Come si modella il trasferimento di calore nei processi di riscaldamento laser: modelli di sorgenti termiche e campo di temperatura

La simulazione numerica dei campi di temperatura richiede una considerazione rigorosa dei meccanismi di trasferimento del calore, dell’interazione laser-pezzatura e di altri fattori rilevanti. Il trasferimento termico si focalizza sull’apporto energetico fornito dal laser, con particolare attenzione alla sorgente di calore concentrata sulla superficie del pezzo lavorato. Il modello di sorgente termica rappresenta matematicamente la distribuzione spaziale e temporale del calore introdotto, configurandosi come un carico termico da applicare ai modelli agli elementi finiti.

Nel caso di riscaldamento superficiale con profondità di fusione limitata, la distribuzione del flusso termico sulla superficie segue tipicamente una funzione gaussiana, caratterizzata da un massimo al centro della zona irradiata e una concentrazione regolata da un coefficiente che determina il grado di focalizzazione dell’energia. Questa distribuzione consente una rappresentazione precisa del trasferimento termico nella zona superficiale del pezzo, in cui la densità del flusso diminuisce rapidamente al crescere della distanza radiale dal centro della sorgente.

Per operazioni con profondità di fusione più elevate, come nella saldatura, il flusso termico si propaga significativamente anche in profondità, rendendo necessario l’impiego di modelli volumetrici di sorgenti termiche. Il modello emisferico volumetrico rappresenta una semisfera all’interno della quale il calore si distribuisce secondo una funzione matematica dipendente dalla distanza dal centro della sorgente. Tale modello è migliorato dalla considerazione della velocità di scansione, che incide sull’apporto termico reale.

Modelli più sofisticati includono l’ellissoide volumetrico, che tiene conto delle differenze spaziali nella propagazione del calore lungo tre assi, e il modello doppio ellissoidale, costituito da due ellissoidi uniti con coefficienti di distribuzione energetica differenti nelle parti anteriore e posteriore. Quest’ultimo consente di correggere le discrepanze riscontrate tra simulazioni e risultati sperimentali, offrendo una descrizione più accurata della distribuzione termica nelle operazioni laser.

Il campo di temperatura, definito come la distribuzione spaziale e temporale della temperatura nel pezzo, si distingue tra campi stazionari, che non variano nel tempo, e campi non stazionari, caratterizzati da variazioni temporali. L’irraggiamento laser genera tipicamente un campo non stazionario molto dinamico, soprattutto durante il riscaldamento e il successivo raffreddamento. La conduzione termica, regolata dalla legge di Fourier, lega la variazione di temperatura a parametri materiali come la conducibilità termica, capacità termica specifica e densità, oltre al flusso termico.

Accanto alla conduzione, si manifestano trasferimenti convettivi e radiativi. Il trasferimento convettivo avviene a causa del flusso di gas o fluidi sulla superficie del pezzo, e viene modellato mediante coefficienti di scambio termico e differenze di temperatura tra fluido e superficie. Il trasferimento radiativo, descritto dalla legge di Stefan-Boltzmann, dipende dall’emissività della superficie e dalla temperatura assoluta, raggiungendo l’equilibrio termico quando il flusso netto diventa nullo.

È cruciale per chi studia o applica la simulazione termica in processi laser comprendere che la scelta e la parametrizzazione del modello di sorgente termica determinano la precisione della previsione del campo di temperatura e, di conseguenza, la validità delle analisi di solido e di trasformazioni microstrutturali o di sollecitazioni termiche. Inoltre, l’interazione complessa tra conduzione, convezione e radiazione richiede un’attenta modellazione multilivello, poiché la loro influenza relativa varia in funzione delle condizioni operative, della geometria del pezzo e delle proprietà materiali.

Infine, la simulazione numerica deve sempre considerare la natura dinamica dei fenomeni termici indotti dal laser, poiché anche piccoli errori nella rappresentazione temporale o spaziale dell’apporto termico possono causare deviazioni significative nei risultati predittivi, compromettendo l’ottimizzazione del processo e la qualità finale del prodotto lavorato.

Come si manifestano e si controllano le traiettorie di vibrazione ultrasonica nell’utensile da taglio

Nel caso della fresatura ultrasonica ortogonale bidimensionale, la separazione tra utensile e pezzo si verifica solo quando la velocità di fresatura è inferiore a una velocità critica vc, definita dal coefficiente di velocità K < 1. Se la velocità di taglio supera questo limite, il fenomeno di separazione svanisce, con conseguente perdita delle caratteristiche di “taglio vuoto” che permettono una migliore frizione e asportazione del materiale. La forma ellittica della traiettoria della punta, generata dall’avanzamento per dente e dalle diverse ampiezze di vibrazione, varia in funzione della velocità di rotazione e dell’ampiezza ultrasonica. Per esempio, mantenendo costante l’ampiezza ultrasonica a 10 μm, all’aumentare della velocità di rotazione diminuisce il numero di cicli di rotazione per unità di tempo, indebolendo il carattere di separazione ma non eliminandolo del tutto. Contrariamente, con un’ampiezza ridotta a 3 μm e una velocità fissa di 2000 giri/min, la traiettoria non presenta fenomeni di incrocio, perché la velocità di taglio supera la velocità critica (K > 1). L’aumento progressivo dell’ampiezza ultrasonica porta invece ad un innalzamento della velocità critica, riattivando così la separazione.

