Integrazione di sistema e applicazione del laser texturing a impulsi ultracorti per aumentare l'efficienza nei processi di taglio e di formatura

The use of ultrashort laser sources with durations in femtosecond range up to picosecond has paved the way for new methodologies for machining of different classes of materials. Compared to conventional laser power source used in industrial processes (cutting, welding, etc.), these sources have made possible to achieve precise machining in sub-micrometric scales, ensuring accuracy and quality while minimizing the thermal impact on the material being processed. Complementary to their development, ultrashort pulse laser technology is increasingly expanding its fields of applications, from the medical sector to industrial uses, in which the replication of nanostructures or the modification of surface properties are just a few examples. In this context, understanding the physical laser-material interaction mechanism, the different machining strategies and the correct use of optical components are fundamental requirements to industrialize processes while simultaneously enhancing the potential that ultrashort pulse lasers can offer. In this thesis, a FE numerical model is proposed to predict the ablation behaviour during ultrashort laser processing of metals. The model is based on the implementation of the Two Temperature Model (TTM) applied a 2D geometry to allow for the determination and the evolution of fundamental parameters characterizing the ultrashort pulse ablation mechanism (e.g. reached ablation depth, material remaining in the liquid phase, effect of plasma shielding, etc.). Simulation was appropriately validated through a solid experimental campaign by replicating micro-grooves on the materials under investigation so as to guarantee the numerical-experimental comparison. The possibility to predict the ablation behaviour has allowed for the subsequent tuning of laser parameters intended for replicating of micro-textures on different cutting and forming tools, in order to assess improvements in terms of machining stability and mitigation of adhesive phenomena at the tool-chip interface during their use. An extensive experimental campaign was conducted by means of a commercial set of form taps to predict, also through the development of a model in QForm environment, the actual improvement of lubrication conditions during tapping process. Finally, with the aim of industrializing micro-machining processes and thus reducing the time required to perform micro-machining, beam manipulation methodologies have been applied using concepts developed in the field of adaptive optics.

L’impiego delle sorgenti laser a impulsi ultracorti, con durate dell’impulso dell’ordine dei femtosecondi fino ai picosecondi, ha aperto la strada a nuove metodologie di lavorazione di differenti classi materiali. Rispetto alle comuni sorgenti di potenza applicate nella pratica industriale (taglio, saldatura, ecc.), tali sorgenti hanno reso possibile lavorazioni accurate su scale sub-micrometriche garantendo la precisione, la qualità assieme un ridotto apporto termico sul materiale in lavorazione. In modo complementare al loro sviluppo, la tecnologia laser a impulsi ultracorti sta sempre più ampliando i propri campi di applicazione, dall’ambito medico a quello industriale nei quali la replicazione di nanostrutture superficiali o la modifica delle proprietà superficiali rappresentano solo alcuni esempi. In questo contesto, la comprensione e la conoscenza del meccanismo fisico di interazione laser-materia, delle differenti strategie di lavorazione nonché del corretto utilizzo della componentistica ottica rappresentano requisiti fondamentali al fine di industrializzare i processi esaltando, al contempo, le potenzialità che i laser a impulsi ultracorti possono offrire. In questa tesi viene proposto un modello numerico ad elementi finiti per prevedere il comportamento durante l’ablazione a impulsi ultracorti di metalli. Lo stesso si basa sull’implementazione del modello a due temperature applicato a una geometria 2D al fine di consentire di determinare l’evoluzione di fondamentali parametri caratterizzanti il meccanismo di ablazione a impulsi ultracorti (e.g. profondità di ablazione raggiunta, materiale rimasto nella fase liquida, effetto schermante del plasma, ecc.). La simulazione risulta opportunamente validata tramite una solida campagna sperimentale di replicazione di microsolchi sui materiali in esame tramite i quali è stato possibile condurre il confronto numerico-sperimentale. La possibilità di prevedere il comportamento durante l’ablazione ha consentito la successiva messa a punto dei parametri laser destinati alla replicazione di micro-tessiture su diversi utensili da taglio e da formatura, allo scopo di poter valutare i miglioramenti in termini di stabilità della lavorazione e di mitigazione dei fenomeni di adesione all’interfaccia truciolo-utensile a fronte del loro impiego. Una estensiva campagna sperimentale è stata condotta utilizzando un set commerciale di utensili maschiatori a rullare per predire, anche tramite lo sviluppo di un modello in ambiente QForm, l’effettivo miglioramento delle condizioni di lubrificazione durante il processo di maschiatura profonda.