Il Laser come lavorazione non convenzionale, Appunti di Tecnologia Meccanica

Scarica Il Laser come lavorazione non convenzionale e più Appunti in PDF di Tecnologia Meccanica solo su Docsity! Lavorazioni Non Convenzionali LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Introduzione < Il LASER è un dispositivo in grado di produrre onde elettromagnetiche (stessa natura di onde luminose, onde radio e raggi X) aventi caratteristiche non presenti in nessun’altra radiazione naturale. < La luce prodotta porta con sé energia elettromagnetica, e la forma più piccola di energia elettromagnetiche è il pacchetto chiamato fotone. < CENNI STORICI Prime applicazioni in campo medico: patologia oculistica, campo dermatologico, applicazioni chirurgiche sulle corde vocali. Nel 1960 primo LASER allo stato solido e primo LASER a gas LASER = Luce = Radiazione Elettromagnetica < Radiazione elettromagnetica: campo elettrico (E) e campo magnetico (B) sinusoidali e perpendicolari tra loro, si propagano nella terza direzione perpendicolare ad entrambi. < La radiazione elettromagnetica si “autosostiene”: può propagarsi anche senza un mezzo elastico (a differenza del suono che necessita di un mezzo); si propaga anche nel vuoto (il suono no). Caratteristiche della luce LASER < Il Raggio LASER è un Raggio Ottico. È perciò composto da fotoni e la sua energia è di tipo elettromagnetico. < Ogni fonte luminosa emette radiazione elettromagnetica. La luce LASER ha proprietà che le radiazioni naturali non hanno: – Monocromaticità – Coerenza – Unidirezionalità – Elevata Brillanza (Intensità luminosa) Monocromaticità Il fascio di luce ha una riga di emissione molto stretta. È cioè costituito da un fascio di onde elettromagnetiche con frequenze molto vicine tra loro da poter considerare il fascio come una sola lunghezza d’onda Coerenza Le onde vengono emesse dalla sorgente in fase tra di loro. – Coerenza spaziale La forma dei fronti d’onda è costante nel tempo – Coerenza temporale La differenza di fase dell’onda rimane costante nel tempo. NON COME la luce solare che è che composta da molte frequenze Unidirezionalità Fascio di luce LASER viene fortemente collimato ed ha una divergenza angolare particolarmente limitata da propagarsi in un’unica direzione Questo è garantito dalla sorgente che emette radiazione in un’unica direzione e dalla coerenza che non altera i fronti di propagazione della luce. Brillanza (o intensità luminosa) È la Potenza emessa per unità di superficie ed angolo solido [W/sr(per)m2]. La luce LASER ha una densità di energia molto elevata che la porta ad avere una brillanza molto elevata. Questo permette di sublimare i materiali (sia metalli che refrattari). Principi di funzionamento Emissione di fotoni – I più comuni sono quelli Elio-Neon e all’Anidride Carbonica. – Il funzionamento può essere sia in continuo sia impulsato – Pompaggio elettrico o per collisione atomo-atomo. Si ottiene con eccitazione elettrica esterna (es. trasformatore ad alta tensione cui sono connessi gli elettrodi in metallo posti all’estremità di un tubo di vetro che contiene il gas). – Il flusso di gas si scalda attraversando la zona compresa tra le cavità risonanti e, una volta uscito dalla cavità, il gas può essere raffreddato con opportuni scambiatori. – Range di potenza: fino a 25 kW LASER a semiconduttori – Sono i più diffusi per applicazioni ottiche. – Costo ridotto rispetto agli altri LASER. – Pompaggio elettrico. – Rendimento altissimo. – Applicazioni molteplici (es. lettura codici a barre, stampanti LASER, scrittura e lettura CD/DVD, telemetria, trasmissione dati in fibra, rilevatori di velocità, ...) – Range di