6. Conclusioni e sviluppo della teoria
Nel presente lavoro è stato mostrato che la vaporizzazione operata da un laser, con lunghezza d’onda appartenente allo spettro infrarosso, su di un polimero acrilico di uso comune (il PMMA), costituisce un efficace strumento per l’asportazione selettiva di materiale. Combinando l’elevata concentrazione di energia sviluppata dal laser con un sistema di movimentazione del fascio lungo due direzione di scansione è stato, dunque, possibile realizzare la vaporizzazione sia di complessi reticoli di tracce monodimensionali, sia di contorni caratterizzati dalla presenza di spigoli vivi e curve complesse. I modelli teorici elaborati consentono di prevedere, con ottima attendibilità, le caratteristiche geometriche dei solchi generati dalla sorgente in movimento.
Già per tale tecnica di asportazione monodirezionale, oggetto della prima parte di questo lavoro, si possono ipotizzare alcuni impieghi industriali come, ad esempio, la realizzazione in serie di strutture microcapillari, utilizzate per svariati tipi di analisi biochimiche su fluidi organici e non, la marcatura di lenti e la microsaldatura di fibre ottiche.
In particolare il silicio, convenzionalmente utilizzato come materiale base per la fabbricazione di un numero limitato di strutture microcapillari per uso prolungato, può essere proficuamente sostituito con i polimeri acrilici. La vaporizzazione laser rende il processo produttivo dei microcanali ben più rapido e permette, laddove, come in ambito medico, si voglia evitare il pericolo di contaminazioni, la realizzazione di un numero elevato di campioni monouso ed a basso costo.
Nella seconda fase del presente lavoro si è visto come la possibilità di eseguire l’asportazione di strati di polimero, all’interno di un contorno di forma qualsiasi, renda il fascio laser uno strumento insostituibile nelle lavorazioni di sottrazione di materiale dal pieno. Anche utilizzando le moderne macchine utensili a C.N., nessun utensile è, infatti, in grado di garantire contemporaneamente un raggio di raccordo confrontabile con quello dello spot del fascio laser (0,35mm) e velocità di avanzamento dell’ordine di [500-1000]mm/s. Gli spigoli vivi, che caratterizzano tre delle quattro cavità realizzate, avrebbero potuto essere ottenute attraverso una lavorazione ad ultrasuoni con l’aggiunta di particelle di abrasivo. Questo, però, avrebbe come contropartita, il fatto di dover preventivamente costruire un utensile (sonotrodo) di forma corrispondente all’impronta da realizzare. Altri tipi di lavorazioni ad alta densità di energia
come l’elettroerosione o l’asportazione elettrochimica risultano inutilizzabili sul polimero in quanto questo è un materiale non conduttore.
Nella terza fase del lavoro si è mostrato come la profondità della cavità (Dcavità) dipenda
linearmente dal numero di strati vaporizzati e la rugosità caratteristica della superficie del fondo tenda, all’aumentare del numero delle passate, ad assumere un valore costante. La profondità dello strato, lavorato in due passate incrociate con il suddetto passo di scansione, vale Dstrato=(0,31+0,01)mm e rappresenta la risoluzione del processo nell’approssimare solidi a
sezione variabile attraverso una successione ordinata di “fette” (slices).
Si è, dunque, dimostrato come la rimozione progressiva di materiale, da un blocco di polimero acrilico, ottenuta sfruttando la tecnica dell’asportazione layer by layer sia uno strumento flessibile e competitivo nell’ambito delle lavorazioni dal pieno, e consenta di realizzare cavità di forma complessa e notevole profondità, in tempi ridotti.
Tali impronte possono, in seguito, essere utilizzate come stampi di colata per la realizzazione di prototipi in resina siliconica; la velocità di solidificazione della resina e la facilità di sformo del solido ottenuto, consentono di riprodurre più esemplari del prototipo in questione senza dover ripetere il processo di asportazione laser.
Si è dimostrato, inoltre che, grazie all’elevata risoluzione del processo di asportazione per strati ed alla buona lavorabilità del PMMA, i prototipi ottenuti sono, dal punto di vista della precisione dimensionale, compatibili con i modelli ottenibili con la tecnica del Selective Laser Sintering. Il grado di finitura superficiale delle superfici ottenute risulta, invece, inferiore, rispetto a quello riscontrabile sui prototipi realizzati mediante sinterizzazione di sabbie da fonderia; questa differenza deve essere attribuita, oltre che alla diversa tipologia di materiale utilizzato, anche al fatto che le modalità di realizzazione del prototipo risultano diametralmente opposte. Il metodo sviluppato per la realizzazione di stampi di colata mediante vaporizzazione laser è, infatti, un processo per sottrazione di materiale, mentre la sinterizzazione di sabbie pre-rivestite è, invece, un processo per accrescimento. Ciò non toglie che lo sviluppo futuro di questa metodologia possa prevedere l’abbassamento notevole delle asperità, generate dalle scansioni laser, in modo da migliorare il grado di finitura superficiale delle cavità.
Per ottenere tale effetto, senza causare un aumento eccessivo dei tempi di processo, si potrà agire, una volta ottenuta la cavità “grezza”, operando una o più scansioni di finitura. La minor profondità di penetrazione, richiesta in questa fase, potrà essere ottenuta o diminuendo l’energia per unità di lunghezza (ε), oppure aumentando la distanza focale non oltre 10-20mm. In questo modo, utilizzando una diversa combinazione dei parametri di processo, si otterrà la levigatura delle asperità presenti sul fondo dell’ultimo strato realizzato.
