Progettazione, Analisi e Simulazione Numerica di Ugelli Supersonici per Taglio Laser

Riassunto A partire dagli anni '80, i laser ad alta potenza sono entrati a pieno regime nel settore della lavorazione dei materiali grazie alla loro capacità di tagliare, saldare, forare, marcare e rivestire il metallo. Il taglio laser è l’applicazione industriale più comune poiché il laser ha la capacità di tagliare più velocemente e con una qualità superiore rispetto ai processi concorrenti. Le applicazioni per il taglio laser sono molto numerose: taglio di materiali aerospaziali, produzione di prototipi di automobili, costruzione navale, taglio di pannelli di alluminio e dielettrici, taglio della carta, ecc… Il gas di assistenza svolge un ruolo importante nel taglio laser per espellere la frazione di materiale fusa dal fronte di taglio. L'efficienza di taglio e la qualità del taglio dipendono fortemente dalle caratteristiche dinamiche del getto di gas. Attualmente gli ugelli di taglio laser universalmente utilizzati sono di tipo subsonico e grazie alla versatilità e robustezza rispetto ai parametri di taglio. In questa tesi, la capacità di utilizzare il laser per il taglio di materiali ad alto spessore è stata studiata investigando come le caratteristiche dinamiche del gas di assistenza migliorino modificando la forma dell'ugello da quella subsonica a quella supersonica. È stato dimostrato che il getto d'uscita dell'ugello supersonico è caratterizzato da una migliore caratteristica dinamica e un'espansione più uniforme in presenza di pressioni di stagnazione elevate rispetto all'ugello subsonico. Perciò; gli ugelli supersonici sono più adatti per il taglio laser di pezzi di elevato spessore. La modellazione del flusso di gas attraverso diversi ugelli supersonici è stata ottenuta mediante simulazioni con il software open source OpenFOAM. I risultati delle simulazioni proposte sono stati convalidati confrontandoli con le misurazioni sperimentali visualizzate con la tecnica “shadow graph” riportata in precedenti lavori. Queste simulazioni proposte sono state eseguite con condizione operativa di progetto per garantire la massima uniformità del gas di uscita assistita evitando la formazione di fenomeni aerodinamici non desiderabili come l'insorgenza di dischi di Mach associati a condizioni di sotto- e sovra-espansione. I risultati delle simulazioni proposte mostrano che il gas di uscita dell'ugello supersonico ha caratteristiche dinamiche superiori rispetto a quelle dell'ugello subsonico anche in condizioni operative differenti da quelle di progetto, particolarmente per ugelli con diametro di uscita inferiore a 3 mm. Sulla base dei risultati delle simulazioni proposte, tre diversi ugelli supersonici sono stati progettati e ottimizzati in tre diverse condizioni operative di progetto desiderate, vale a dire: bassa, media e alta pressione di stagnazione. Le dimensioni di questi ugelli e le condizioni operative sono state specificate secondo la teoria della dinamica dei gas. Questi tre ugelli supersonici saranno fabbricati utilizzando un sistema di elettroerosione a filo elettrico (EDM) e alla fine della ricerca verranno eseguite diverse misurazioni sperimentali utilizzando la tecnica “shadow graph” per convalidare i risultati di simulazione proposti. Inoltre, diversi esperimenti di taglio laser saranno effettuati utilizzando materiali ad alto spessore.