Un’idea innovativa per evitare i difetti nel taglio laser

Il problema della bava affligge diverse applicazioni del taglio laser, specie se impiegato sul titanio. Una recente ricerca ha proposto una soluzione per migliorare la qualità del processo.

I produttori di manufatti si trovano, oggi più che mai, sotto pressione da più fronti. Da una parte si hanno i clienti che chiedono prodotti di qualità elevata, in tempi rapidi e, talvolta, con materiali speciali ad elevate caratteristiche. L’altro fronte è invece quello di ottimizzazione dei costi: una necessità imprescindibile per ogni industriale. Imprevisti o difetti inattesi possono causare costi non preventivati che vanno a rosicare il margine o addirittura ad annullarlo. Questo rischio è ancora maggiore per cicli di lavorazione particolarmente lunghi e composti da numerose operazioni. Tutte le lavorazioni aggiuntive possono risultare pericolose in quanto implicano potenzialmente ulteriori tempi, costi e rischi di imprevisti. Spesso vengono effettuate operazioni di post processo per eliminare difetti o rifinire quanto prodotto nelle fasi precedenti. In alcuni casi però queste operazioni aggiuntive possono essere evitate grazie ad un’ottimizzazione dei parametri o del processo. Così è possibile ridurre i rischi d’impresa, pur offrendo un prodotto di qualità per i clienti. Perciò la ricerca porta nuovi spunti per migliorare i processi, offrendo soluzioni particolarmente interessanti per la produzione di domani.

Il taglio laser

Il taglio laser della lamiera è ormai un processo largamente diffuso e conosciuto. Il fascio laser ad alta intensità, opportunamente controllato, è in grado di creare un taglio netto e di ottima qualità su diversi metalli con spessori anche notevoli. I vantaggi sono numerosi: la zona affetta dal calore è limitata, la distorsione del materiale è ristretta, inoltre la stabilità di taglio è elevata e il processo risulta flessibile, preciso, rapido ed efficiente. Per di più, trattandosi di un processo non a contatto, vengono evitati i problemi legati a rumori, vibrazioni e i costi per gli utensili. Nel caso specifico di questa ricerca l’attenzione viene posta su una lega di titanio (Ti-6Al-4V), apprezzata per le proprietà termo-meccaniche e di particolare interesse per componenti funzionali in campo aerospaziale, marino, chimico, alimentare, medicale e automotive. Il laser utilizzato per questo studio è un laser a fibra IPG Photonics YLR 2000 Ytterbium con lunghezza d’onda di 1070 nm e potenza massima di 2 kW.

I difetti di processo

Possono purtroppo verificarsi alcuni difetti durante il processo di taglio laser. La lega di titanio ad alte prestazioni, tagliata al laser, presenta frequentemente il difetto della bava (“dross” in inglese) mostrato in Figura 1b. La bava è un residuo di metallo non completamente espulso dalla zona di taglio, visibile come fuso ossidato e risolidificato accumulato lungo il bordo inferiore della lamiera. Questo difetto è indice della qualità del processo di taglio laser e, per essere corretto, richiede solitamente operazioni di post processo come, ad esempio, sabbiatura o molatura. Un altro importante parametro tenuto in considerazione per l’ottimizzazione del processo è la geometria della parete di taglio. La misura della convessità della parete di kerf (rappresentata in Figura 1a) è un altro indice della qualità produttiva. Per ottenere un prodotto di qualità è necessario affinare il processo di taglio minimizzando l’area di bava e cercando di ottenere un taglio dritto (limitando la convessità). Per fare ciò negli anni diversi studi hanno agito sull’ottimizzazione dei parametri, ottenendo risultati molto interessanti per quanto riguarda i materiali convenzionali (e.g. acciaio). Può accadere però che la lavorazione di materiali ad alte performance, come la lega di titanio presa in esame, propongano nuove sfide dal punto di vista produttivo.

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Il processo modificato

I macchinari di taglio laser presentano tipicamente un flusso di gas coassiale al laser per espellere il materiale fuso (Figura 2a). Il gas viene guidato da un ugello a sezione anulare e, in questo caso, viene utilizzato l’argon come inerte. La funzione del gas è duplice: principalmente il compito è quello di rimuovere il fuso dalla zona di taglio, ma secondariamente esso previene la contaminazione atmosferica durante il processo.

