Capitolo 5. L’apparato sperimentale

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Capitolo 5. L’apparato sperimentale

Con questo capitolo inizia la vera indagine sperimentale. Lo scopo è quello di trovare metodi alternativi per la lavorazione di materiali utilizzati in campo odontoiatrico. La metodologia impiegata prevede tre passaggi fondamentali:

1) Esecuzione delle lavorazioni al laser;

2) Rilevazione del profilo della lavorazione tramite sensore laser di distanza; 3) Analisi al microscopio dei solchi prodotti.

Con lo scopo di:

 Studiare l’effetto del fascio laser sui materiali biocompatibili maggiormente utilizzati in ambito odontoiatrico nella realizzazioni di prodotti protesici.

 Impostare un primo modello che consenta di mettere in relazione i parametri di processo con la geometria del solco e con la finitura superficiale ottenibile, focalizzandosi sulla rugosità.

 Osservare quantitativamente e qualitativamente la lavorazione ottenuta per trarne le ragionevoli considerazioni, sia ne caso di singola scansione che nel caso di scansione multipla.

 Individuare eventuali correlazioni tra i parametri del processo e le geometrie delle scansioni prodotte.

5.1 Attrezzatura sperimentale utilizzata

Ad ogni fase corrisponde un diverso macchinario utilizzato. Sono stati rispettivamente impiegati i seguenti strumenti:

1) Laser a CO2

La sorgente laser ed il sistema di movimentazione del fascio utilizzati per il processo di asportazione appartengono ad una macchina per la prototipazione rapida completamente progettata ed assemblata presso la Sezione Meccanica del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale dell’Università degli Studi di Pisa, opportunamente modificati per essere convertiti alla lavorazione per asportazione di materiale. Uno schema rappresentativo è riportato in Fig.5.1. Si tratta di un laser ad anidride carbonica a 30W di potenza.

Nascendo come un macchina di prototipazione rapida, è presente una tramoggia (4), avente lo scopo di distribuire un sottile strato delle polveri contenute nel silos (2) sopra

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la piattaforma mobile (3), in grado si spostarsi verticalmente verso il basso per far avvenire l’accrescimento di materiale in direzione verticale. Il laser (1), pilotato da un sistema di specchi galvanometrici (5) che consentono la scansione dell’intera superficie di lavoro, è il responsabile della vera e propria sinterizzazione grazie alla fornitura selettiva dell’energia necessaria per la fusione delle polveri. Una volta terminato lo strato, il piattello si abbassa di una quantità pari allo spessore di polvere sinterizzata attraverso una vite a ricircolo di sfere (6). La piattaforma è controllabile per via automatizzata lungo l’asse z, mentre per gli spostamenti lungo gli assi X e Y è necessario movimentare manualmente il pezzo.

Le eventuali molecole di polveri sospese nell’aria e i fumi prodotti possono venire aspirati da due ventole aspiratrici collegate ad un condotto di evacuazione.

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Fig. 5.1 Vista frontale del macchinario laser utilizzato: 1) Sorgente laser 2) Silos contenente polveri 3) Piattaforma mobile 4) Tramoggia 5) Specchi galvanometrici 6) Vite a ricircolo di sfere [24]

Un’immagine complessiva del macchinario effettivamente utilizzato è riportata in Fig. 5.2.

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Fig. 5.2 Macchinario per lavorazione laser dell’Università di Pisa ad anidride carbonica e con potenza 30W, utilizzato in fase sperimentale

2)Sensore laser di distanza e relativa unità di controllo

Si tratta di un sensore laser di distanza. Il sistema nel suo complesso è costituito da un insieme di elementi: il sensore vero e proprio (a destra in Fig. 5.3), in grado di emettere il fascio laser e rilevare il fascio riflesso; l’unità di controllo (a sinistra in Fig. 5.4), capace di rielaborare il segnale rilevato dal sensore grazie alla presenza di un equalizzatore digitale; e l’interfaccia software (Fig. 5.4), che riceve il segnale proveniente dall’unità di controllo grazie ad un collegamento USB ed è in grado di facilitare l’impostazione del sistema, la configurazione dei parametri e la registrazione dei dati.

