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LAVORAZIONI NON CONVENZINALI

I.T.S.T “J.F. KENNEDY” - PN

Lavorazioni non convenzionali

DEFINIZIONE

Le Lavorazioni Non Convenzionali (LNC) sono quei processi che utilizzano tecniche di rimozione del materiale per via meccanica, elettrica, termica e chimica, differenti da quelle “tradizionalmente” adottate, quali tornitura, fresatura, tranciatura, ecc...

Lo sviluppo delle lavorazioni non convenzionali è stato determinato da:

a) nuove conoscenze chimico-fisiche della materia;

b) esigenza di parametri di lavorazione più spinti;

c) introduzione nuovi materiali;


Le LNC sono state introdotte per rispondere ad alcune esigenze particolari che non riescono ad essere soddisfatte dalle tecnologie convenzionali, come:

• tolleranze dimensionali, tolleranze di forma e finiture superficiali non realizzabili dai processi tradizionali;

• realizzazione di componenti con profili interni ed esterni, spigoli vivi e planarità non realizzabili nei processi di formatura e stampaggio;

• speciali caratteristiche superficiali ottenibili soltanto con processi di asportazione di materiale;

• superfici trattate termicamente al fine di migliorare la durezza e la resistenza all’usura necessitano di operazioni di finitura;


Le LNC permettono, quindi, :

1) lavorazione di materiali “innovativi” quali:

- materiali ceramici - fibre sintetiche- leghe di titanio - leghe di alluminio- leghe di silicio - superleghe- plastiche - resine

2) lavorazioni con materiali “classici” con caratteristiche meccaniche o richieste di forme e finiture particolari (microfori, rugosità superficiali e cavità di stampi non realizzabili per asportazione classica, …);


Le LNC permettono, quindi, :

3) lavorazioni su pezzi troppo flessibili o sottili per sopportare forze di taglio elevate;

4) lavorazioni senza incrementi di temperatura e/o tensioni residue nel pezzo in lavorazione;

5) lavorazion con possibili problemi nell’afferraggio in un’attrezzatura di bloccaggio.


Tuttavia le LNC presentano anche delle importanti e sostanziali limitazioni:

• produzione di scarti di materiale;

• necessitano di più energia, capitali e manodopera rispetto ai processi tradizionali;

• se non eseguite correttamente possono produrre effetti indesiderati sulla qualità superficiale e sulle proprietà del prodotto.




LCN Termo-elettriche

ElettroerosioneElectro Discharge Machining (EDM)

Taglio LaserLaser Beam

Machining (LBM)

Fascio ElettronicoElectron Beam

Machining (EBM)

PlasmaPlasma Beam

Machining (PBM)


LCN Meccaniche

UltrasuoniUltrasonic Machining

(USM)

Taglio a getto d’acquaWater Jet

Machining (WJM)

Taglio a getto abrasicoAbrasive Jet

Machining (AJM)


LCN Chimiche

Attacco chimicoChemical Machining

(CHM)

Attacco elettro-chimicoElectro chemical Machining (ECM)


Applicazioni sui materiali

USM WJM ECM CHM EDM EBM LBM PBM

Alluminio

Acciaio

Superleghe

Titanio

Refrattari

Ceramiche

Plastiche

Vetro

* ** ** *** ** ** ** **

** ** *** *** *** ** ** ***

* *** *** ** *** ** ** ***

** ** ** ** *** ** ** **

*** *** ** * *** *** * *

*** *** no * no *** *** no

** ** no * no ** ** *

*** *** no ** no ** ** no




Elettroerosione a tuffo

Si basa sull’azione termica di scariche elettriche tra utensile e pezzo: l’asportazione di materiale si ha per effetti termici, ma anche elettrici e meccanici.

Per aumentare l’efficienza delle scariche, queste vengono fatte scoccare all’interno di un liquido dielettrico. Il dielettrico diminuisce la sezione dell’arco.



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.



Tensione 100 -500V (in continua)

Corrente 1000 A

Tempo scarica 0.1 µs

Tempo totale 200 µs

I elevata - tON breve Bassa velocità di rimozioneElevata finitura superficiale

I bassa - tON lungoElevata velocità di rimozioneScarsa finitura superficiale



Il ciclo produttivo per la lavorazione tramite elettroerosione a tuffo può essere così riassunta:

analisi della forma da ottenere;realizzazione dell’elettrodo in rame con forma pari al negativo della forma che si vuole ottenere;montaggio dell’elettrodo sulla macchina;scelta dei parametri di lavoro;esecuzione del ciclo di lavoro.

E’ possibile ottenere fori ciechi, fori profondi di piccolo diametro, fessure strette, forme complesse e articolate.

Gli utensili (grafite, bronzo, rame, leghe rame-tungsteno) sono sagomati mediante forgiatura, fusione o asportazione di truciolo.



