Obiettivi formativi
Al termine del corso lo studente dovrebbe aver acquisito conoscenze e competenze relative ai processi tecnologici non-convenzionali, quali le lavorazioni laser, le fabbricazioni additive, le lavorazioni ad ultrasuoni, il taglio a getto d’acqua, il taglio idroabrasivo, l’elettroerosione e le lavorazioni elettrochimiche. Lo studio sarà svolto secondo un approccio sistematico che si basa sulla modellazione di tali processi, al fine di permettere l’interpretazione e la comprensione delle leggi e dei meccanismi su cui si fondano. Per ogni lavorazione verranno analizzati i vantaggi ed i limiti rispetto alle lavorazioni tradizionali per asportazione di truciolo e le potenzialità nella produzione di componenti specifici. La modellazione dei processi sarà orientata all’analisi ed alla previsione dell’influenza dei parametri di processo sui risultati ottenuti.
Prerequisiti
Disegno Tecnico Industriale, Fisica, Chimica, Scienza e Tecnologia dei Materiali, Analisi matematica, Tecnologia Meccanica
Contenuti dell'insegnamento
Lo studio delle tecnologie di produzione non-convenzionali, quali:
- Lavorazioni laser
- Fabbricazione additiva
- Lavorazioni ad ultrasuoni
- Taglio a getto d’acqua
- Taglio idroabrasivo
- Elettroerosione
- Lavorazioni elettrochimiche
Programma esteso
Introduzione alle lavorazioni non convenzionali: definizione, classificazione, esempi di utilizzo.
Lavorazioni laser (Laser Materials Processing – LMP). La natura duale della luce: onda elettromagnetica (lunghezza d’onda, numero d'onda) e flusso di fotoni. Emissione attraverso la densità di energia di un corpo nero. Nozioni di meccanica quantistica alla base del funzionamento di un laser. Assorbimento, emissione spontanea ed emissione stimolata.
L'inversione di popolazione. Effetto laser nei materiali a 2, 3 e 4 livelli energetici. Risonanza ottica ed amplificazione ottica. Modi longitudinali e lunghezza della cavità ottica. Proprietà del fascio laser: monocromaticità, coerenza (spaziale e temporale), divergenza e brillanza. L’efficienza di un laser ed i suoi componenti.
Profilo spaziale di un fascio laser e definizione del suo diametro. Modi elettromagnetici trasversali (TEM) e fattore di qualità del fascio. Polarizzazione della luce (lineare, circolare, casuale). Profilo temporale di un fascio laser: onda continua e regime impulsato. Tecniche di generazione degli impulsi in funzione della loro durata.
Architettura delle più comuni sorgenti laser per impiego industriale allo stato solido e gassoso. Materiali attivi: anidride carbonica, neon, ioni di neodimio, ioni di tulio, giunzioni p-n (semiconduttore). I moderni laser in fibra.
Le leggi di Snell. Le leggi di Fresnel e le differenze nell'assorbimento di onde di tipo "p" o "s". Interazione laser materia: differenze tra materiali metallici e non metallici. Riflettività/assorbimento delle superfici, e dipendenza di detti parametri da lunghezza d'onda, temperatura, rugosità superficiale, presenza di ossidi ecc. Propagazione ed assorbimento ottico all’interno di un materiale secondo la legge di Beer-Lambert. Effetti termici sul materiale e transizioni di stato in condizioni di equilibrio. Classificazione delle principali lavorazioni in funzione dei parametri di processo.
Sistemi di trasporto della radiazione: specchi e fibra ottica. Funzionamento della fibra ottica ed il concetto del Total Internal Reflection. Sistemi di focalizzazione del fascio: iperboloide di rotazione, profondità di campo e distanza di Rayleigh. Rifocalizzazione dopo fibra ottica. Sistemi di movimentazione del fascio: testa galvanometrica, lente f-theta, assi lineari e robot antropomorfi.
