Modelli per l'ottimizzazione dei processi industriali: incisioni laser

La recente introduzione sul mercato (2001-2002) di nuovi tipi di laser da marcatura (Nd:YAG con impulsi dellࢠordine dei nanosecondi), con costi relativamente contenuti ha permesso una notevole diffusione di questi sistemi in ambito industriale. Questi sistemi, grazie alle loro peculiaritàƒ , costituiscono attualmente una reale ed efficace alternativa ai tradizionali metodi di marcatura (incisione, elettroerosione, verniciatura, ecc.). Ciàƒ² 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 àƒ¨ quindi inteso realizzare una sperimentazione per caratterizzare la marcatura prodotta da un laser Nd:YAG di nuovissima generazione (2004). Tale sistema àƒ¨ costituito da un laser pompato in continuo e funzionante in regime di impulsi giganti (Q-switch), le cui caratteristiche principali sono: lunghezza dࢠonda ? = 1,064 ?m; max potenza media = 20 W; durata del singolo impulso = 150 ns e fattore di qualitàƒ del fascio M2 > 1 Il lavoro svolto affronta lࢠinfluenza 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 dellࢠimpronta, ovvero profonditàƒ e larghezza. I parametri analizzati sono: la frequenza di ripetizione degli impulsi, la velocitàƒ 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 àƒ¨ focalizzata lࢠattenzione sui parametri menzionati (frequenza, velocitàƒ 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, perchàƒ© àƒ¨ quello che tratta il processo di incisione laser. Il modello teorico non segue i dati sperimentali, quindi àƒ¨ stato sviluppato un modello empirico (di tipo analitico) che, partendo dai dati richiesti dal software, riesce a prevedere la profonditàƒ di marcatura con buona approssimazione. Il modello sviluppato sui risultati ottenuti con lࢠAISI 304 ha trovato conferma sullࢠaltro acciaio. Nelle figure successive si riportano per entrambi i materiali la profonditàƒ prevista in funzione della profonditàƒ misurata. I principali risultati possono essere riassunti nelle seguenti osservazioni: ࢠ¢La profonditàƒ di marcatura risulta fortemente influenzaa dalla tensione di alimentazione dei diodi, dalla velocitàƒ di movimentazione del fascio e dalla frequenza di ripetizione degli impulsi; in particolare aumenta allࢠaumentare della corrente e al diminuire della velocitàƒ , mentre presenta un massimo per valori di frequenza intorno ai 6.000 ࢠ8.000 Hz. ࢠ¢La larghezza della marcatura al contrario àƒ¨ poco influenzata dalla velocitàƒ 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. ࢠ¢Eࢠstato individuato un valore di frequenza ottimale: 8.000 Hz. A tale valore infatti corrisponde una geometria del solco regolare e la profonditàƒ massima. ࢠ¢Il modello empirico conduce a risultati che sono in buon accordo con quelli sperimentali. ࢠ¢Il modello trovato àƒ¨ particolarmente utile poichàƒ© permette di prevedere la profonditàƒ dellࢠincisione utilizzando direttamente i parametri impostabili dalla macchina.