Lavorazioni Laser - LBM

La sorgente di energia è un laser che focalizza l’energia di un fascio di luce coerente sulla superficie del pezzo portandolo alla fusione e all’evaporazione.

Il fascio di luce deve avere caratteristiche di monocromaticità, fasamento e direzionalità.

Una sorgente laser è in grado di generare un fascio di onde elettromagnetiche (o fotoni) con particolari caratteristiche: - monocromaticità: il fascio laser è costituito da fotoni di uguale lunghezza d’onda λ; - coerenza (fasamento): i fotoni sono tutti in fase; - direzionalità: il fascio viene emesso in un’unica direzione con una ristretta divergenza



In altre parole, un fascio laser:

Dalle caratteristiche del fascio derivano proprietà utili per le lavorazioni:

1. Facilità di focalizzazione

2. Elevata efficienza di interazione laser-materia

Potenza specifica laser 100 W: 104 W/mm2

Potenza specifica lampadina 100 W: 10-3 W/mm2



Lo schema tipico di una macchina per lavorazione laser è:



La generazione del raggio laser può avvenire usando differenti tipi di sorgente:

liquida di scarso interesse industrialesolida Nd-Yag Pot: fino a pochi kW (appl.industriali)

diodi Pot= fino a 1 kWgassosa atomi HeNe Pot= qualche centinaio di mW

(campi di misura e olografici)ioni Kr e Ar Pot= fino a poche decine di Watt

(campo medicale)molecole CO2 Pot= max circa 20 kW

(applicazioni industriali)



Quando il fascio laser raggiunge una superficie avvengono diversi fenomeni: riflessione, assorbimento e trasmissione della luce. La riflessione comporta perdita di energia. Se Pi è la potenza incidente, R verrà riflessa dalla superficie e solo la quantità A=1-R viene assorbita dal materiale:

A = coeff. di assorbimento superficiale [ - ]

R = coeff. di riflessione superficiale [ - ]

Il coefficiente di assorbimento superficiale dipende dal materiale, dalla lunghezza d’onda del laser (all’aumentare della λ diminuisce A per i metalli mentre aumenta per i materiali organici) e dalla finitura superficiale (all’aumentare della finitura diminuisce A).



L’asportazione di materiale può avvenire con diversemodalità e passa attraverso le fasi seguenti:

• riscaldamento, fusione e vaporizzazioneè la modalità più utilizzata, ma, a causa della elevata conducibilità termica e del basso assorbimento, alcuni materiali non possono essere tagliati in questo modo.

• riscaldamento e reazione esotermica di ossidazione

viene utilizzata solo per i metalli. Il laser riscalda il materiale ad una T che favorisce la reazione tra materiale e gas di assistenza. Il calore prodotto permette l’asportazione.



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 (N2, He2). Nel caso di taglio ossiassistito, il gas inerte viene sostituito con l’ossigeno che è estremamente reattivo.



La LNC con utilizzo di laser consente la lavorazioni di materiali:

Metallici

Ceramici

Compositi

Polimerici

Legno, carta

Vetro, gomma, pelle



Le principali LNC con laser sono:

- per fusione- per vaporizzazione - per degradazione chimica- assistito ad ossigeno

LASER PER USO TAGLIOLASER PER

SALDATURA- assistito ad ossigeno- per fusione- per vaporizzazione- per degradazione chimica



LASER PER USO TAGLIO

• applicazione tra le più diffuse- ottima qualità del lembo di taglio- elevata velocità di processo- buona ripetibilità

• utilizzato nella lavorazione- di lamiere piane- di geometrie complesse (lamiere imbutite o tubi a sezione varia)



LASER PER USO TAGLIO

Vantaggi

• Processo estremamente rapido

• Solco di taglio stretto

• Processo facilmente automatizzabile

• Qualità elevata

• Assenza di forze

• Assenza di usura

• Taglio omnidirezionale

• Processo silenzioso

Svantaggi

• Costo del sistema

• Limite degli spessori tagliabili

• Processo termico



LASER PER SALDATURA

Il raggio laser, focalizzato sul profilo dei lembi, ne determinala saldatura autogena per fusione e successivarisolidificazione.

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.



LASER PER SALDATURA

Secondo il rapporto di forma del cordone di saldatura, cioè del rapporto tra la profondità di penetrazione e la larghezza del cordone stesso, la saldatura laser può essere di due tipi:

SALDATURA DI SCARSA PENETRAZIONE

Rapporto di forma ~ 1

SALDATURA DI PROFONDA PENETRAZIONE

Rapporto di forma fino a 10:1 e oltre



LASER PER SALDATURA

La saldatura a profonda penetrazione ha profondità del cordone almeno pari a tre volte la sua larghezza.

