RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

EKLAST - Enhancing the Knowledge of LAser Surface Treatments

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - ING.DELLE COSTR.MECC.,NUCL.RI,AERONAUTICHE E DI METALLURGIA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giovanni Tani

Descrizione

Il progetto di ricerca proposto è orientato allo studio, caratterizzazione ed ottimizzazione del processo di trattamento termico di tempra superficiale mediante sorgente laser attraverso lo sviluppo di un simulatore software del processo.
Le finalità ultime del progetto sono:

- Realizzare uno strumento di modellazione fisico-analitica del processo applicabile a tutte le tipologie di sorgenti laser e che potrà essere testato ed utilizzato dalle altre unità operative coinvolte nel progetto.
- Realizzare uno strumento di simulazione software che, a partire da un numero di dati sperimentali relativamente limitato, sia in grado di predire la microstruttura ottenibile nel materiale.
- Determinare, mediante una applicazione estensiva della simulazione, i parametri di processo ottimali per ottenere la microstruttura richiesta. Tali parametri potranno successivamente essere ottenuti dal sistema di simulazione risolvendo il problema inverso mediante criteri di ottimizzazione.
- Determinare gli effetti del trattamento termico in termini di deformazioni e tensioni residue insorte nel pezzo.
- Valutare l'attitudine di un dato materiale ad essere trattato mediante il processo in esame.

L'uso della simulazione numerica come ben noto permette di analizzare processi fisici o tecnologici anche complessi con tempi e costi generalmente contenuti grazie al notevole sviluppo delle prestazioni dei calcolatori, degli algoritmi e degli strumenti di sviluppo software disponibili al giorno d'oggi.
L'affidabilità dei risultati ottenibili è però strettamente connessa con quella dei parametri fisici in ingresso, parametri sovente ottenibile solo grazie ad una sperimentazione. E' quindi importante che i modelli implementati si basino su un numero di parametri fisici limitato e rilevabile in maniera accurata ed economica.
Il Sistema di Simulazione che si intende sviluppare potrà consentire una rapida messa a punto del processo tecnologico personalizzato alla sorgente in uso ed ai materiali da trattare in modo da predeterminare, fuori linea, i parametri tecnologici più idonei e limitare l’onerosa attività di “trial and error” altrimenti necessaria prima di iniziare il processo vero e proprio.
Questo aspetto risulta estremamente importante soprattutto pensando di applicare il processo su un sistema integrato di produzione che, in una unica stazione, presenti la possibilità di effettuare lavorazioni per asportazione e successivamente il trattamento termico, con lo stesso piazzamento pezzo. Limitare il tempo di set-up del processo Laser significa limitare il tempo di occupazione della macchina ottenendo così una elevata produttività.