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Fig. 5.3 Sensore laser ed unità di controllo Fig. 5.4 ZS-SW11E: Software SmartMonitor per PC

Il sensore funziona tramite un processo di triangolazione laser. Il tastatore laser permette di eseguire una misura di distanza da un punto della superficie da tastare. Per eseguire la misura di distanza viene impiegata una sorgente di luce costituita da un diodo laser a bassa potenza. La luce emessa viene riflessa dalla superficie sottostante e parte di essa attraversa un gruppo ottico capace di focalizzare il fascio su un determinato punto di un sensore CCD mono-direzionale. Noto il punto CCD colpito del fascio, è possibile risalire alla distanza. [25] L’intervallo di rilevazione dello strumento va dalla distanza minima rilevabile (DMIN), corrispondente all’illuminazione di un estremo del sensore CCD, fino ad una distanza massima (DMAX), corrispondente all’estremo opposto. A metà di tali distante troviamo la distanza di stand-off (DSO).

3) Microscopio Nikon

Il microscopio SMZ800 Nikon è uno strumento estremamente versatile ed ampiamente utilizzato in laboratorio. Le sue caratteristiche fondamentali sono:

a. Illuminazione: la sorgente luminosa circonda la lente e permette una illuminazione episcopica a 360°, evitando le zone di ombra. È inoltre possibile aggiungere fonti luminose alternative, come fibre ottiche luminose o altri dispositivi similari;

Fig. 5.5 Sensore di distanza a triangolazione laser

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b. Microfotografie: utilizzando un sistema di suddivisione del fascio luminoso ed un adattatore, è possibile montare una telecamera digitale sul dispositivo e fotografare il provino esaminato;

c. Rapporto di zoom: il sistema ottico parallelo possiede un rapporto di zoom 6.3:1, con ingrandimenti che vanno da 1X a 6X;

d. Software: il sistema permette di utilizzare un’interfaccia informatica, in grado di rilevare e catturare l’immagine proveniente dal microscopio, con la possibilità di usufruire della modalità EDF in grado di catturare e sovrapporre più immagini lungo piani ortogonali alla direzione di osservazione. Questo aspetto risulta particolarmente utile per la rilevazione di fori profondi: nel momento in cui si ha la necessità di fotografare una lavorazione con elevata profondità, occorre definire il piano da mettere a fuoco. Così facendo le informazioni contenute negli altri piani risultano sfocate e non definite. La funzionalità EDF ricompone in automatico l’intera immagine attraverso un accostamento delle diverse porzioni messe a fuoco, garantendo una qualità dell’immagine molto elevata.

Fig. 5.6 Microscopio Nikon modello SMZ800

5.2 Piano degli esperimenti

Le prove eseguite possono essere classificate in due macro-famiglie, la prima relativa all’esecuzione di singoli solchi su differenti materiali, la seconda inerente alla creazione di passate parallele multiple.

Gli esperimenti sono stati eseguiti su cialde di materiali maggiormente utilizzati in odontoiatria. I codici sono stati approvvigionati da una delle imprese leader del settore,

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la Roland DG Corporation. Dal 1991, Roland DG è incaricata di distribuire i prodotti della casa madre giapponese Roland DG Corporation, costruttore di livello mondiale di periferiche per la stampa, stampa&taglio, incisione e modellazione 3D. Nello specifico sono stati acquistati i seguenti codici:

 Zirconia Pearl e Zirconia Shell (codici: W98-10HS e W9810NT), come zirconia;  Cera Yeti e Cera Sigemax (codici: W98-14 e 304-0116), come cere;

 PMMA trasparente e PMMA bianco (codici: LP 98-15 WH e LP 98-20TR), come PMMA;

 4500/A2 come resina composita.

5.2.1 Impostazione ed esecuzione delle prove

Le lavorazioni laser come processo sottrattivo sono delle tecniche ancora in piena fase sperimentale. Si è quindi ritenuto valido un approfondimento delle reazioni dei vari materiali al fascio laser sotto differenti condizioni di lavorazione. A tale scopo sono state analizzate le seguenti variabili:

1. Distanza focale: Pari alla distanza tra pezzo da lavorare e lenti di uscita del fascio laser. Nella maggior parte dei casi sono state scelte tre opzioni: 200mm, 180mm, 160mm;

2. Potenza del laser: Pari alla percentuale di potenza impiegata rispetto alla massima erogabile dal laser. Sono state scelte cinque potenze differenti a seconda del materiale utilizzato;

3. Velocità di passata, ovvero la velocità di avanzamento del fascio laser. Anche in questo caso, le cinque opzioni messe a disposizione variano a seconda del materiale impiegato.