L’elevata potenza specifica (106W/cm2) porta alla formazione di una colonna di materiale vaporizzato (key hole) circondata da materiale fuso. Al procedere del fascio, il materiale fuso si richiude su se stesso generando il cordone di saldatura.

E’ necessario un flusso di gas inerte per allontanare il plasma che si forma sopra la zona di saldatura e che assorbe l’energia del fascio.



LASER PER SALDATURA

Vantaggi

• Elevata produttività

• Limitate distorsioni termiche del componente

• Limitata alterazione termica del materiale

• Assenza di materiale d’apporto

• Facilità di accesso

• Possibilità di ottenere saldature estetiche

• Elevata qualità del cordone (profonda penetrazione)

Svantaggi

Difficoltà tecnologiche:

• I due lembi devono essere accoppiati in modo perfetto (luce 5÷10% dello spessore)

• Il fascio deve seguire con estrema precisione la linea di saldatura (sistema di spostamento particolarmente preciso)


Lavorazioni con fascio di ioni e di elettroni - IBM/ EBM

Principio di funzionamento: generazione di un flusso di ioni (IBM) o di elettroni (EBM) che viene accelerato e “sparato” contro la superficie del pezzo da lavorare (sotto vuoto).

La necessità di operare sotto vuoto limita le dimensioni dei pezzi da lavorare.


Lavorazioni con fascio di ioni e di elettroni - IBM/ EBM

Questo processo è utilizzato per vari tipi di lavorazione:

• taglio

• foratura

• saldatura

• impianto di atomi sulla superficie del pezzo (drogaggio)

• deposizione di atomi sulla superficie del pezzo (ricoperture)

Microfresa a due taglienti, Ø 0.022mm realizzata per asportazione di materiale con la tecnica Ion Beam Machining.


Lavorazioni taglio al Plasma

Si utilizza un gas ionizzato (plasma) come mezzo per trasferire energia termica da una sorgente di potenza elettrica alla superficie del materiale.

Gas a T ambiente ISOLANTE elettrico Gas ad alta energia CONDUTTORE elettrico

L’arco viene fatto passare attraverso un ugello di rame, raffreddato ad acqua, posizionato tra elettrodo e pezzo.


Lavorazioni taglio al Plasma

Principio di funzionamento: consiste nella generazione di un flusso di plasma che viene accelerato e “sparato” contro la superficie del pezzo da lavorare

1 elettrodo refrattario: emettitore termoionico (catodo) 2 orifizio 3 guide per i gas


Lavorazioni ad ultrasuoni USM

• Ampiezza: 0.05 - 0.125 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

• Frequenza vibrazione testa: 20 kHz


Lavorazioni ad ultrasuoni USM

Possibili impieghi

• Materiali molto duri e fragili (ceramici, carburi, pietre preziose, vetro, acciai temprati)

• No spigoli ed angoli acuti

• Cavità e fori con marcata conicità

• Utilizzato anche nella saldatura a lembi sovrapposti di lamiere sottili


Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ

Possibili impieghi

• Fori e fessure

• Materiali molto duri,

metallici e non metallici

• Fori molto conici

• No spigoli ed angoli acuti

• Eventuale mascheratura



Principio di funzionamento

• Getto molto compatto di acqua sotto pressione (da 70 fino a 400 MPa)

• Può essere composto da sola acqua o contenere anche materiale abrasivo

• Taglia qualsiasi materiale

• Taglio a freddo

• Forze di taglio basse

• Geometria e finitura dipendono da vari parametri

• Smaltimento abrasivo



Principio di funzionamento



Schema dell’impianto



Sistema di adduzione abrasivo



Abrasivo

– Silicon Dioxide (SiO2) 41%

– Ferrous Oxide (FeO) 10%

– Ferric Oxide (Fe2O3) 13%

– Aluminum Oxide (Al2O3) 20%

– Calcium Oxide (CaO) 3%

– Magnesium Oxide (MgO) 12%

– Manganese Oxide (MnO) 1%

(Barton Garnet)



Materiali lavorabili

Materiali plastici Nylon

Materiali isolanti Tessuti

Gomma Pellami

Polistirene Leghe di nichel

Cemento Materiali ceramici

Titanio Lapidei

Alluminio Acciai

Pietre Vetro

Materiali compositi Carta

Cibi



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


Lavorazioni chimiche - CHM

Si utilizzano soluzioni acide o alcaline per attaccare localmente o dissolvere chimicamente il materiale

• Trattamento termico per l’eliminazione di tensioni residue

• Eliminazione delle parti della maschera che verranno attaccate chimicamente

• Decapaggio e pulitura delle superfici

• Applicazione maschera

• Immersione del pezzo nel reagente

• Risciacquo accurato

• Rimozione della maschera e ispezione

Fresatura chimica


Lavorazioni elettrochimiche ECM

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


Tolleranze e Rugosità ottenibili

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