Tempra laser (Laser Hardening): risoluzione dell'equazione di Fourier in condizioni non stazionarie. Ciclo termico: fusione superficiale, tempra e rinvenimento. Fattibilità del processo in funzione di tipologia di componente e volume di produzione. Applicazioni industriali e macchine per la tempra laser.
Soluzione dell'equazione di flusso lineare per solido di spessore semi-infinito riscaldato attraverso una sorgente termica estesa. Fasi di accensione e spegnimento della sorgente e loro effetti sul materiale. Tempra laser di grandi superfici e di componenti assialsimmetrici. Simulazione numerica di casi generali.
Taglio laser (Laser Cutting): principio di funzionamento del gas di assistenza (inerte e riattivo). Influenza dei parametri di processo (potenza, velocità di taglio, diametro del fascio focalizzato, tipo e pressione del gas di assistenza) sulla profondità e sulla qualità di taglio. Modellazione del processo di taglio: sorgente termica piana in movimento. Stima dell'inclinazione del fronte di taglio e del massimo spessore tagliabile.
Saldatura laser (Laser Welding) in diverse configurazioni geometriche (sovrapposizione, d'angolo, di testa): influenza dei parametri di processo nella transizione tra saldatura per conduzione e saldatura a keyhole. Instabilità del keyhole. Modellazione del processo di saldatura: sorgenti termiche lineari e puntiformi in movimento. Saldatura di materiali sottili in regime impulsato.
Lavorazioni laser in regime impulsato (Laser Ablation, Surface Modification). Interazioni laser materia in funzione di durata e fluenza dell’impulso: tempo di rilassamento e conduzione termica per impulsi ultracorti. Transizioni di stato in condizioni di forte squilibrio: surriscaldamento, temperatura critica, vaporizzazione, frammentazione, esplosione di fase. Simulazione numerica di ablazione con impulsi corti ed ultracorti. Applicazioni industriali e macchine per lavorazioni laser in regime impulsato.
Classificazione delle tecniche di fabbricazione additiva (Additive Manufacturing – AM). Metodi di accrescimento di materiale. Il processo stereolitografico (SLA). Descrizione della macchina e del processo. Il principio di funzionamento della SLA: interazione tra fascio laser UV e fotopolimero. Selective Laser Sintering (SLS): principio di funzionamento ed applicazioni industriali.
Selective Laser Melting (SLM). Principio di funzionamento ed influenza dei parametri di processo (potenza laser, diametro dello spot, velocità di scansione, hatch spacing, spessore degli strati) sulla porosità e la resistenza meccanica di componenti. Progettazione per fabbricazione additiva: vantaggi di fabbricazione e funzionalità dei componenti rispetto agli stessi realizzati con tecnologie tradizionali. Case-study di fabbricazione tramite SLM di componenti innovativi.
Lavorazioni ad Ultrasuoni (Ultrasonic Machining – USM). Principi di base: impatto tra abrasivo e superficie, martellamento, cavitazione, erosione. Parametri di processo: potenza, frequenza, ampiezza, volume asportato. Tipi di lavorazione: lavaggio, foratura, fresatura, taglio, saldatura. Applicazioni industriali e macchine per USM.
Taglio a getto d'acqua (Water Jet Machining – WJM). Principi fondamentali: intensificazione della pressione, ugelli e catcher per il WJM. Meccanismo di asportazione di materiale. Calcolo della pressione d'urto in funzione della pressione di alimentazione. Morfologia del getto d'acqua: jet core, zona di transizione, zona di estinzione. Definizione della distanza di stand-off. Parametri di processo e loro influenza sullo spessore di materiale tagliabile e sulla qualità del taglio. Applicazioni industriali e macchine per WJM.
Taglio idroabrasivo (Abrasive Water Jet Machining – AWJM). Differenze rispetto al WJM: tipo di abrasivo impiegato, ugelli per la miscelazione dell'acqua e dell'abrasivo. Meccanismo di asportazione del materiale: zona di abrasione, zona di transizione, zona di deformazione plastica. Parametri di processo nel AWJM. Calcolo del rapporto di miscelamento ottimale per la massimizzazione della profondità di taglio. Applicazioni industriali e macchine per AWJM.