Per quanto riguarda la simulazione del trattamento termico mediante laser gli aspetti critici sono in primo luogo l'interazione laser/superficie: la riflettività del materiale ed il suo andamento con la temperatura, lo stato di rugosità e di pulizia della superficie e l'utilizzo di vernici assorbenti sono tutti fattori da tenere in considerazione per prevedere in maniera corretta la quantità di energia assorbita dal materiale.
Valutata l'energia trasferita al materiale, che è necessario conoscere con buona precisione (si prevede per questo di acquistare una apposita strumentazione), occorre simulare in maniera opportuna come questa si distribuisce tenendo conto dei coefficienti di conduzione del materiale e della loro variazione con la temperatura e con la microstruttura. Nel modello termico così delineato devono quindi essere integrati gli algoritmi di trasformazione “di fase” in modo da descrivere l'andamento della microstruttura durante il trattamento.
L'approccio ipotizzato è quello di integrare algoritmi di carattere generale sia per quanto riguarda la modellazione del campo termico che quella microstrutturale.
Il gruppo di ricerca facente capo alla sede intende utilizzare l'esperienza pregressa maturata nello sviluppo di codici per la simulazione dell'ablazione laser. Si prevede di utilizzare un codice alle differenze finite valutando, durante l'integrazione diretta nel tempo le frazioni delle microstrutture presenti.
I vantaggi di questo approccio sarebbero i seguenti:
- Il modello permette di simulare un fascio avente distribuzione spazio/temporale qualsiasi, che di volta in volta può essere personalizzato, ciò lo rende indipendente dalla effettiva tipologia di sorgente utilizzata ed applicabile da tutte le sedi coinvolte nel progetto.
- Il modello è in grado di simulare qualsiasi legge di moto della tacca focale ed è quindi particolarmente adatto alla simulazione di fasci oscillanti. In particolare dovrebbe essere possibile determinare le relazioni esistenti tra i parametri di scansione dello spot reale e le caratteristiche dello spot apparente così ottenuto.
- Per quanto detto sopra il modello è particolarmente adatto all'analisi dei fenomeni di rinvenimento dovuti al sormonto e all'interazione tra passate affiancate successive.
- Il modello tiene conto della fisica del processo mediante un numero relativamente basso di parametri determinabili sperimentalmente, molti altri essendo ben noti dalla letteratura. In particolare si intende sviluppare un modello della trasformazione microstrutturale avente come base di partenza gli usuali diagrammi di trasformazione isotermica (diagrammi TT) già disponibili in letteratura e nella manualistica di molti produttori di leghe ferrose
- Il modello della trasformazione microstrutturale dovrebbe inoltre simulare in modo coerente sia i fenomeni di rinvenimento che di ricottura a partire da strutture martensitiche posto di conoscere i diagrammi di rinvenimento del materiale trattato.
- Il modello presentato permette di definire puntualmente le caratteristiche del materiale permettendo in questo modo di analizzare il processo su parti che abbiano già subito trattamenti, in presenza di ricoprimenti o, genericamente, in presenza di più materiali.
- Il modello permetterà anche di simulare le trasformazioni in fase liquida ed il comportamento delle suddette fasi.

Lo sviluppo di un codice originale permette una grande flessibilità nell'integrare quest'ultimo con pacchetti FEM commerciali allo scopo di analizzare i campi di tensione e deformazione residua. Si prevede di utilizzare l'andamento delle temperature nel tempo e le relative trasformazioni di fase come ingresso in un codice nel quale il componente in esame sia sottoposto alle opportune condizioni di vincolo. Di notevole interesse sarebbe la possibilità di inserire nel codice in ingresso le variazioni di volume specifico dovute ai cambiamenti di fase.


PROGRAMMA DETTAGLIATO DELLE ATTITIVÁ

FASE 1: Impostazione del progetto ( 3 mesi )

1.1 Ricerca bibliografica sullo stato dell'arte riguardante gli aspetti sopraindicati ovvero:
- Ultime tendenze e stato della ricerca nel campo del laser hardening.
- Modelli numerici efficienti di simulazione termica e di interazione fotoni/materia.
- Modelli ed algoritmi relativi alle trasformazioni di fase con particolare riferimento alle trasformazioni multifase e all'austenitizzazione rapida.
- Banche dati contenenti le caratteristiche dei materiali necessarie all'implementazione del modello.

1.2 Incontri per la definizione operativa e la programmazione congiunta con le altre sedi, con particolare riferimento all'integrazione tra sviluppo del modello numerico e conduzione della campagna di sperimentazione.

1.3 Definizione del programma di ricerca dettagliato della sede. In particolare si definiranno le specifiche del simulatore numerico in accordo con le altre sedi.

1.4 Scelta congiuntamente con le altre sedi dei casi industriali presi come riferimento. La sede di Bologna propone in via preliminare pezzi piani di differente spessore ed un giunto meccanico con limitatore di coppia.
Verranno scelti inoltre i materiali di riferimento su cui verranno eseguite le campagne sperimentali e su cui verrà testato il simulatore.