Il supporto ultrasonico per utensili rappresenta un’innovazione significativa, soprattutto nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico e delle energie rinnovabili, consentendo di lavorare materiali difficili, compositi a nido d’ape e materiali morbidi con elevata precisione ed efficienza. Questo dispositivo agisce come sorgente di energia ultrasonica e come trasduttore, convertendo l’energia elettrica in energia meccanica di vibrazione che viene trasferita all’utensile durante la lavorazione. Il sistema wireless di trasmissione elettrica si basa sul principio dell’induzione elettromagnetica, che permette la trasmissione dell’energia senza contatti fisici, tramite un trasformatore a induzione con nuclei e bobine disposte in modo da minimizzare l’allineamento errato e massimizzare l’efficienza della conversione.

L’ampiezza, la frequenza e la sincronizzazione delle vibrazioni, insieme alla velocità di taglio e al numero di denti, costituiscono parametri critici da regolare con precisione per ottimizzare la qualità della superficie lavorata e prolungare la vita dell’utensile. La complessità delle traiettorie di vibrazione tridimensionali richiede un controllo accurato per evitare interferenze indesiderate tra le punte degli utensili, che altrimenti compromettono la stabilità del processo e la qualità finale del pezzo.

È fondamentale considerare che il comportamento dinamico del sistema utensile–pezzo durante la lavorazione ultrasonica è altamente sensibile alle variazioni di parametri e condizioni operative, implicando una stretta correlazione tra le proprietà meccaniche del materiale lavorato e la risposta del sistema vibrante. La regolazione fine di ampiezza e frequenza della vibrazione ultrasonica permette non solo di migliorare l’efficienza del taglio, ma anche di modulare il processo per limitare l’usura dell’utensile e la generazione di trucioli, favorendo un’azione di taglio più pulita e meno energivora.

Infine, la comprensione profonda delle traiettorie di vibrazione e dei fenomeni di separazione e interferenza consente di sviluppare strategie di controllo avanzate, che integrano modelli predittivi e sistemi di feedback per adattare in tempo reale i parametri di lavorazione alle condizioni variabili del processo. Questi progressi tecnologici rappresentano un salto di qualità nella lavorazione ultrasonica, aprendo nuove possibilità per la produzione di componenti ad alta precisione con caratteristiche superficiali ottimali e minori costi operativi.

Qual è l’effetto della vibrazione ultrasonica sulla forza di graffiatura nei compositi SiCp/Al?

Durante il test, un sistema a piattaforma triassiale controllato elettricamente ha permesso di monitorare in tempo reale le variazioni di forza attraverso strumenti di misura, amplificatori di carica e schede di acquisizione. I parametri sperimentali principali considerati sono stati l’ampiezza della vibrazione ultrasonica (2, 4, 6 μm), la velocità di graffiatura (100, 200, 400 mm/min) e la frazione volumetrica di particelle SiC nel composito (15%, 30%, 45%). Le frequenze operative si sono mantenute attorno ai 20 kHz.

I risultati ottenuti hanno mostrato una riduzione netta della forza di graffiatura con l’aumento della velocità, dovuta principalmente a una riduzione del coefficiente di attrito e a un aumento della temperatura di taglio che favorisce l’ammorbidimento del materiale. Quando la velocità di graffiatura è di 400 mm/min, la forza necessaria è minima: il riscaldamento indotto accelera la plastificazione del materiale, riducendo la resistenza all’azione dell’utensile.

L’efficacia della vibrazione ultrasonica è stata ulteriormente confermata: rispetto alla modalità di graffiatura tradizionale (OS), l’applicazione della vibrazione ultrasonica (UVAS) ha ridotto la forza fino all’84,8% alla velocità di 200 mm/min. La ragione risiede nella maggiore lunghezza del percorso dell’utensile indotto dall’oscillazione ultrasonica, che equivale a un’efficace estensione del filo di taglio. L’angolo di spoglia operativo varia dinamicamente sotto l’azione della vibrazione, rendendo l’utensile più affilato e riducendo ulteriormente la forza di graffiatura. Quando la vibrazione è opposta alla direzione del movimento dell’utensile, l’angolo di spoglia aumenta istantaneamente, migliorando l’efficienza del taglio.

