Abstract

La recente introduzione sul mercato (2001-2002) di nuovi tipi di laser da marcatura (Nd:YAG con impulsi dell’ordine dei nanosecondi), con costi relativamente contenuti ha permesso una notevole diffusione di questi sistemi in ambito industriale. Questi sistemi, grazie alle loro peculiarità, costituiscono attualmente una reale ed efficace alternativa ai tradizionali metodi di marcatura (incisione, elettroerosione, verniciatura, ecc.). Ciò nonostante, la bibliografia scientifica e quella tecnica appaiono abbastanza carenti sia nella descrizione dei sistemi che nella creazione di modelli atti a descrivere i loro effetti sui materiali lavorati. Nel presente lavoro si è quindi inteso realizzare una sperimentazione per caratterizzare la marcatura prodotta da un laser Nd:YAG di nuovissima generazione (2004). Tale sistema è costituito da un laser pompato in continuo e funzionante in regime di impulsi giganti (Q-switch), le cui caratteristiche principali sono: lunghezza d’onda  = 1,064 μm; max potenza media = 20 W; durata del singolo impulso = 150 ns e fattore di qualità del fascio M2 > 1 Il lavoro svolto affronta l’influenza dei parametri di lavorazione sulle caratteristiche geometriche del solco e si propone di costruire un modello analitico che permetta di scegliere i parametri di lavorazione in dei risultati desiderati. Sono state effettuate varie prove su due acciai inossidabili (AISI 304 e AISI430), variando opportunamente i parametri impostabili dal software proprietario della macchina. Successivamente si sono analizzate le principali caratteristiche della geometria dell’impronta, ovvero profondità e larghezza. I parametri analizzati sono: la frequenza di ripetizione degli impulsi, la velocità di marcatura e la corrente di alimentazione dei diodi; per ogni terna di questi parametri si ha a disposizione una determinata potenza media, a cui corrispondono precisi valori in termini di potenza di picco e/o energia ceduta dal singolo impulso. Pur essendo il termine energetico sicuramente il fattore che domina il processo e quindi la geometria finale della marcatura, da un punto di vista pratico si è focalizzata l’attenzione sui parametri menzionati (frequenza, velocità e corrente) in quanto sono quelli che vengono richiesti dal software primo della lavorazione. Abbiamo analizzato, fra i diversi presenti in bibliografia, il modello teorico proposto da G. Chryssolouris, perché è quello che tratta il processo di incisione laser. Il modello teorico non segue i dati sperimentali, quindi è stato sviluppato un modello empirico (di tipo analitico) che, partendo dai dati richiesti dal software, riesce a prevedere la profondità di marcatura con buona approssimazione. Il modello sviluppato sui risultati ottenuti con l’AISI 304 ha trovato conferma sull’altro acciaio. Nelle figure successive si riportano per entrambi i materiali la profondità prevista in funzione della profondità misurata. I principali risultati possono essere riassunti nelle seguenti osservazioni: •La profondità di marcatura risulta fortemente influenzaa dalla tensione di alimentazione dei diodi, dalla velocità di movimentazione del fascio e dalla frequenza di ripetizione degli impulsi; in particolare aumenta all’aumentare della corrente e al diminuire della velocità, mentre presenta un massimo per valori di frequenza intorno ai 6.000 – 8.000 Hz. •La larghezza della marcatura al contrario è poco influenzata dalla velocità e dalla corrente, mentre risulta debolmente decrescente con la frequenza fino a un valore prossimo ai 5.000 Hz, per poi mantenere un andamento sostanzialmente costante. •E’ stato individuato un valore di frequenza ottimale: 8.000 Hz. A tale valore infatti corrisponde una geometria del solco regolare e la profondità massima. •Il modello empirico conduce a risultati che sono in buon accordo con quelli sperimentali. •Il modello trovato è particolarmente utile poiché permette di prevedere la profondità dell’incisione utilizzando direttamente i parametri impostabili dalla macchina. (Fonte: fedoa)

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

FONDO SOCIALE EUROPEO - F.S.E.