Per ogni materiale sono state definite le misure delle tre variabili prese in considerazione. Sono state prese le seguenti decisioni:

1. Distanze focali. Tra le informazioni base del laser era presente una distanza rispetto allo spot focale di 200mm. Si è deciso di focalizzarsi principalmente su distanze focali negative, per cui sono stati scelti come fuochi: 160mm – 180mm – 200mm.

Per le zirconie sono stati analizzati solo due fuochi e non tre a causa della durezza del materiale. Infatti mettendo in atto delle prove con fuoco a 160mm, si sono ottenute lavorazioni poco marcate e nitide, quasi invisibili. Per questo motivo

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si è deciso di escludere questa distanza focale dal modello nel caso di lavorazioni su zirconia.

2. Velocità di passata. Nella definizione delle velocità si è provato ad analizzare un range il più ampio e verosimile possibile. Mettendo in atto alcune prove preventive sui materiali, sono stati definiti una velocità minima di 20 mm/s ed una massima di 200 mm/s, in grado di fornire dei risultati apprezzabili. I valori intermedi sono stati fissati di conseguenza, mantenendo un incremento costante di +45mm/s.

Nelle zirconie tuttavia, per velocità elevate si sono ottenute lavorazioni a malapena identificabili. I primi solchi apprezzabili si sono presentati per velocità di avanzamento di circa 50 mm/s. In particolare la profondità risulta inversamente proporzionale alla velocità di avanzamento in funzione di una certa costante k. Considerando la funzione come un ramo di iperbole (𝐷 = 𝑘_𝑉1

𝑎) ed attribuendo un

valore ideale k=100, è possibile ottenere delle profondità equamente distribuite assegnando alla velocità i valori: 16 mm/s, 20 mm/s, 25 mm/s, 33 mm/s, 50 mm/s, pari ad 1₆ , 1₅ , 1₄ , 1₃ e 1₂ del valore impostato di k.

Per le cere è stato ristretto l’intervallo analizzato tra 50 mm/s e 150 mm/s poiché, per basse velocità, il materiale reagiva creando dei bordi sopraelevati estremamente marcati, mentre per velocità superiori le realizzazioni erano scarsamente visibili.

3. Potenza. Si è deciso di lavorare concentrandosi sui valori massimi di potenza erogabile, dal 100% (28,3W) al 60% (20,8W).

Per le cere si è deciso di aumentare il range delle potenze, arrivando ad un minimo del 40% (15,6W).

I valori della potenza sono stati tutti inizialmente espressi in percentuale. Il motivo è dettato dalla macchina utilizzata: il sistema del macchinario laser permetteva di impostare la potenza solo come valore percentuale. Si è tuttavia deciso di esplicitare questo valore per renderlo più comprensibile, mettendo in relazione il valore percentuale settabile tramite il controllo del laser con quello effettivamente in uscita. Per far ciò, sono stati compiuti alcuni test che hanno permesso di verificare l’andamento della potenza erogata in relazione alla percentuale impostata (Fig. 5.8).

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Fig. 5.8 Andamento reale della potenza in relazione alla percentuale inserita

I valori del grafico rappresentano la medie di 5 lavorazioni uguali (circonferenza di diametro 2,8mm) effettuate a velocità costante (10 mm/s). La media dei valori ottenuti stata riportata come valore assoluto della potenza in relazione alla percentuale settata.

È stato inoltre analizzato l’andamento della potenza massima nell’arco della giornata e si è verificato che questa risulti circa costante, con minime oscillazioni. Considerando una distanza focale (xf) di 200mm, le tabelle riassuntive dei casi analizzati sono dunque:

Tab 5.1 Parametri di lavorazione della Zirconia Shell Zirconia Shell

Fuoco [mm] Potenza Velocità

[mm/s] Distanza di lavorazione (xl) Delta (xf - xl) Percentuale Assoluta [W] 1 180 20 60% 20,8 16 2 200 0 70% 22,5 20 3 80% 24,2 25 4 90% 27,1 33 5 100% 28,3 50

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Tab 5.2 Parametri di lavorazione della Zirconia Pearl

Tab 5.3 Parametri di lavorazione della Resina composita Zirconia Pearl

[mm/s] Distanza di lavorazione (xl) Delta (xf - xl) Percentuale Assoluta [W] 1 180 20 60% 20,8 16 2 200 0 70% 22,5 20 3 80% 24,2 25 4 90% 27,1 33 5 100% 28,3 50 Resina composita