potenza: fino a 4 kW in continua Applicazioni del LASER In base alla densità di energia del LASER, esistono diverse applicazioni: – Applicazioni generali • scrittura (stampanti LASER, ovviamente con frequenze basse) • applicazioni mediche e chirurgiche – Applicazioni tecnologiche • Asportazione (ablazione/foratura/taglio) • Saldatura • Trattamenti termici localizzati Asportazione di materiale < L’energia luminosa (insieme di fotoni) viene in parte assorbita e convertita in energia termica che porta a sublimazione il materiale. Fasi dell’asportazione 1. Riscaldamento della superficie (assorbimento della radiazione) 2. Fusione della superficie 3. Vaporizzazione 4. Espulsione dei vapori 5. Espulsione del liquido < Problematiche relative a: – Riflettività della superficie (anche >50%) – Assorbimento della radiazione – Conduzione del calore (=> ZTA) < In particolare, la riflettività di un materiale (ovvero l’attitudine a riflettere raggi luminosi) dipende da: – lunghezza d’onda l (tipica del LASER) – Superficie del materiale (grado di finitura, stato di ossidazione) – Temperatura In particolare, la riflettività aumenta con Temperatura e l riducendo l’assorbimento e l’efficienza della lavorazione. Alcuni materiali riflettono più del 50% dell’energia incidente (es. rame, argento, alluminio). Si può intervenire sulla superficie del materiale – Ossidazione – Sabbiatura < Materiali lavorabili: – Metalli • acciai convenzionali, martensitici, ferritici, legati. In particolare: – al carbonio (taglio LASER più preciso) – inox (elevato grado di precisione nel taglio e controllo del calore che consente il mantenimento dell’inossidabilità e della resistenza alla corrosione) • Rame, alluminio e ottone (taglio fino a 45 mm) • Titanio – Non metallici • materie plastiche (assenza di sollecitazioni e deformazione) • materiali vari (carta, pelli, tessuti naturali e sintetici) – Vetrosi • quarzo (taglio più veloce rispetto a quello con mezzi meccanici) • vetro meno adatto perché presenta elevati livelli di microfessurazioni < Vantaggi: – Assenza di contatto utensile/pezzo: • Assenza dell’usura dell’utensile • Assenza di sollecitazione meccanica del pezzo • Indipendente dalla durezza del materiale – Convenienza tecnologica: • Preciso, pulito e silenzioso. • ZTA molto ridotta (Anche se si manifesta una riduzione della resistenza a fatica, es: leghe Ti) • Pressoché totale mancanza di sfridi • Pezzi finiti in molti casi (non necessitano lucidatura, sbavatura) • Zona rimossa (kerf) estremamente piccola • Assenza di ossidi (attenzione all’O2 come gas di supporto) – Elevato grado di automazione: • Facilità di integrazione con altri sistemi automatici • Elevatissima capacità di profilatura grazie ad avanzati sistemi di interpolazione • Elevata ripetibilità – Convenienza economica: • Riduzione dei tempi di lavorazione • Aumento della qualità della produzione – Elevata flessibilità • Taglio di profili complessi e realizzazione di piccoli fori • Realtà produttive Foratura LASER Effettuata attraverso due distinte tecniche: – Percussion Drilling • Utilizzata per piccoli fori (ø < 1,3 mm) • i fori presentano il tipico aspetto ad imbuto a causa della trasmissione del calore della divergenza del raggio LASER • Lavorazione ad impulsi – Trepanning • essenzialmente è operazione di taglio, torcia laser seguendo un determinato profilo in base al quale taglierà il pezzo • regime continuo/impulsato Taglio LASER 1. Gas di processo 2. Ugello di taglio 3. Gap 4. Velocità di taglio 5. Materiale fuso 6. Scoria 7. Rugosit (striature)à̀ 8. ZTA 9. Larghezza kerf (0.1 mm0.5 mm) Esempi di taglio LASER Saldatura LASER < Saldatura per conduzione