Gli utensili in materiali duri e ceramiche come il carburo di tungsteno sono particolarmente resistenti all'usura. Tuttavia, gli utensili utilizzati per la loro produzione si consumano molto più rapidamente, a meno che l'utensile non sia luce. I ricercatori del Fraunhofer ILT hanno ora sviluppato una catena di processo in cui la formazione e la lucidatura di componenti in materiali duri possono essere realizzate con un laser a impulsi ultracorti (UKP) senza cambiare il fissaggio.
Punte, teste fresatrici, rulli o anche inserti per punzonatura in materiali ceramici duri non solo hanno mordente, ma durano anche significativamente più a lungo. Tuttavia, per quanto positiva sia la loro resistenza all'usura sulle durate di vita in produzione, è problematica nella fabbricazione di questi utensili. Infatti, quegli utensili utilizzati per la loro formazione e lavorazione superficiale si consumano rapidamente su carburi metallici misti, cermet e ceramiche utilizzati qui. Di conseguenza, l'usura è elevata quando i produttori si affidano a processi di lavorazione meccanica.
Il laser UKP agisce dove i processi meccanici raggiungono i limiti
Con impulsi laser ultracorti è diverso. Già i laser UKP commerciali con potenza di 20-40 watt sono in grado di rimuovere in modo efficiente i materiali duri utilizzati nella costruzione degli utensili. Dove i loro impulsi ad alta energia di poche picosecondi colpiscono le superfici, il materiale evapora. Poiché questo avviene a frequenze nell'ordine dei MHz, la rimozione del materiale laser raggiunge tassi di superficie fino a 100 cm² al minuto. Tuttavia, con questa evaporazione formativa dei materiali, il potenziale della lavorazione UKP non è esaurito.
I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT di Aquisgrana hanno sviluppato una catena di processo in cui lo stesso laser UKP realizza sia la rimozione del materiale formativo che la successiva lucidatura delle superfici degli utensili. 'Il laser UKP è uno strumento universale con cui realizziamo diversi passaggi di lavorazione, in parte nello stesso fissaggio', afferma Sönke Vogel, team leader della rimozione di strutture 3D presso il Fraunhofer ILT, che ha sviluppato il processo insieme ad Astrid Saßmannshausen, team leader della strutturazione di materiali trasparenti.
La chiave per la connessione dei passaggi di processo risiede nella parametrizzazione del laser: mentre la rimozione del materiale avviene con alta energia dell'impulso e bassa frequenza di ripetizione, per la lucidatura è l'opposto. Il laser UKP introduce energia nella superficie del pezzo con una frequenza di impulso fino a 50 MHz, che si accumula e fonde i primi 0,2 - 2 micrometri. Il materiale non evapora, ma forma un film di fusione che si liscia da solo a causa della tensione superficiale e si solidifica al raffreddamento. Anche le proprietà superficiali possono essere controllate attraverso la gestione del processo. 'Con la lucidatura laser UKP è ad esempio possibile levigare micro-irregolarità mantenendo strutture macroscopiche', spiega Saßmannshausen. Inoltre, con il processo laser è possibile lucidare superfici 3D complesse con precisione micrometrica. È anche possibile una lucidatura selettiva di aree scelte per regolare localmente le proprietà superficiali o lucidare solo le aree necessarie, risparmiando tempo. La lucidatura UKP integra quindi la lucidatura laser macro e micro con un approccio ancora più preciso e localmente applicabile alla lucidatura superficiale.
Procedura efficiente per la lavorazione industriale dei materiali duri
A seconda delle esigenze del processo, la lucidatura laser raggiunge tassi di superficie da dieci a 100 cm² al minuto e quindi quasi tiene il passo con i tassi di superficie della rimozione del materiale precedente. 'La combinazione di entrambi i processi con un laser nello stesso fissaggio consente alle aziende di ampliare la loro offerta con i laser UKP già esistenti o di accelerare significativamente l'ammortamento dopo un nuovo acquisto', spiega Saßmannshausen.
Ma soprattutto è adatta a sostituire i processi meccanici nella lavorazione dei materiali duri e quindi porre fine all'enorme usura degli utensili nella loro produzione. Questo contribuisce non solo a ridurre i costi, ma anche a una maggiore efficienza delle risorse e dell'energia. Secondo Saßmannshausen e Vogel, il potenziale della combinazione di processi non è affatto esaurito. Con scanner poligonali più veloci, potenze laser più elevate e spot laser ingranditi, è possibile aumentare significativamente i tassi di superficie. I partner industriali interessati sono invitati a intraprendere insieme ai team di ricerca del Fraunhofer ILT i passi di ottimizzazione.
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