1.5 Verranno concordate le modalità di coordinamento tra le diverse sedi per tutta la durata del progetto (sito WEB per lo scambio di informazioni e per lo stato di avanzamento del progetto; riunioni di cordinamento; stati di avanzamento)


FASE 2: Sviluppo delle attività (9 mesi)

Le attività saranno articolate nei seguenti punti:

2.1 Modellazione del processo fisico del trattamento di tempra mediante lo sviluppo di algoritmi di trasformazione di fase.
In questa fase verranno implementati gli algoritmi per determinare, a partire dall'andamento temperatura/tempo la frazione delle microstrutture presenti all'interno del materiale.
- Sviluppo e messa a punto dell'algoritmo di austenitizzazione rapida del materiale. Questo algoritmo dovrebbe fornire, dati la velocità di salita e il livello di temperatura raggiunto un parametro di trasformazione complesso (CPT) da utilizzare nel calcolo delle successive trasformazioni.
- Sviluppo e messa a punto dell'algoritmo di trasformazione di fase e microstrutturale durante lo spegnimento del materiale. L'algoritmo di trasformazione multifase permetterà di calcolare, istante per istante, le frazioni di fase presenti a partire da alcuni coefficienti calcolati dalle curve TT del materiale e dall'andamento della temperatura corrente.
Nel caso di trasformazione a partire da fase liquida (ghise) verrà considerata la generazione di fasi eutettiche e di composti intermetallici.
- Sviluppo e messa a punto dell'algoritmo per il rinvenimento del materiale. Questo permetterà di valutare la trasformazione della fase martensitica presente in strutture di rinvenimento a partire da alcuni coefficienti valutati dalle curve di rinvenimento del materiale e dall'andamento della temperatura corrente.
La scelta degli algoritmi sarà effettuata in stretta collaborazione con le altre sedi impegnate in indagini sperimentale per definire procedure i cui dati siano applicabile per la validazione del modello e per il suo utilizzo in ambito industriale.

2.2 Implementazione del codice di trasformazione di fase:
- Scelta tra un modello di calcolo basato sul “post processing” dei dati provenienti dal modulo termico oppure un modello integrato all'interno dello stesso.
- Scrittura e messa a punto del codice . Si valuterà l'opportunità di generare una serie di moduli separati (austenitizzazione, raffreddamento e rinvenimento) oppure un unico codice integrato all'interno della struttura dati “Object Oriented” da cui si parte.

2.3 Sviluppo e messa a punto del simulatore software
Tale attività consisterà nella determinazione dell’architettura generale del sistema di simulazione e nel suo sviluppo.
In particolare il lavoro si articolerà nelle seguenti fasi:
- Analisi e messa punto di criteri di convergenza che garantiscano una elevata efficienza del codice. Verrà valutata la possibilità di implementare algoritmi “Multigrid” allo scopo di ottimizzare i tempi di calcolo su geometrie complesse.
- Sviluppo un sistema di pre e post processo dei dati. Il primo permetterà la generazione automatica delle griglie di calcolo e delle condizioni al contorno (in termini di distribuzione spazio/temporale del fascio laser) in modo da poter agevolmente impostare i casi da analizzare. Il secondo permetterà invece l'interfacciamento dei risultati in uscita dal calcolo con software di visualizzazione scientifica o con ulteriori codici di calcolo per la determinazione di tensioni e deformazioni residue.
Lo sviluppo si avvantaggerà della attuale architettura software “ad oggetti” estremamente modulare ed estensibile.

2.4 Integrazione del codice con moduli FEM per l'analisi di tensioni/deformazioni residue.
Verra sviluppato un modulo software per connettere l'uscita del simulatore ad un codice agli elementi finiti commerciali con il quale predire lo stato tensionale e deformativo al termine del processo. L'ingresso del codice FEM sarà la geometria, lo stato di vincolo, l'andamento della temperatura e le variazioni dimensionali indotte dalle trasformazioni, ottenendo in uscita lo stato tensionale/deformativo indotto sul pezzo in esame.