[mm/s] Distanza di lavorazione (xl) Delta (xf - xl) Percentuale Assoluta [W] 1 160 -40 60% 20,8 20 2 180 -20 70% 22,5 65 3 200 0 80% 24,2 110 4 90% 27,1 155 5 100% 28,3 200

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Tab 5.4 Parametri di lavorazione della Cera Yeti

Tab 5.5 Parametri di lavorazione della Cera Sagemax Cera Yeti

[mm/s] Distanza di lavorazione (xl) Delta (xf - xl) Percentuale Assoluta [W] 1 160 -40 40% 15,6 50 2 180 -20 55% 19,6 75 3 200 0 70% 22,5 100 4 85% 25,4 125 5 100% 28,3 150 Cera Sigemax

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Tab 5.6 Parametri di lavorazione del PMMA bianco

Tab 5.7 Parametri di lavorazione del PMMA trasparente

5.2.2 Risultati: scansione singola

In base alle variabili identificate e alle relative alternative, sono stati eseguiti 75 solchi per ogni materiale (3 fuochi x 5 velocità x 5 potenze). Le prove compiute sono state realizzate su ogni disco in base alla legenda presentata in Fig. 5.9. In sostanza si sono create 15 sezioni in base alle diverse combinazioni fuoco-potenza. Per ogni sezione sono stati eseguiti cinque solchi con velocità crescente da sinistra verso destra. Utilizzando

PMMA bianco

[mm/s] Distanza di lavorazione (xl) Delta (xf - xl) Percentuale Assoluta [W] 1 160 -40 60% 20,8 20 2 180 -20 70% 22,5 65 3 200 0 80% 24,2 110 4 90% 27,1 155 5 100% 28,3 200 PMMA trasparente

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una griglia simmetrica, è stato apposto un simbolo di riconoscimento per il corretto orientamento della cialda, al fine di evitare letture erronee delle prove eseguite.

Fig. 5.9 Schema di lettura della cialda

Per ogni materiale è stata creata una tabella che potesse servire da schema esplicativo dei valori attribuiti alle variabili e da promemoria delle prove effettuate. Come visibile dalla Tab. 5.8, sono infatti presenti delle celle vuote, da riempire con una “X” per ogni prova effettuata, onde evitare dimenticanze o errori.

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Tab. 5.8 Esempio di tabella utilizzata come riassunto e check-list

5.2.2.1 I provini

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Figg. 5.10-5.16: Da sx in alto: Zirconia Shell, Zirconia Pearl, Cera Sigemax, Cera Yeti, PMMA trasparente, PMMA bianco, Resina composita

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5.2.2.2 Rilevazione del profilo mediante sensore ottico

Con l’ausilio del sensore laser di distanza è stato rilevato il profilo di tutti i solchi ottenuti. La fase di acquisizione del profilo della lavorazione consta delle seguenti fasi: inizialmente il provino viene posto su un sistema di due guide orientabili in modo controllato lungo le direzioni X-Y. Occorre fare in modo che lo spot del sensore laser sia posto in prossimità della lavorazione da rilevare; il sensore acquisirà il profilo a partire dalla posizione occupata. Tramite il comando di regolazione delle guide si imposta la lunghezza del tratto percorso dal laser, l’asse di movimentazione e la velocità di rilevazione. Con il software di SmartMonitor si definiscono le impostazioni di lettura, come il numero totale di punti da acquisire a scansione e il tempo intercorrente tra le letture di ogni punto. Una volta attivato, il sensore rileva il profilo del solco tramite un processo di triangolazione laser.

Grazie a questo sistema è stato possibile rilevare i profili di tutti i solchi. Il database completo è stato riportato nell’appendice A. I profili sono raffigurati con una curva azzurra, mentre la linea verde tratteggiata rappresenta una curva gaussiana a cui si fa riferimento per il valore della larghezza e della profondità del solco, entrambi riportati in ogni immagine. Sono stati di seguito riportate le rilevazioni più significative per ogni materiale:

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A sinistra: Fig. 5.19 Profilo di lavorazione su resina composita ( f=200mm; W= 24,2 W, v=65 mm/s) A destra: Fig. 5.20 Profilo di lavorazione su PMMA trasparente ( f=180mm; W= 22,5 W v=20 mm/s)

A sinistra: Fig. 5.21 Impronta positiva su Cera Yeti (f=180mm, W= 19,6 W, v=75mm/s) A destra: Fig. 5.22 Solco su Cera Sigemax con bordo sopraelevato (f=200mm, W= 25,4 W, v=50mm/s)

A sinistra: Fig. 5.23 Profilo di lavorazione su Zirconia Pearl ( f=200mm; W= 28,3 W, v=33 mm/s) A destra: Fig. 5.24 Profilo di lavorazione su Zirconia Shell ( f=180mm; W= 28,3 W, v=20 mm/s)

Tutti i solchi sono facilmente visualizzabili attraverso l’ausilio di un programma su Matlab dal nome programma_visualizzazione_grafici.m.