Programma Operativo Nazionale 2000/2006

"Ricerca Scientifica, Sviluppo Tecnologico, Alta Formazione"

Misura III.4 – "Formazione Superiore e Universitaria"

Dottorato di ricerca in Ingegneria Chimica, dei Materiali e della

Produzione

indirizzo in

XVIII ciclo

MODELLI PER L’OTTIMIZZAZIONE DEI PROCESSI INDUSTRIALI:

INCISIONI LASER

CH.MO PROF. ING. NINO GRIZZUTI

CANDIDATO

DOTT. SILVIO GENNA

CH.MA PROF.SSA ING.

ISABELLA DE IORIO PAGANO

Anno Accademico 2004-2005

Introduzione p. 6

I. I laser p. 8

I.1. Principi di funzionamento del laser p. 9

I.2. Le caratteristiche del fascio laser p. 18

I.2.1. Monocromaticità p. 18

I.2.2. Coerenza p. 19

I.2.3. Caratteristiche energetiche p. 19

I.2.4. Profilo spaziale p. 20

I.2.5. Diametro del fascio (TEM) p. 21

I.2.6. Profilo temporale p. 24

I.2.7. Polarizzazione p. 26

I.2.8. Geometria di un fascio laser e sua divergenza p. 28

I.3. Classificazione dei laser p. 32

I.4. Sistemi di trasporto p. 34

I.5. Sistemi di focalizzazione p. 36

I.6. Il laser a CO2 p. 38

I.7. Il laser a Nd:YAG p. 42

I.8. Il laser a Diodi p. 48

I.9. Applicazioni industriali p. 54

I.10. Considerazioni sulla sicurezza p. 56

II. Marcatura laser p. 59

II.1. Nozioni generali p. 60

II.2. Tipologie di sorgenti per la marcatura laser p. 61

II.3. Meccanismo di marcatura p. 66

II.4. Sorgenti laser per la marcatura p. 68

II.5. I materiali marcati con il laser p. 70

II.5.1. Materiali metallici p. 70

II.5.2. Materiali polimerici p. 71

II.5.3. Materiali organici p. 72

II.5.4. Materiali amorfi p. 73

II.6. Vantaggi della marcatura p. 74

II.7. Sviluppi futuri p. 76

III. Materiali ed attrezzature sperimentali p. 77

III.1. Descrizione del sistema laser p. 78

III.2. Descrizione del materiale e specifiche p. 92

III.3. Descrizione delle prove p. 93

III.4. Parametri utili e metodiche utilizzate p. 96

III.4.1 Misura delle caratteristiche geometriche p. 96

III.4.1.1 Il Rugosimetro Surtronic 3+ p. 98

III.4.1.2 Il Rugosimetro Talysurf pgi plus 0.8nm p. 100

III.4.2 Misura del contrasto p. 104

IV. Risultati sperimentali p. 108

IV.1. I risultati sperimentali p. 109

IV.2. Prove su Acciaio AISI 304 p. 110

IV.2.1. AISI 304 – 35A p. 110

IV.2.2. AISI 304 – 45A p. 120

IV.2.3. AISI 304 – 55A p. 125

IV.3. Prove su Acciaio AISI 430 p. 132

IV.3.1. AISI 430 – 35A p. 132

IV.3.2. AISI 430 – 45A p. 137

V.3.3. AISI 430 – 55A p. 142

IV.4. Modello teorico p. 148

IV.4.1. Validità del modello teorico p. 152

IV.6. Modello empirico p. 153

V. Conclusioni p. 163

Appendice p. 166

A.1 AISI 304 15A p. 167

A.2 AISI 304 25A p. 176

A.3 AISI 304 35A p. 184

A.4 AISI 430 15A p. 196

A.5 AISI 430 25A p. 204

A.6 AISI 430 35A p. 212

Bibliografia p. 223

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Introduzione

Nel 1958 Charles Townes e Arthur Schawlow pubblicarono la teoria necessaria per arrivare alla generazione di un fascio laser; solo due anni dopo Theodore Maiman mise in funzione il primo laser (al rubino).
Dal 1960 ad oggi l’impiego del laser ha avuto una crescente diffusione, basta pensare ai lettori CD o DVD, alle stampanti laser, agli autovelox della polizia ed alle molteplici applicazioni industriali. In particolare in campo industriale ha contribuito al miglioramento della qualità del prodotto, all’incremento del livello di automazione ed alla riduzione degli scarti.