L’analisi in funzione della frazione volumetrica delle particelle SiC nel composito ha evidenziato un’influenza crescente sulla forza di graffiatura. A 45% di volume, l’OS force cresce fino a 6.5 volte rispetto al 15%, mentre la UVAS force cresce solo di 1.7 volte. Ciò dimostra che, nei materiali ad alta concentrazione di particelle ceramiche, la vibrazione ultrasonica è particolarmente efficace nel ridurre la forza necessaria. Questo effetto è attribuibile alla maggiore facilità di distacco delle particelle SiC dalla matrice in alluminio, favorita dall’impatto ciclico ad alta frequenza che induce danni da fatica nelle particelle stesse. La forza richiesta per la rimozione delle particelle, dominante nei compositi ad alta percentuale di SiC, è più sensibile alla vibrazione rispetto alla deformazione plastica, prevalente nei materiali a bassa percentuale.

L’ampiezza della vibrazione è un parametro chiave. A 2 μm, la forza aumenta gradualmente durante il processo, con un errore massimo dell’11,6% tra valori teorici e sperimentali. Tuttavia, a 4 e 6 μm, la forza raggiunge rapidamente un valore stabile già nella fase iniziale, con fluttuazioni minime. Questo comportamento si discosta dalla teoria classica che prevede un aumento continuo della forza con la profondità di taglio. Esperimenti complementari hanno rivelato che, spegnendo la vibrazione subito dopo la graffiatura, la forza si annulla immediatamente. Quando invece la vibrazione continua, la forza persiste oltre il contatto meccanico. Da ciò si deduce che l’impatto ad alta frequenza domina il comportamento meccanico a elevate ampiezze, mascherando l’effettiva forza di graffiatura.

Quali sono i meccanismi fondamentali di lubrificazione e trasferimento di calore nei nano-lubrificanti bio-based durante le lavorazioni meccaniche?

L’uso di nano-lubrificanti bio-based durante le lavorazioni meccaniche, come il MQL (Minimum Quantity Lubrication), si fonda su meccanismi complessi di atomizzazione, infiltrazione, lubrificazione, riduzione dell’attrito e trasferimento termico. Questi processi, integrati tra loro, permettono di migliorare significativamente le prestazioni di lavorazione rispetto ai tradizionali lubrificanti flood.

Nel dettaglio, durante le lavorazioni MQL, le microcrateri presenti sulla superficie del pezzo agiscono come capillari che assorbono gocce di olio vegetale. Queste gocce formano pellicole lubrificanti sull’interfaccia utensile-pezzo, migliorando il comportamento tribologico. Tuttavia, la natura casuale della formazione delle pellicole, in termini di dimensioni e distribuzione, genera prestazioni spesso instabili e di bassa resistenza meccanica, fenomeno noto come lubrificazione limite in idrodinamica. L’introduzione di nano-potenziali risolve questo limite: i nano-additivi si distribuiscono all’interno del film lubrificante svolgendo tre ruoli chiave. Innanzitutto, agiscono come supporti ‘a sella’ che proteggono il film lubrificante dall’usura grazie alla loro elevata resistenza. In secondo luogo, interagendo con le superfici cristalline dell’utensile e del pezzo, si trasformano in solidi lubrificanti creando un tribofilm composito. Infine, questi tribofilm compositi impediscono non solo l’adesione tra il bordo di taglio e il pezzo, ma riducono anche l’usura adesiva, prolungando così la vita dell’utensile.

Dal punto di vista termico, l’olio vegetale possiede una capacità di trasferimento del calore superiore rispetto ai gas usati nelle lavorazioni a secco. L’aggiunta di nano-additivi migliora ulteriormente la conduttività termica e la convezione, poiché i solidi superano spesso i liquidi in efficienza di raffreddamento. Il moto browniano delle particelle nano favorisce l’impatto con il pezzo, trasferendo calore. Inoltre, la loro elevata energia superficiale attrae molecole di olio, formando strati di adsorbimento che, mettendosi in contatto tra loro, generano canali di trasferimento termico efficaci nell’allontanare il calore dalla zona di taglio. La rotazione autonoma dei nano-potenziali, soprattutto se non sferici, crea turbolenze locali e microconvezioni, aumentando ulteriormente il trasferimento di energia termica.

Un aspetto critico nella progettazione di nano-lubrificanti bio-based è la concentrazione ottimale dei nano-additivi. Un eccesso di particelle porta all’aggregazione per forze intermolecolari, formando micro-aggregati che riducono la dispersibilità e compromettono le proprietà tribologiche e termiche. Pertanto, è essenziale mantenere una concentrazione bilanciata per assicurare una buona dispersione e massimizzare l’efficacia del lubrificante.

È importante inoltre comprendere che le interazioni sinergiche tra le proprietà fisico-chimiche del nano-lubrificante, la struttura geometrica e chimica dei nano-potenziali e le condizioni operative di taglio definiscono il comportamento complessivo del sistema. Queste interazioni influenzano non solo la lubrificazione e il raffreddamento, ma anche l’usura degli utensili, la qualità superficiale del pezzo e la sostenibilità del processo produttivo. La personalizzazione dei nano-lubrificanti, tenendo conto della natura del pezzo, del tipo di lavorazione e dei requisiti ambientali, rappresenta quindi la frontiera avanzata per migliorare efficienza e sostenibilità nelle lavorazioni meccaniche.