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5.2.2.3 Foto al microscopio delle singole scansioni

Sono stati fotografati al microscopio le scansioni corrispondenti ai profili registrati. I risultati sono i seguenti:

Figg. 5.25-5.30: Da sx in alto: Resina composita, PMMA trasparente, Cera Yeti, Cera Sigemax, Zirconia Pearl, Zirconia Shell

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131 5.2.2.4 I risultati ottenuti: la forma dei solchi

Il punto da analizzare è la forma dei solchi registrati: per il PMMA e la resina l’andamento è assimilabile ad una curva gaussiana. Questo fenomeno è legato alla capacità di polimeri, come il PMMA, di vaporizzare istantaneamente. Ipotizzando che il fascio laser abbia una distribuzione di energia di tipo gaussiano e dunque che anche la distribuzione di temperatura seguirà un andamento gaussiano, l’asportazione avverrà lungo tali isoterme imprimendo al materiale una forma analoga. Nella zirconia invece, l’asportazione segue un meccanismo totalmente diverso, ovvero per frattura. La forma non può dunque essere una gaussiana; sperimentalmente si è registrata una forma semisferica, la cui sezione è assimilabile ad una semicirconferenza (Fig. 5.31).

5.2.2.5 Problemi riscontrati

Si sono verificati alcuni inconvenienti, tra cui:

 Primo problema nella lettura dei solchi: Si sono riscontrate difficoltà di lettura di solchi profondi a causa del range limitato di lettura dello strumento (max -1mm), che ha reso impossibile la lettura di alcune porzioni di profilo, causando errori di lettura come quello riportato in Fig. 5. 32.

Fig. 5.32 Errore di lettura della profondità a causa del superamento del range di lettura dello strumento (Profilo di solco su PMMA trasparente, f=200mm, W = 24,2 W, v=20mm/s) Fig. 5.31 Impronta laser su zirconia

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 Secondo problema nella lettura dei solchi: Il dispositivo di lettura, pur presentando la possibilità di impostare differenti condizioni di lettura a seconda del tipo di materiale analizzato (normal, glass, mirror, pcb, ecc.) ha presentato difficoltà nella lettura di materiali semi-trasparenti. In particolare è stato impossibile rilevare il profilo dei solchi su PMMA bianco. Il dispositivo continuava ad inviare il segnale di errore;

 Inadeguatezza delle cere alle lavorazioni con il laser: Entrambe le cere sono risultate non idonee alla lavorazione laser. Per tutte le lavorazioni la finitura ottenuta è stata pessima: il fascio laser ha causato una fusione localizzata del materiale, provocando impronte positive (Fig.5.21) o minimi solchi caratterizzati dalla presenza di un bordo esterno sopraelevato (Fig.5.22).

Le successive prove saranno effettuate solo su due classi di materiali, la Zirconia Shell e il PMMA trasparente, per motivi di brevità ed in base alle prestazioni ottenuto nei solchi singoli.

5.2.3 Risultati: scansioni multiple

Sono stati utilizzati dei passi di scansione di primo tentativo pari a: 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm. Una volta effettuate le lavorazioni al laser, i provini sono stati analizzati sia al sensore laser di distanza che al microscopio.

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133 5.2.3.1 Scansioni multiple su PMMA

Passo [mm]=

0,4

/ 0,5 / 0,6 / 0,7 / 0,8

Figg. 5.33-5.35 Profilo e microfotografie di lavorazione su PMMA trasparente (ps=0.4mm, f=200mm, W=27,1

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Passo [mm]= 0,4 /

0,5

/ 0,6 / 0,7 / 0,8

W, v=110 mm/s)

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135

Passo [mm]= 0,4 /0 ,5 /

0,6

/ 0,7 / 0,8

W, v=110 mm/s)