Elettroerosione (Electro-Discharge Machining – EDM). Il processo di asportazione di materiale attraverso scariche elettriche in mezzo dielettrico: analisi delle fasi di formazione del canale di plasma e del cratere sulla superficie. Generatori a rilassamento: il circuito Lazarenko. Il generatore ad impulsi controllati. Il dielettrico: funzioni, lavaggio a depressione e ad iniezione. Effetto del dielettrico sull'utensile. Applicazioni industriali, macchine per elettroerosione e sistema di avanzamento dell'utensile con controllo retroattivo della tensione.
Lavorazioni elettroerosive a tuffo di sgrossatura e finitura: materiale per utensile e suo dimensionamento. Influenza dei parametri di processo: corrente di scarica, frequenza delle scariche, tempo di scarica. Modello per la stima della velocità di avanzamento e della finitura superficiale. L'EDM a filo: sistema di avanzamento del filo. Procedimento di taglio: gap frontale e laterale. Il profilo reale del bordo di taglio e gli scostamenti da quello teorico. Correzione della posizione del filo rispetto al profilo programmato.
Lavorazioni elettrochimiche (Electro-Chemical Machining – ECM): principio di funzionamento della dissoluzione anodica e differenze con l'elettrodeposizione galvanica. Legge di Faraday. Energia necessaria al processo ECM. Il fenomeno della passivazione degli elettrodi. Calcolo del gap d'equilibrio durante la lavorazione ed in corrispondenza di superfici inclinate. Condizioni teoriche e situazione reale. Funzioni svolte dall'elettrolita e condizioni alle quali deve sottostare. Calcolo dell'andamento della temperatura dell'elettrolita lungo la zona di lavorazione. Limitazione imposte dal regime della corrente.
Applicazioni industriali e macchine per le lavorazioni ECM: struttura generatore, potenza della pompa per il ricircolo dell'elettrolita, gruppo di trattamento dell'elettrolita. Dimensionamento dell'utensile: metodo analitico per la determinazione della forma del catodo. Influenza dei parametri di processo nelle lavorazioni ECM: velocità di avanzamento e sua influenza su gap di equilibrio, energia assorbita e rugosità superficiale. Influenza dell'intensità di corrente sul rateo di asportazione e sulla rugosità superficiale.
Bibliografia
S. Kalpakjian, S. Schmid, Manufacturing engineering and technology, 2013
M. Monno, B. Previtali, M. Strano, Tecnologia meccanica le lavorazioni non convenzionali, 2012
E. Capello, Le lavorazioni industriali mediante laser di potenza, 2009
Metodi didattici
Le lezioni comprenderanno sia la trattazione teorica delle diverse tecnologie non convenzionali che l’analisi di casi reali in cui tali tecnologie sono state introdotte con successo in ambienti produttivi. Le slide utilizzate a supporto delle lezioni verranno caricate con cadenza settimanale sulla piattaforma Elly. Per scaricare le slide è necessaria l’iscrizione al corso on line. Saranno svolte inoltre delle esercitazioni pratiche su alcune tecnologie in modo da garantire una più profonda comprensione dei fenomeni fisici trattati durante le lezioni. La preparazione di un progetto relativo ad una specifica tecnologia non-convenzionale, costituirà una parte fondamentale del percorso di apprendimento e verrà discussa in fase di esame.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione sommativa degli apprendimenti prevede due componenti:
1) Una relazione riguardante un progetto inerente ad una specifica tecnologia non-convenzionale. La relazione è valutata con scala 0-30 (peso 50% del voto complessivo);
2) Una prova orale consistente nella discussione di domande su due tra tutte le tecnologie non-convenzionali trattate. La prova orale è valutata con scala 0-30 (peso 50% del voto complessivo).
Si ricorda che l’iscrizione on line all’appello è obbligatoria per la prova orale. I risultati dell’esame sono pubblicati sul portale Esse3 entro una settimana dalla data dell’esame.
