RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

EKLAST - Enhancing the Knowledge of LAser Surface Treatments

Università di riferimento

Politecnico di MILANO - MECCANICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Edoardo Capello

Descrizione

Nell’ambito del presente progetto i compiti dell’unità di ricerca di Milano riguardano prevalentemente tre linee di ricerca. Tali linee verranno descritte collocandole all’interno delle varie fasi in cui è suddiviso il modello A del presente progetto (principalmente Fasi 2, 3 e 4).


Fase 1 – Analisi preliminare
In questa fase di avvio del progetto l’unità di Milano, in quanto coordinatore del progetto, avrà un ruolo chiave. Parteciperà quindi non solo in modo attivo ma avrà un ruolo di guida delle scelte relative a:
- Materiali da utilizzare: come già descritto nel modello A, si cercheranno i materiali più consoni alle applicazioni tipiche dei trattamenti termici mediante laser. Questi materiali saranno leghe ferro-carbonio (acciai e ghise), scelti opportunamente.
- Definizione case studies: l’unità parteciperà in maniera propositiva nella definizione di almeno tre case studies che riguardino delle condizioni tipiche di trattamento termico mediante laser.


Fase 2 – Miglioramento della base di conoscenza: messa a punto di una tecnica di prova innovativa per la identificazione di modelli microstrutturali
Come già accennato nella “Base di partenza scientifica”, i modelli microstrutturali oggi a disposizione in letteratura nella maggior parte dei casi o sono parziali (ad esempio, mancano dei validi modelli che descrivano il rinvenimento tra passate affiancate) e/o sono stati identificati a velocità di riscaldamento e raffreddamento lontane da quelle tipiche dei trattamenti laser. Per ovviare a questa lacuna verrà messa a punto una tecnica di sperimentazione innovativa che consente di osservare le variazioni microstrutturali effettive generate da un trattamento laser. L’idea di partenza è riportata in Figura (1): l’estremità di una barra del materiale in prova viene esposta per un breve tempo ad un fascio laser di elevata potenza, generando quindi, nella barra, un campo termico variabile nel tempo e nello spazio. In particolare, grazie al fatto che il fascio ha uno spot maggiore rispetto alla sezione della barra, la conduzione di calore può essere considerata monodimensionale lungo l’asse delle barra (verranno effettuate analisi sperimentali e numeriche per verificare tale ipotesi e/o trovare le condizioni che consentono di introdurre tale approssimazione senza errori significativi). In tali condizioni la modellazione analitica è relativamente semplice e consente di descrivere in maniera compiuta il ciclo termico subito dal materiale lungo la barra.




Figura (1) – Schema di massima della prova proposta per valutare le variazioni microstrutturali.



A questo punto, opportunamente lucidando la barra lungo una generatrice, sarà possibile osservare la variazione di microstruttura e di durezza lungo l’asse del provino. In questo modo sarà possibile associare alla microstruttura e al valore di microdurezza misurato localmente il ciclo termico subito dal materiale (descritto tramite il modello termico).
Ma non solo: opportunamente modulando nel tempo la potenza della sorgente sarà possibile ottenere in un dato punto della barra un determinato ciclo termico (quindi un ciclo termico imposto – cfr. Figura (2)).




Figura (2) – Imposizione del ciclo termico e profilo di potenza conseguente.