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136

Passo [mm]= 0,4 /0 ,5 / 0,6 /

0,7

/ 0,8

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137

Passo [mm]= 0,4 /0 ,5 / 0,6 / 0,7 /

0,8

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138 5.2.3.2 Scansioni multiple su Zirconia

Passo [mm]=

0,4

/ 0 ,5 / 0,6 / 0,7 / 0,8

Figg. 5.47-5.49 Profilo e microfotografie di lavorazione su Zirconia Shell (ps=0.4mm, f=180mm, W=27,1 W,

v=25 mm/s)

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139

Passo [mm]=0,4 /

0,5

/ 0,6 / 0,7 / 0,8

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Passo [mm]=0,4 / 0,5 /

0,6

/ 0,7 / 0,8

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Passo [mm]=0,4 / 0,5 / 0,6 /

0,7

/ 0,8

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Passo [mm]=0,4 / 0,5 / 0,6 / 0,7 /

0,8

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143 Osservazione

Analizzando i profili ottenuti, si può notare come in generale la tendenza sia quella di raggiungere, nelle passate successive, una profondità via via sempre maggiore. Questo è un andamento prevedibile: il Material Removal Rate resta infatti costante. Alla prima passata la capacità di asportazione si concentra su una superficie maggiore. Nelle passate successive invece la capacità di asportazione si concentra su una superficie sempre più ridotta al diminuire di ps. Essendo costanti i mm3 di volume asportato, ne consegue che il processo di rimozione i materiale penetrerà sempre più in profondità, entro certi limiti.

5.3 Analisi dei risultati

Dopo aver raccolto tutti i dati necessari, ci si è focalizzati sull’analisi delle configurazioni dei solchi nel caso di singola scansione e sullo studio della rugosità nel caso di scansioni multiple.

5.3.1 Scansioni singole: le geometrie dei solchi

5.3.1.1 Larghezza dei profili

Sono di seguito riportati gli andamenti delle larghezze per il PMMA e la zirconia in funzione della densità di energia.

Fig. 5.62 Andamento della larghezza in funzione della densità di energia per il PMMA [blu scuro: f1 = 160mm;

blu chiaro: f2 = 180mm; viola: f3 = 200mm]

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Fig. 5.63 Andamento della larghezza in funzione della densità di energia per la zirconia [verde: f1 = 180mm;

blu: f2 = 200mm]

In entrambi i casi, la larghezza del solco non dipende dalla potenza del laser o dalla velocità di avanzamento prese singolarmente, ma dal loro rapporto, precedentemente analizzato al par. 3.5.4.1, denominato “densità di energia”. Un incremento della densità di energia causa delle lavorazioni sempre più ampie. Per entrambi i materiali si ha che per fuochi maggiori (e quindi più vicini allo spot focale) l’ampiezza del solco diminuisce. Questo fenomeno è spiegabile analizzando la disposizione geometrica del pezzo rispetto alla lente di focalizzazione: nel caso di distanze focali inferiori (f1) l’intersezione tra fascio laser

e pezzo risulterà maggiore che nel caso di distanze più prossime allo spot focale (f2). In particolare la zirconia ha una larghezza media dei solchi inferiore rispetto alla larghezza media del PMMA, così come inferiore è la variazione in funzione della distanza focale.

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Fig. 5.64 Variazione della geometria del solco in funzione della distanza focale

5.3.1.2 Profondità dei profili

Le profondità dei solchi in funzione della densità di energia seguono gli andamenti sottostanti:

Fig. 5.65 Andamento della profondità in funzione della densità di energia per il PMMA [blu scuro: f1 =

160mm; blu chiaro: f2 = 180mm; viola: f3 = 200mm]

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Fig. 5.66 Andamento della profondità in funzione della densità di energia per la zirconia [verde: f1 = 180mm;

blu: f2 = 200mm]

Nel grafico delle larghezze su PMMA sono state omessi cinque valori che raffiguravano una nuvola lineare di punti traslata rispetto alla retta interpolante i punti raffigurati. Non ritiene che tale omissione possa compromettere i risultati in quanto tutti i punti presentavano comunque un andamento rettilineo.

In entrambi i casi, la profondità del solco non dipende dalla potenza del laser o dalla velocità di avanzamento prese singolarmente, ma dal loro rapporto, precedentemente analizzato al par. 3.5.4.1, denominato “densità di energia”. Un incremento della densità di energia causa delle lavorazioni sempre più profonde. Anche in questo caso si riconferma la teoria esposta in Fig. 5.64: all’aumentare della distanza focale, l’ampiezza del solco diminuisce; dunque l’energia si andrà concentrando su una porzione sempre più ridotta di superficie, riuscendo a penetrare nel materiale più in profondità il risultato sono delle curve del profilo più strette e lunghe, con profondità via via più elevate.