L’utilizzo delle sorgenti laser in ambito industriale è dovuto ai suoi numerosi vantaggi, tra cui l’elevato livello di densità potenza e la possibilità di focalizzazione in aree ristrette determinata dalla qualità del fascio.
A tal fine occorre elaborare modelli accurati dei fenomeni fisici che governano i processi ed un modo possibile è lo studio delle caratteristiche geometriche delle superfici risultanti dai parametri utilizzati nel processo di lavorazione.
In questo contesto, e con la recente introduzione sul mercato di nuovi tipi di laser da marcatura (ai nanosecondi), è stato sviluppato il lavoro oggetto della presente tesi.
L’obiettivo di tale lavoro è quello di caratterizzare il processo di marcatura di lamiere in acciaio inox, utilizzando un laser Nd:YAG di recente produzione (dicembre 2004), variando alcuni parametri di processo, quali la velocità di marcatura, la corrente di alimentazione dei diodi e la frequenza degli impulsi del laser. Sono state studiate le correlazioni tra i parametri di processo impiegati nella marcatura e gli aspetti geometrici misurati sulle superfici marcate. Inoltre è stato sviluppato un modello empirico, basato sui risultati sperimentali, per poter prevedere la profondità di marcatura in funzione dei parametri prima menzionati.
Per realizzare tale tesi, il lavoro è stato articolato nelle seguenti fasi:
a. formazione relativa al funzionamento del laser Nd:YAG da marcatura della Lasit;
b. marcatura di provini con differenti parametri (potenza, frequenza, velocità di marcatura)
c. misure della geometria delle superfici dei provini ottenuti mediante differenti parametri di marcatura;
d. analisi dei risultati conseguiti nella sperimentazione e correlazione dei parametri di marcatura laser con gli aspetti geometrici delle superfici risultanti;
e. sviluppo del modello empirico di tipo analitico.

Il termine LASER è acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, cioè amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni.
Parliamo di luce perché il laser ha frequenze nel visibile (f=4*1014÷8*1014Hz, e lunghezza d’onda l=0.38÷0.78
m) o a cavallo di queste, tra l’infrarosso e l’ultravioletto.
La luce non è altro che una radiazione elettromagnetica, caratterizzata da una natura ondulatoria.
Le onde elettromagnetiche sono onde energetiche in cui l’energia trasportata è ripartita tra un campo elettrico (generalmente indicato con il vettore E che rappresenta l’intensità del campo elettrico) ed uno magnetico (indicato dal vettore B che rappresenta la densità del campo magnetico) che variano nel tempo e nello spazio con legge sinusoidale. Una variazione del campo E è sorgente del campo B e viceversa, di conseguenza non ha senso considerare i due campi separatamente. In Figura (I.1) è rappresentata un’onda elettromagnetica i cui vettori E ed B giacciono nei piani y,x e x,z rispettivamente,e che si propaga lungo la direzione x. Figura I.1 – Rappresentazione schematica di una radiazione elettromagnetica Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate da un periodo temporale T e da uno spaziale l detto lunghezza d’onda.

Tesi di Dottorato (226 pagine in PDF)
 

autore
DOTT. SILVIO GENNA

"In primo piano"
settembre 2007

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