E’ proprio la descrizione attraverso modelli analitici della trasmissione del calore nella barra che rende possibile l’imposizione, in un dato punto, del ciclo termico ricavando di conseguenza l’andamento della potenza nel tempo da impostare al fascio (con modelli numerici questo non sarebbe possibile). Quindi non solo sarà possibile ricavare il ciclo termico T(t)a posteriori, cioè una volta imposto l’andamento di potenza nel tempo P(t):
T(t) = f(P(t))
ma sarà possibile definire a priori il ciclo termico desiderato T _des e ricavare di conseguenza l’andamento della potenza nel tempo P(t) da utilizzare:
P(t) = f ^-1(T _des(t))
Ad esempio, sarà possibile effettuare due cicli termici identici per massima temperatura raggiunta, ma che differiscono per velocità di raffreddamento, o viceversa. Osservando la microstruttura nel punto analizzato sarà possibile associare tale microstruttura alle grandezze che caratterizzano il ciclo termico imposto (temperatura massima, velocità di raffreddamento, ecc.).
La prova sopra descritta presenta alcune criticità che verranno analizzate attentamente durante la messa a punto della metodologia di prova. In particolare, allo stato attuale appare critico:
- ottimizzare le condizioni di prova affinché tutte le approssimazioni introdotte nella modellazione analitica siano ragionevolmente rispettate nella realtà;
- ottimizzare le condizioni di prova per avere una ripetibilità elevata dei risultati.
Per verificare al meglio queste criticità durante la fase di messa a punto della metodologia di prova saranno effettuate prove strumentate in cui verrà misurata la temperatura in vari punti della barra attraverso termocoppie di piccolissime dimensioni (l’unità di Milano è in grado di saldare mediante laser microtermocoppie dell’ordine di 0.3 mm di diametro direttamente sul pezzo).
L’obiettivo ultimo di questa attività è quindi la messa a punto di un insieme di modelli empirici o semi-empirici (e/o la verifica sperimentale di quelli esistenti in letteratura) che descrivano le variazioni microstrutturali dei materiali indagati in funzione del ciclo termico subito, per valori di velocità di riscaldamento e di raffreddamento tipici dei processi laser.
Questi modelli, oltre a essere un risultato che andrà ad aumentare la base di conoscenza relativa ai trattamenti termici, saranno utilizzati dall’unità di Bari per la modellazione ad elementi finiti della componente termica e microstrutturale congiuntamente.


Fase 3 – Ottimizzazione della lavorazione: trattamento con “spot apparente”
L’idea di partenza per questa attività è di poter variare, aumentando o “sagomando” a piacere (o almeno entro ampi intervalli) lo spot del diodo laser attraverso la rapida oscillazione del fascio stesso o tramite un rapido movimento del pezzo (per pezzi circolari, come descritto oltre). Ad esempio, facendo oscillare ad alta frequenza il fascio trasversalmente alla direzione di avanzamento per mezzo di uno specchio montato su un sistema galvo (così come riportato in Figura (3)) si può ottenere una rapida esposizione ciclica del materiale: il generico punto in superficie viene quindi esposto “a impulsi” al fascio, ma grazie all’inerzia termica del materiale un punto posto poco al di sotto della superficie è oggetto di un flusso di calore prossimo al continuo. In questo modo è possibile allargare la zona di trattamento senza effettuare passate affiancate (evitando quindi il rinvenimento localizzato) e senza operare una defocalizzazione spinta.




Figura (3) – Sistema galvo per far oscillare il fascio e creare uno spot apparente.



Ma non solo: opportunamente modulando la velocità di spostamento dello specchio è possibile variare la distribuzione di potenza apparente all’interno dello spot apparente, ottimizzando quindi il trattamento. Ad esempio, passando da una legge di moto triangolare ad una sinusoidale è possibile ottenere un volume temprato la cui sezione in un piano normale alla superficie del pezzo appare più rettangolare, come riportato in Figura (4). La geometria più “squadrata” che favorisce l’uniformità dello spessore trattato e può essere particolarmente utile nel caso di passate affiancate (quindi nel caso di trattamento di superfici particolarmente ampie).




Figura (4) – Variazione della densità di potenza all’interno dello spot apparente.



O ancora, opportunamente regolando la legge di moto dello specchio è possibile ottenere uno strato temprato di profondità costante in componenti di spessore non costante Figura (5 - sx) e, infine, ridurre la fusione attorno ad uno spigolo vivo: ad esempio, è in linea di principio possibile ridurre la fusione del materiale attorno al foro del componente di Figura (5 - dx) opportunamente accelerando il fascio in quella zona.




Figura (5) – Tempra a spessore costante di un componente di spessore non costante (sx) e tempra senza fusione di un foro in posizione nota (dx).



Lo spot apparente è applicabile anche a “pezzi circolari”: in questo caso si può mettere in rotazione ad alta velocità il pezzo, ottenendo una sorgente apparente circonferenziale che avanza assialmente (cfr. Figura (6)).




Figura (6) – Spot apparente circonferenziale su pezzo circolare in rotazione ad elevata velocità.