Un secondo metodo, anch’esso da sperimentare, potrebbe prevedere l’utilizzo di alcune scansioni a bassa potenza (5-10W) sul fondo della cava, ricoperto da un velo di sospensione acquosa di precursore, ovvero una soluzione in cui sono disciolte particelle in grado di assorbire energia, alla lunghezza d’onda del fascio laser utilizzato. La quantità di moto trasferita dal fascio laser alle particelle di precursore, ne causa la locale vibrazione; i moti vibrazionali di queste particelle innescano un effetto di spallazione sul fondo della cava e sui bordi perimetrali, provocandone la levigatura. Tale metodo è già stato sperimentato con successo nella lucidatura di elementi di silicio realizzati per l’industria aerospaziale.
Un altro limite del processo di asportazione, sviluppato in questo lavoro, è costituito dall’impossibilità di realizzare stampi di colata con sottosquadri che impediscano l’estrazione del prototipo lungo l’asse principale dell’impronta (ovvero l’asse Z della piattaforma mobile). Qualora sia possibile individuare un piano di sformo del solido, si può procedere, come per gli stampi da fonderia, realizzando, tramite asportazione laser, due gusci, su ognuno dei quali viene realizzata una porzione dell’impronta totale. Tali gusci vengono, successivamente, affacciati utilizzando opportuni riferimenti (ad esempio due spine asimmetriche) ed opportunamente staffati in modo da costituire un compatto stampo per la colata della resina siliconica.
Nel caso in cui siano presenti sottosquadri di modeste dimensioni, è possibile estrarre il prototipo solidificato, lungo l’asse Z, sfruttando l’elevata deformabilità della resina siliconica.
Laser di supporto
SOTTOSQUADRO
z
Rimane, però, il problema di realizzare tramite vaporizzazione laser l’asportazione di parti del polimero che non sono direttamente accessibili dall’alto, in quanto schermate da materiale che non deve essere asportato, come avviene nell’esempio riportato in fig.6.1 .
Per ovviare a questo inconveniente si potrebbe ipotizzare l’utilizzo di un secondo fascio laser da utilizzare in modo coordinato, con quello proveniente dalla testa di scansione, in modo da ottenere un’energia sufficiente all’asportazione di materiale, soltanto nel punto in cui le due radiazioni si sovrappongono. In questo modo sarebbe possibile attraversare la sporgenza che genera il sottosquadro senza provocarne la vaporizzazione. Per realizzare un simile apparato sarebbe, dunque, necessario un sistema a C.N. assai complesso e costoso, che coordini i parametri di processo dei due laser ed i relativi spostamenti, per poterne ottenere una costante sovrapposizione degli effetti.
L’analisi della tecnica di vaporizzazione laser, sviluppata in questo studio, può essere utile anche qualora si intenda abbinare l’azione di una sorgente di energia laser a macchine utensili (come torni a C.N. e centri di lavoro) al fine di ottenere un effetto combinato. Anche in questo caso i modelli forniti nel presente lavoro, costituiscono un’attendibile base teorica in quanto risultano indipendenti dalle svariate modalità attraverso le quali può essere generato il moto relativo tra pezzo e raggio laser. Tutte le molteplici applicazioni che possono essere realizzate con una tecnologia d’avanguardia e flessibile, quale è appunto l’asportazione laser, necessitano, infatti, di conoscere, in via preventiva, gli effetti prodotti dall’interazione con il pezzo, in termini di: profondità di penetrazione, presenza di un’eventuale zona di danneggiamento termico e grado di finitura delle superfici realizzate.
Un interessante sviluppo futuro del processo sviluppato riguarda la sperimentazione dell’asportazione laser di differenti tipologie di polimeri (ad esempio i tecnopolimeri come nylon, ABS e PTFE) per la fabbricazione di microcomponenti per l’industria meccanica.
Non meno importante risulta la sperimentazione dei laser ad eccimeri, di nuova generazione, che consentono di raggiungere una maggior precisione, nelle lavorazioni dal pieno su polimeri, grazie alla particolare modalità di rimozione del materiale (ablazione UV). La lunghezza d’onda caratteristica del campo ultravioletto consente ottenere un’asportazione di materiale, attraverso la rottura dei legami chimici covalenti che caratterizzano le catene polimeriche, generando bordi di tagli privi del benché minimo danneggiamento termico. In questo modo, tutti i polimeri che risultavano difficilmente lavorabili con il laser a CO2 (PVC, PC, nylon e derivati) vengono, ora, trattati efficacemente utilizzando i laser ad eccimeri.
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APPENDICE A: ATTREZZATURA DI RIFERIMENTO
UNIVERSITA' DEGLI STUDI
DI PISA FA C O LTA ' DI IN GEGNERIA L.Ro m ol i
RINGRAZIAMENTI
Desidero ringraziare tutti coloro che hanno contribuito alla stesura di tale lavoro.
I miei ringraziamenti vanno, dunque, ai relatori di questa tesi, il Prof. Giovanni Tantussi ed il Prof. Gino Dini, ed a Flavio Antonelli per i consigli e la costante disponibilità.
Per i paragrafi concernenti la teoria dell’ablazione laser desidero ringraziare il Prof. Francesco Fuso ed il Dott. Francesco Tantussi del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa, mentre al Dott. Oliviero Lazzerini, del Dipartimento di Chimica, vanno i miei ringraziamenti per la supervisione sulla parte di chimica dei polimeri e la realizzazione delle analisi spettroscopiche.
