - Militare (Sonar) Nel campo delle lavorazioni non convenzionali ci occuperemo di lavorazioni per abrasione con ultrasuoni Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con ultrasuoni Flusso di abrasivo utensile Materiale in lavorazione • Un trasduttore piezoelettrico trasmette il moto vibrazionale ad un utensile di materiale molto duttile • Tra utensile e pezzo fluisce una sospensione di acqua e particelle abrasive • L’impatto tra l’utensile e le particelle di abrasivo causano tensioni di contatto molto elevate nel pezzo in lavorazione, causando microfratture localizzate. Tecnologia utilizzata per le lavorazioni di materiali molto fragili e duri (ceramici, carburi, pietre preziose, vetro, acciai temprati) La profondità dei fori è limitata, inoltre l’utensile tende a degradare rapidamente nel tempo Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Ultrasonic Machining Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con getto d’acqua Taglio con getto d’acqua - Water Jet (WJ) Taglio abrasivo con getto d’acqua – Abrasive Water Jet (AWJ) Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Taglio con getto d’acqua L’energia necessaria per il taglio è ottenuta concentrando un getto d’acqua ad alta pressione (4000÷7000 bar). L’ugello di uscita ha una dimensione compresa tra 0.10.35 mm. Il cuore del sistema è l’intensificatore che porta la pressione dell’acqua fino alla pressione di lavoro. Questa pressione consente di ottenere in uscita una velocità del getto superiore di 2.5 volte quella del suono. La tecnologia a idrogetto è in grado di tagliare quasi tutti i materiali con buona precisione e fino a spessori di150 mm. L’aggiunta di materiali abrasivi al getto permette di aumentare la velocità di taglio e lo spessore lavorabile. L’ugello di taglio può essere stazionario o integrato con il sistema di movimentazione della macchina e comandato mediante controllo numerico. Effettuato il taglio, l’energia residua del getto deve essere dissipata nel dispositivo sottostante la zona di taglio e che deve consentire anche la raccolta del materiale asportato e dell’eventuale abrasivo spento. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con getto d’acqua Testa di taglio Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Taglio con getto d’acqua vantaggi • Sistema facilmente automatizzabile, 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 fissaggi particolarmente robusti • Possibilità di tagliare materiali verniciati o coperti da film protettivi. • Il processo di taglio avviene a livello microscopico per cui la natura e la finitura superficiale del materiale da lavorare non costituiscono fattori critici. Questo permette di tagliare pannelli rinforzati con fibre, con strutture a nido d’ape, a sandwich con materiali eterogenei, con superfici riflettenti. • Nonostante l’alta energia cinetica non ci sono deformazioni, i bordi tagliati sono netti e le bave assenti Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Waterjet in azione Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio ad alta energia Tre tipi di lavorazioni con fascio ad alta energia: • Lavorazioni con fascio plasma • Lavorazioni con fascio laser • Lavorazioni con fascio elettronico Tutti e tre i fasci energetici possono essere usati per asportare materiale o per saldare Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio plasma Il plasma è una colonna di gas ionizzati ad alta temperatura. I processi di lavorazione mediante plasma utilizzano un gas ionizzato (plasma) come mezzo per trasferire energia termica da una sorgente di potenza elettrica alla superficie del materiale in lavorazione. Il gas ionizzato presenta interessanti caratteristiche di sensibilità magnetica e conducibilità elettrica e che rendono possibile la lavorazione di materiali metallici in spessori rilevanti o di materiali altrimenti difficili da tagliare. Le lavorazioni tecnologiche al plasma possono essere divise in due macro classi, sostanzialmente riconducibili a due famiglie di plasmi: plasmi caldi e plasmi freddi. Tale suddivisione è effettuata in funzione della temperatura (e di conseguenza della densità di ionizzazione), che le specie pesanti raggiungono. Nei plasmi caldi le specie pesanti hanno mediamente la stessa temperatura delle particelle leggere (intorno ai 10.000 °C) ed il plasma può considerarsi in equilibrio termico. Nei plasmi freddi invece il gas non è in equilibrio termico, ovvero le particelle pesanti hanno temperature anche notevolmente inferiori (attorno ai 500-800°C) r elativamente alla temperatura elettronica. Le diverse temperature e condizioni raggiunte dalle due classi di plasma, condizionano la tipologia di applicazioni a cui sono destinate. Le principali applicazioni di plasma freddo riguardano quei processi termici, che richiedono una trasformazione selettiva e limitata dei materiali (fusione selettiva, trattamenti termici localizzati, etc.) Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio plasma Nelle lavorazioni con plasma (Plasma Arc Machining, PAM) un gas viene fatto passare attraverso un arco elettrico, che lo ionizza, e raggiunge temperature superiori ai 30000 °C. Per produrre il plasma si fa generalmente ricorso ad una torcia. Un arco elettrico viene innescato sull’estremità di un elettrodo refrattario (1) contenuto all’interno di una corrente di gas (o di miscele di gas). Il gas lambisce un elemento cilindrico di tungsteno riscaldato, che funziona da catodo (emettitore termoionico) e fuoriesce da uno stretto orifizio (2). In queste condizioni l’arco riscalda le molecole di gas, che vengono portate ad altissima temperatura, sufficiente ad assicurare la ionizzazione. La torcia plasma pertanto assolve contemporaneamente più compiti: sostiene elettrodo ed ugello, conduce il refrigerante, contiene e guida il flusso di gas durante la ionizzazione ed il passaggio del plasma. 1 elettrodo refrattario: emettitore termoionico (catodo) 2 orifizio 3 guide per i gas Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio plasma Il gas ad alta temperatura aumenta il suo volume, costretto dall’ugello esce a velocità supersoniche verso il pezzo in lavorazione. Più piccolo è il diametro dell’ugello maggiori sono le temperature raggiunte e pertanto maggiore è la densità di potenza fornita dal fascio. La superficie del pezzo si riscalda, fonde e vaporizza per due motivi: •il fascio plasma riscalda per convezione •gli elettroni, che si ricombinano con gli ioni a ricostituire la molecola, rilasciano energia sotto forme di calore e radiazione luminosa Il getto di gas che fuoriesce dal solco di taglio provvede infine ad allontanare bave e sfridi di lavorazione dalla superficie inferiore del solco di taglio. In alcuni casi (gas di taglio ossigeno od aria) si aggiunge un terzo contributo termico dovuto alla reazione esotermica del processo di ossidazione dell’ossigeno. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio plasma Il taglio plasma dei metalli combina due azioni: •la prima termica, provoca la fusione del metallo di base. L’energia messa in opera di origine elettrica. Tuttavia nel caso dell’ossigeno può intervenire una reazione termo-chimica nelle zone dove le temperature permettono la reazione di ossidazione. •la seconda cinetica, provoca l’evacuazione del liquido che si è formato Si ottiene così la separazione del materiale lungo un solco di taglio, caratterizzato da una geometria tipica delle lavorazioni mediante fascio termico. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio plasma Svantaggi • alto costo d’investimento • scarsa qualità del taglio • limitata trasportabilità • produzione di fumi, rumore e radiazioni • danneggiamento microstrutturale Vantaggi • precisione nell’ordine dei decimi di millimetro; •elevata produttività Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Fascio di radiazione elettromagnetica ottenuta grazie al fenomeno dell’emissione stimolata. Caratteristiche del fascio: Elevata coerenza cromatica (emissione su una sola lunghezza d’onda) Elevata coerenza temporale (i fotoni sono emessi tutti con la stessa fase temporale) Elevata coerenza spaziale (I fronti d’onda si propagano a bassa divergenza) Date le sue caratteristiche, un fascio laser può essere focalizzato su aree di dimensioni paragonabili alle lunghezze d’onda della radiazione: Piccole aree = grande densità di potenza Un fascio laser può essere adoperato per: -Saldare -Forare -Tagliare -Trattare termicamente le superfici Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser Un laser viene identificato con il mezzo attivo adoperato : laser a CO2, a Nd:YAG, ad HeNe, al Rubino Oppure con lo stato fisico del mezzo: Laser a gas, a liquido, allo stato solido Esistono anche diodi ad emissione LASER (i comuni puntatori) La fonte laser può funzionare sia emettendo in contiuno (laser CW) che in modo pulsato (PW); in quest’ultimo caso al posto della potenza emessa si preferisce parlare di potenza media oppure direttamente di energia dell’impulso. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser Coefficiente di assorbimento di alcuni materiali metallici al variare della lunghezza d’onda incidente: In realtà questi valori aumentano notevolmente una volta raggiunta la fusione del materiale superficiale. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser Schema tipico di sistema di lavorazione laser: Il sistema di raffreddamento si rende necessario a causa dei bassi livelli di rendimento delle fonti laser (difficilmente superiori al 10-15%, laser di elevato rendimento raggiungono il 20%) Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser Testa di taglio laser I gas di assistenza possono essere inerti (He, Ne, Ar) oppure attivi (O2, Aria) Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser Lavorazioni di taglio con fascio laser: Il fascio laser incidente aumenta localmente la temperatura, portando rapidamente il materiale in condizioni di vaporizzazione. La pressione del gas di assistenza spinge il materiale fuso e vaporizzato lontano dal solco di taglio. Nel caso di taglio con ossigeno si innescano reazioni di ossidazione esotermiche che facilitano il taglio. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser Formazione del solco La particolare forma del solco è dovuta al meccanismo di fusione ed allontanamento del materiale da rimuovere Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio laser Vantaggi • Limitata zona termicamente alterata ⇒minime distorsioni; • bordi di taglio stretti e paralleli; • taglio indipendente dalla durezza del materiale; • capacità di operare su profili complessi; • Processo estremamente rapido; • Qualità elevata; • Processo facilmente automatizzabile; • Assenza di usura; • Taglio omnidirezionale; • Processo silenzioso; Svantaggi • Costo del sistema • Limite degli spessori tagliabili • Processo termico Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio elettronico La fonte di energia dell’EBM (ElectronBeam Machining) è costituita da un fascio di elettroni ad alta velocità che colpiscono la superficie del pezzo. I meccanismi di trasmissione dell’energia e le applicazioni sono simili a quelle proprie del fascio laser, con la differenza che i sistemi di lavorazione a fascio di elettroni richiedono il vuoto spinto. Con la tecnologia del fascio elettronico è possibile: -Tagliare -Forare -Saldare Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio elettronico Schema di un cannone elettronico: Il filamento (catodo caldo) è riscaldato in modo da avere una emissione di elettroni grazie all’effetto termoionico; il campo elettrico tra catodo e anodo ha il compito di accelerare gli elettroni fino a conferirgli la desiderata energia cinetica. La “lente” di focalizzazione è un particolare elettrodo detto “cilindro di Wehenelt” Tensione di accelerazione: 30000V CC Potenze massime: 60 kW Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni con fascio elettronico Vantaggi • Limitata zona termicamente alterata ⇒minime distorsioni; •Elevate profondità di penetrazione • bordi di taglio stretti e paralleli; • taglio indipendente dalla durezza del materiale; • capacità di operare su profili complessi; • Processo estremamente rapido; • Qualità elevata; • Processo facilmente automatizzabile; • Assenza di usura; • Processo silenzioso; Svantaggi •Costo del sistema; •Processo termico; •Necessità di lavorare a vuoto spinto; •Emissione di raggi X (pericoli per la salute) Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni per elettroerosione Erosione dei metalli attraverso una successione di scariche elettriche Schema di un impianto di elettroerosione •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 • Viene generato un campo elettrico tra elettrodo e pezzo • Si forma un canale ionizzato tra elettrodo e pezzo con accensione della scintilla e fusione locale del pezzo • Interruzione della corrente ed implosione della scintilla • Evacuazione delle particelle metalliche per mezzo del lavaggio del dielettrico Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni per elettroerosione Esistono due varianti principali dell’elettroerosione: Elettroerosione a filo (WEDM) Elettroerosione a tuffo Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni per elettroerosione Esistono due varianti principali dell’elettroerosione: Elettroerosione a filo (WEDM) un filo percorre molto lentamente il profilo programmato, mentre le scariche elettriche erodono progressivamente il materiale come i denti di una sega. Con l’elettroerosione a filo si tagliano spessori fino a 500 mm e si fabbricano punzoni, utensili e matrici di materiale duro. Il filo è in bronzo, rame o tungsteno con un diametro minimo di circa 0,25 mm. Viene continuamente rinnovato riavvolgendolo su una bobina (a circa 2.5 mm/s) ed è relativamente poco costoso. Il filo viene mantenuto ad una distanza costante dal pezzo in lavorazione controllando i parametri di scarica Elettroerosione a tuffo un elettrodo che riproduce in negativo il particolare da ottenere sul pezzo viene posto in prossimità del pezzo e polarizzato; le scariche elettriche che si generano una volta raggiunta la tensione critica erodono il materiale riproducendo fedelmente la forma dell’elettrodo. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni per elettroerosione Elettroerosione a tuffo Produzione per elettroerosione di 614 iniettori del motore J-2 del razzo vettore Saturn V. (fonte: Wikipedia) Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni per elettroerosione Vantaggi Possibilità di lavorare: •Fori profondi di piccolo diametro •Fessure strette •Forme complesse e articolate •Microfori su metallo duro •Buone tolleranze dimensionali •Usura dell’utensile indipendente dalla durezza del pezzo Svantaggi •Problemi per l’usura dell’utensile •Lavorazione limitata ai soli materiali conduttori di elettricità •Rugosità pronunciata Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni elettrochimiche Le lavorazioni elettrochimiche si basano su fenomeni elettrochimici, in particolare sull’erosione elettrochimica (una forma di corrosione galvanica) A differenza delle lavorazioni di elettroerosione in questo caso non si ha mai lo scoccare della scintilla, inoltre l’elettrolita è un mezzo attivo nella lavorazione. Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni elettrochimiche 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 Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni elettrochimiche Vantaggi •Superfici prive di bave (usato anche per sbavatura) •L’usura dell'utensile è molto ridotta anche se i materiali in lavorazione hanno durezza elevata •Non provoca danneggiamento termico delle parti lavorate •L'assenza di forze di taglio previene la possibilità di distorsioni meccaniche sia a livello macroscopico che microstrutturale. Svantaggi •Lavorazione limitata ai soli materiali conduttori di elettricità •Rugosità pronunciata •Per alcuni materiali, alterazioni nella resistenza a fatica •L’elettrolita deve essere rigenerato, periodicamente o in continuo. •Tollerante non molto strette Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni chimiche Si utilizzano soluzioni acide o alcaline per attaccare localmente o dissolvere chimicamente il materiale Due le varianti più diffuse: fresatura chimica e tranciatura fotochimica FRESATURA CHIMICA: Mediante fresatura chimica vengono prodotte piccole cavità, anche di forma complessa, su lamiere, pezzi forgiati o estrusi; le zone del pezzo che non devono subire asportazione vengono protette mediante mascheratura della superficie o attraverso immersione parziale nel reagente. Molto usata in campo aeronautico TRANCIATURA FOTOCHIMICA: Il materiale viene asportato, solitamente da lamiere di spessore molto sottile, mediante una tecnica di fotoincisione. Il lamierino da tranciare viene ricoperto da un liquido fotosensibile (fotoresistore) e fatto reagire alla luce in modo che le zone da asportare non siano illuminate; Il lamierino viene immerso in una vasca piena di reagente, come nella fresatura chimica, o spruzzato di reagente che agisce solo nelle zone non rivestite Tecnologia Meccanica – prof. Luigi Carrino Lavorazioni chimiche VANTAGGI •Asportazione uniforme •Operatori anche non qualificati •Buone finiture e tolleranze •Bassi costi SVANTAGGI •Non possono essere ottenute geometrie che prevedono angoli molto acuti, rilievi molto pronunciati, cavità profonde e sottili, conicità molto precise. •Difficoltà di lavorazione di pezzi dalla superficie porosa o fortemente irregolare. •Tasso di rimozione piuttosto basso. •Nessun controllo della rugosità •Solo alluminio e sue leghe •Pericoloso per la salute