In questo modo è possibile trattare componenti circolari evitando il problema del rinvenimento delle passate elicoidali affiancate. Ad esempio, con questa modalità di trattamento si potrebbe arrivare in prospettiva ad effettuare il trattamento di sedi di cuscinetti (tipicamente larghe alcune decine di mm) su alberi o assi in acciaio direttamente sul tornio o sulla rettifica che li ha realizzati.
Le criticità che allo stato attuale si presuppongono per questa attività sono:
- limite di potenza: appare evidente come aumentando la dimensione dello spot la densità di potenza decresca. E’ quindi necessario utilizzare un diodo di potenza relativamente elevata e la potenza di 2.2 kW del diodo dell'unità di Milano potrebbe essere un limite nella sperimentazione. In questo caso si opererà "in scala ridotta".
- produttività: l’aumento della dimensione dello spot apparente è probabilmente accompagnata da una riduzione di velocità di avanzamento dello spot sul pezzo. Occorrerà quindi valutare attentamente il beneficio in termini di area totale trattata nell’unità di tempo.
Le problematiche sopra esposte verranno affrontate con una modellazione sia analitica (modelli analitici di trasmissione del calore, nei quali l’unità di Milano ha una buona competenza) che numerica (SYSWELD), che integreranno e faranno da supporto conoscitivo alla fase sperimentale.


Fase 4 – Controllo della lavorazione: controllo dello spot apparente
In relazione al trattamento con spot apparente sviluppato nella Fase 3, si cercherà di effettuare il controllo della lavorazione in tempo reale. L’idea di base è di poter regolare la potenza del fascio misurando mediante un pirometro la temperatura superficiale in modo tale da mantenere tale temperatura costante. L’obiettivo ultimo è quindi garantire la qualità del trattamento.




Figura (7) – Controllo in anello chiuso della lavorazione mediante spot apparente.



In questa attività verrà dapprima analizzata la possibilità di misurare la temperatura in maniera diffusa su tutto lo spot apparente o in maniera puntuale, eventualmente attraverso lo specchio montato sul galvo. Entrambe le soluzioni allo stato attuale appaiono percorribili, con vantaggi e svantaggi che verranno valutati con maggiore dettaglio a valle della messa a punto del sistema e dell’esecuzione di prove sperimentali. Ciò che appare non percorribile è il controllo della potenza all’interno del ciclo del rapido spostamento del galvo a causa delle elevate velocità in gioco.
L’identificazione e taratura dell’anello di controllo verranno svolte con le tecniche classiche del tipo PID, che allo stato attuale sembrano percorribili. Verrà però indagata la possibilità di identificare l’anello di controllo (che dipende dalle caratteristiche termiche del materiale) attraverso una “prova preliminare”: una parte sacrificale del materiale viene esposta al fascio laser e contestualmente viene osservata dal pirometro: in questo modo si potrà ricavare sperimentalmente la temperatura di fusione del materiale. Ma non solo: opportunamente movimentando il pirometro durante la fase di raffreddamento della prova (in modo da misurare la temperatura in più punti superficiali) si potranno ricavare le principali grandezze termiche del materiale (diffusività e conducibilità termica) direttamente dal pezzo, con un probabile miglioramento della precisione dell’anello di controllo.
Infine, verranno effettuate prove con set-point variabile nello spazio, come si rende necessario nel caso di trattamento di componenti come quello riportato in Figura (5 – dx).


Fase 5 – Analisi finale
Come per la prima fase, ancora una volta l’unità di Milano, in quanto coordinatore del progetto, avrà un ruolo guida in questa fase comune a tutte le unità. In particolare, l’unità coordinerà le seguenti attività:
- Case studies: questa attività riguarderà il trattamento e la qualificazione del risultato dei componenti campione identificati all’inizio del progetto.
- Analisi economica: il contributo dell’unità di Milano sarà sia nella identificazione del modello di costi, sia nella valutazione comparativa con altre tecnologie (prima tra tutte la tempra ad induzione).
- Conclusioni e futuri sviluppi: questa attività riguarderà la sintesi di tutti i risultati ottenuti dalle varie unità nel corso del progetto.
- Coordinamento di una monografia con i principali risultati: l’unità coordinatrice del progetto si farà promotore di un testo che contenga i risultati del progetto. Tale testo riporterà i contributi di tutte le unità.


DIAGRAMMA DI GANTT




Figura (8) – Diagramma di Gantt per le attività dell’unità di Milano.