L’esperienza mostra che il setup tradizionale, nel taglio di Ti6Al4V, non riesce ad espellere completamente il materiale fuso dalla zona di taglio, creando difetti di bava nella zona inferiore della lamiera. Per tentare di ridurre l’impatto di questo difetto gli autori dell’articolo propongono un setup modificato del macchinario di taglio. L’idea è quella di introdurre un ugello secondario per l’apporto di gas inerte, solidale alla testa laser e posto nella parte inferiore della lamiera (Figura 2b). L’obiettivo dell’aggiunta dell’ugello secondario è quello di applicare, tramite il flusso di gas, una spinta per rimuovere il fuso e prevenire la solidificazione del metallo nella parte inferiore del taglio.

Ottimizzazione del processo di taglio laser

L’introduzione di una modifica sostanziale nel processo richiede anche una valutazione approfondita dell’influenza dei vari parametri sul componente finale. Per questo gli autori hanno sviluppato un’analisi comparativa dei due processi al variare di diversi parametri. L’obiettivo è quello di aumentare la conoscenza per prevenire i difetti e identificare una buona combinazione di parametri tali da ottenere interessanti risultati.

Sono stati per questo individuati due valori per diversi parametri: potenza del laser, duty cycle, velocità di scansione, inclinazione, distanza focale, distanza dal substrato e pressione del gas. Questi valori sono stati incrociati in modo da creare una sperimentazione rigorosa valutando come risposta sia l’area di bava che la convessità della parete di kerf.

I risultati

Diverse misure sono state effettuate tramite microscopio elettronico a scansione (SEM) per quantificare i difetti ed avere un riscontro oggettivo delle sperimentazioni. Questi dati sono stati utilizzati per individuare relazioni tra parametri di processo e presenza di difetti. La convessità della parete di kerf è risultata direttamente dipendente dall’energia di taglio, quindi dalla potenza del laser, dalla velocità e dalle distanze. L’area di bava invece è stata correlata al tempo di interazione con il laser e all’angolo di incidenza.

Confrontando il setup tradizionale con quello modificato (Figura 3) i risultati sono particolarmente interessanti. La presenza di bava viene notevolmente ridotta grazie all’introduzione di un flusso secondario di gas. Questa riduzione è significativa sia per quanto riguarda l’area di bava che per l’altezza media (Figura 3c, d).

L’ugello secondario crea un flusso di gas capace di “tagliare” il materiale nell’estremità inferiore, riuscendo così a ridurre drasticamente la presenza di bava. Il risultato è particolarmente promettente anche per quanto riguarda la convessità del taglio, in questo caso è stato misurato un miglioramento del 38 % come è chiaramente mostrato da Figura 3.

Una modifica innovativa

La produzione di materiali ad alte prestazioni è sempre più interessante a livello industriale. Materiali un tempo rari sono ormai sempre più diffusi grazie alle richieste di performance maggiori da diversi settori. La produzione di prodotti prestazionali e di qualità impone quindi nuove sfide. I processi tradizionali devono talvolta essere rivisti o modificati per soddisfare anche le richieste più pretenziose. L’introduzione di un processo innovativo implica probabilmente costi maggiori, ma occorre valutare tale scelta a livello di ciclo, includendo nella stima la completa sequenza di operazioni necessarie. Come mostrato dagli autori della ricerca un processo di taglio modificato può migliorare significativamente la qualità del prodotto finito riducendo, ad esempio, la presenza di bava. Questa riduzione di bava può evitare la necessità di ricorrere ad operazioni successive che richiederebbero un impegno ulteriore per ciò che concerne tempi e costi. Gli sviluppi tecnologici permettono, anno dopo anno, di migliorare la qualità produttiva offrendo componenti di qualità superiore a prezzi unitari competitivi, occorre però rimanere aggiornati e allineati alle richieste del mercato.

di Stefano Grulli

Fonte: Singh, A. K., Bal, K. S., Pal, A. R., Dey, D., & Roy Choudhury, A. (2021). A novel method to reduce dross in laser beam cutting of Ti-6Al-4 V alloy sheet. Journal of Manufacturing Processes, 64, 95-112. doi:10.1016/j.jmapro.2021.01.020

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Source: Stampi
Un’idea innovativa per evitare i difetti nel taglio laser

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