FASE 3: Campagna sperimentale ( 6 mesi )
In questa fase verrà effettuata una indagine sperimentale su diversi materiali e sui “case studies” scelti a livello nazionale mediante sorgente laser CO2 attualmente a disposizione presso la sede e mediante altre sorgenti Laser che potranno essere messe a disposizione.
- Determinazione dei parametri da analizzare.
- Progettazione dell'esperimento mediante tecniche DOE.
- Esecuzione della campagna sperimentale.
- Analisi dei risultati ottenuti mediante tecniche metallografiche.


FASE 4: Validazione del progetto ( 6 mesi )
In questa fase verrà effettuata la validazione del codice di simulazione.
- Analisi e simulazione dei vari “case studies” realizzati nelle diverse sedi nazionali.
- Confronto tra i risultati numerici ottenuti da simulazione con quelli sperimentali eseguiti presso altre sedi
- Verifica della robustezza del metodo rispetto ai parametri fisici di più difficile determinazione.

In tale fase verrà anche studiato il possibile utilizzo del processo di tempra Laser su un centro di tornitura CNC a doppio mandrino, mediante l’applicazione di una apposita testa Laser appositamente predisposta ed in grado di realizzare alcune tipologie di pezzi campione.


METODI E TECNICHE UTILIZZABILI

Il progetto richiede competenze diversificate di tipo strettamente tecnologico ma anche metallurgico ed informatico. Ciò richiede un elevato numero di figure professionali e globalmente un elevato numero di mesi uomo.
- L'attività di modellazione matematica e lo sviluppo del simulatore avverrà ricorrendo a tecniche di programmazione ad oggetti, utilizzando il linguaggio “C++”.
- La fase preliminare di sviluppo e messa a punto di algoritmi potrà richiedere l’utilizzo di linguaggi tipo Matlab ed una volta verificati saranno trasferiti in linguaggio C++
- La parte sperimentale sviluppata dalla sede di Bologna verrà condotta mediante Cella CNC dotata di sorgente Laser CO2 da 3 kW utilizzando metodologie DOE da concordare con le altre sedi nazionali. Potranno poi essere utilizzate altre sorgenti messe a disposizione allo scopo.
- Per la effettuazione di prove sperimentali di validazione della simulazione sarà indispensabile dotarsi di uno specifico strumento per l'Analisi del Fascio Laser (PROMETEC o PowerMonitor) in grado di determinare le precise caratteristiche del fascio da introdurre poi nel sistema di simulazione.Di questo strumento se ne prevede l'acquisto e figura tra i costi del progetto.
Tale strumento potrà anche essere utilizzato dalle altre sedi coinvolte nel progetto.
- La verifica delle microstrutture ottenute verrà effettuata mediante analisi dell'immagine finalizzata alla determinazione quantitativa delle fasi presenti.
- Per la determinazione dello stato di tensioni-deformazioni indotte si ricorrerà a Sistemi Software agli elementi finiti come Ansys o Abaqus per i quali verranno sviluppate tecniche di interfacciamento automatico.


RISULTAT ATTESI

Il progetto dovrà consentire:
- Lo sviluppo di un sistema di simulazione efficiente in grado di rappresentare il processo nelle sue più diverse condizioni applicative per quanto riguarda le sorgenti, i materiali, le modalità di lavorazione,le specifiche sul prodotto finito.
- La predeterminazione della micro-struttura del materiale dopo trattamento e le sue caratteristiche di microdurezza.
- La determinazione dei parametri di processo ottimali e di conseguenza le informazioni per poter effettuare un corretto monitoraggio e controllo del processo stesso.
- La creazione di un data base con le informazaioni raccolte sperimentalmente integrabile con i dati forniti dalla simulazione
I risultati saranno verificati dalle diverse sedi a cui verrà affidato il sistema.


PARTNER INDUSTRIALI

Al progetto sono interessate anche le seguenti imprese industriali:
- ELeN spa: produttrice di sorgenti Laser
- C.B.Ferrari srl: produttice di macchine Laser
- RTM srl: sistemista Laser
- OMC srl: applicatore del processo tecnologico