5.3.2 Scansioni multiple: rugosità

Le prove con passate multiple hanno avuto lo scopo di valutare la rugosità superficiale ottenibile al variare del passo di scansione. La rugosità ottenuta è stata misurata tramite

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147

la rilevazione del profilo delle scansioni multiple, facendo riferimento alla linea media dello stesso e calcolando la sommatoria delle singole distanze della curva del profilo rispetto a questa:

𝑅

_𝑎

=

1

𝐿

∫ |𝑦|𝑑𝑥

𝐿

0

Con lo scopo di:

 Analizzarne l’andamento nel caso dei due materiali indagati, evidenziando comportamenti comuni e/o divergenti.

 Confrontare il valore della rugosità reale proveniente dallo studio dei profili rilevati con un valore teorico ideale.

5.3.2.1 Rugosità su PMMA

Considerando le prove sono state strutturate utilizzando valori di potenza e velocità uguali e cambiando invece il passo di scansione, in questa fase si analizzerà il variare della rugosità in funzione dei diversi passi di scansione. Nel caso del PMMA si sono ottenute le seguenti rugosità reali:

Il valore della rugosità ideale nasce dall’accostamento di diverse curve, per una distanza pari al passo impostato. Le curve rappresentano l’approssimazione del profilo corrispondente alla singola scansione avente stesso fuoco, stessa velocità di avanzamento e uguale potenza utilizzati nelle scansioni multiple.

0,020328 0,10399 0,13458 0,16149 0,16729 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Rugosità reale Passo

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148

Nel caso del PMMA questa precisazione è superflua, in quanto tutte le curve sono approssimabili a profili gaussiani [24]. L’ampiezza della curva è stata impostata centrando la distribuzione lungo l’asse delle ordinate (μ=0) e considerando una larghezza di ∓3σ in modo da comprendere il 99,74% dei punti. La profondità è invece pari alla profondità media registrata nelle scansioni multiple. Si è infatti notato che nelle prove sperimentali, nonostante si sia lavorato con parametri di f, v e W che per lavorazioni singole causavano una d=0,2, l’influenza reciproca di scansioni vicine ha causato un incremento della profondità media, registrando:

PMMA trasparente Passo Profondità 0,8 0,58 0,7 0,56 0,6 0,59 0,5 0,58 0,4 0,14

Tab. 5.9 Profondità delle scansioni multiple su PMMA

Il ragionamento di fondo è illustrato nelle figure sottostanti. La distanza tra le due linee verticali tratteggiate rappresenta il passo impostato ed il valore di L rispetto al quale viene calcolata Ra, il segmento continuo parallelo all’asse delle ascisse rappresenta un tratto della linea media del profilo con cui viene misurata la rugosità. In Fig. 5.68 sono stati riportati i casi corrispondenti al passo minimo e massimo (curva viola e curva verde per ps = 0,4; curva azzurra e curva rossa per ps = 0,8).

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Fig. 5.67 Sovrapposizione di due curve gaussiana (lavorazione su PMMA)

Fig. 5.68 Curve gaussiana nel caso di ps = 0,4 e ps = 0,8 (lavorazione su PMMA)

In questo modo è stato possibile ricavare una rugosità teorica, da utilizzare come termine di confronto per la rugosità reale.

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I risultati sono ottimi: la rugosità reale si assesta sempre su intorni prossimi a quella teorica; addirittura per passi pari a 0,5 o 0,6 risulta inferiore. Si può dunque affermare che il PMMA presenta un comportamento prevedibile ed in linea a quanto programmato.

5.3.2.2 Rugosità su zirconia

Per la zirconia sono stati registrati i seguenti valori di rugosità reale:

Il grafico presenta due anomalie:

1. Al passo minimo corrisponde la rugosità massima: tale fenomeno è legato al profilo dei solchi multipli. Analizzando la Fig. 5.47 si può notare come l’andamento non sia omogeneo, ma presenta profondità molto diverse. Considerando Ra come integrale

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Rugosità teorica 0,019701 0,11077 0,13701 0,1499 0,1499 Rugosità reale 0,020328 0,10399 0,13458 0,16149 0,16729 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Confronto tra le rugosità - PMMA

0,031402 0,025226 0,025383 0,02011 0,02433 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Rugosità reale Passo Passo

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delle distanze rispetto alla linea media del profilo, questo aspetto viene accentuato provocando delle fluttuazioni (e quindi rugosità) elevate.

2. La rugosità minima si ottiene per ps = 0,7: nel caso in questione si è lavorato producendo dieci solchi paralleli, mentre negli altri casi se ne sono prodotti sei. Le interazioni inter-solchi sono state dunque maggiori. Ricordiamo che la zirconia è caratterizzata da un taglio per frattura, quindi ben si presta a fenomeni di delaminazione. L’influenza inter-solchi può aver causato ulteriori sollecitazioni che hanno a loro volta portato alcune creste a staccarsi, facendo abbassare il valore totale della rugosità registrata.

Per identificare la rugosità teorica, si è partiti dall’ipotesi che la zona asportata nel materiale ceramica assuma in sezione un andamento semicircolare. Partendo dall’analisi del profilo con f=180mm; W=27,1 W; v=25 mm/s (Fig. 5.69), si è ipotizzato che l’asportazione di materiale avvenga lungo semicerchi di raggio 0,5 mm. In questo caso è stato possibile definire una curva univoca in quanto in tutte le scansioni multiple si sono registrate profondità comprese in un intorno di ∓0,03 mm rispetto al valore della profondità registrata per il solco singolo (d=0,2mm circa).

Fig.5.69 Profilo di un solco su zirconia ( f=180mm; Potenza=27,1 W; v= 25 mm/s)

Il valore del raggio è stato identificato tramite deduzioni geometriche considerando che la larghezza totale del solco, assimilata ad una corda della circonferenza, sia circa 0,8 e che la profondità sia circa 0,2.

In questo modo è stato possibile misurare una linea media del profilo (giacente sul segmento parallelo all’asse delle ascisse) rispetto alla quale calcolare Ra, in funzione del

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passo ps, ovvero di L. Il modello è raffigurato in Fig. 5.70, mentre in Fig. 5.71 sono presenti i casi estremi rispettivamente per ps = 0,4 (curva viola e curva rossa) e ps = 0,8 (curva viola e curva verde).

Fig. 5.70 Sovrapposizione di due porzioni di semicerchi (lavorazione su zirconia)

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In questo modo è stato possibile ricavare una rugosità teorica, da utilizzare come termine di confronto per la rugosità reale.

Per passi ridotti la rugosità reale risulta superiore a quella teorica, ma per passi più elevate intervengono i fenomeno di influenza reciproca fra i singoli solchi, non prevedibili analiticamente, che fanno in modo di ottenere valori di molto inferiori.

5.4 Conclusioni indagine sperimentale

Nel caso di lavorazioni su PMMA, è emerso che l’andamento del profilo ottenibile segue un’evoluzione in linea a quanto previsto. Questo fenomeno è fondamentale per la tenuta sotto controllo del processo.

Nelle lavorazioni su zirconia questo aspetto risulta più carente in quanto abbiamo visto come intervengano fattori esterni a interferire rispetto all’andamento teorico previsto. Tuttavia le lavorazioni ottenute presentano una qualità superficiale superiore rispetto alle lavorazioni su PMMA; confrontano le rugosità registrate si ha:

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Rugosità teorica 0,010612 0,016932 0,025055 0,035334 0,048376 Rugosità reale 0,031402 0,025226 0,025383 0,02011 0,02433 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Confronto tra le rugosità - Zirconia

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Per ps = 0,4 risulta conveniente il PMMA in quanto, oltre al beneficio proveniente dalla governabilità del processo, si aggiunge anche una finitura migliore. Tuttavia per passi più elevati la rugosità cresce in maniera molto marcata.

In funzione del punto di vista al quale si decide di dare più peso, che sia la capacità di prevedere l’andamento del processo o la finitura migliore, la scelta può cambiare in relazione al contesto nel quale ci si viene a trovare.

I risultati sono dunque soddisfacenti e con rilevanti potenzialità. Il lavoro analizzato si presenta come un primo studio preliminare, da affinare in fasi successive.

In questo studio lo scopo è stato circoscritto alla valutazione degli effetti sul materiale, al variare dei parametri del processo, con il fine di raccogliere dei primi dati sperimentali che possano costituire degli elementi di partenza per uno studio più approfondito.

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Ra Zirconia Ra PMMA Passo