48
4.
MARCATURE G_PLATE
In questo lavoro di tesi sono state svolte diverse prove sperimentali usando geometrie di lavorazione differenti. Nel caso dei G_PLATE, la campagna di prove è stata realizzata effettuando delle serie di marcature circolari con laser ad impulsi ultracorti su piastrine di acciaio inossidabile martensitico AISI 440C.
4.1. Geometria
Le piastrine utilizzate sono circolari di diametro 14 mm e spessore 0,30 mm, presentano due lati dritti per individuarne l’orientamento (fig. 4.1). Le piastrine presentano una rugosità quadratica media Sq (Root mean square average) di 0,3 µm (misurata tramite acquisizione di un’area
esterna alla lavorazione).
Su ciascuna piastrina sono state realizzate 2 file (A e B) di 9 lavorazioni circolari (fig. 4.2 e 4.3); ogni lavorazione presenta una diversa combinazione dei parametri di processo. A ciascun elemento della fila A corrisponde il rispettivo elemento della fila B, realizzato con gli stessi parametri.
13 1
49 Fig. 4.2 – Disposizione delle lavorazioni su ciascuna piastrina
Fila A
Fila B
1 9
Fig. 4.3 – Immagine delle marcature sulle piastrine acquisita da una delle videocamere dello SHFM, utilizzate per il posizionamento micrometrico della punta sul campione
50 La singola lavorazione consiste in una traccia circolare (fig. 4.4 e 4.5): il fascio laser parte dal centro della circonferenza e con traiettoria radiale raggiunge il diametro di 300 µm; quindi compie una unica traiettoria circolare, con velocità di avanzamento costante pari a quella stabilita nella campagna di prove.
Fig. 4.4 – Geometria della singola marcatura
51
4.2. Materiale
Il materiale utilizzato per questo studio sperimentale è l’acciaio inossidabile martensitico AISI 440C (X 105 Cr Mo 17 EN 10088/3). Questo acciaio è comunemente utilizzato nell’industria automobilistica per la fabbricazione di iniettori; infatti combina elevata durezza a buona resistenza alla corrosione.
Caratteristica fondamentale degli acciai martensitici è infatti l’attitudine a migliorare le loro proprietà meccaniche mediante un trattamento termico di tempra e di rinvenimento (fig. 4.6; variando le temperature si possono conciliare buone caratteristiche meccaniche con una buona resistenza alla corrosione.
Elemento
C Cr Mn S Si Mo Se
Composizione
(% in peso) 0,95-1,2 17,2 1,00 0,015 1,00 0,75 0,20
Tab. 4.1 – Composizione chimica AISI 440C
52
4.3. Parametri di lavorazione
Il fascio laser utilizzato ha le seguenti caratteristiche:
Lunghezza d’onda 1552 nm
Durata impulso 800 fs
Frequenza impulsi . . 100 kHz
Diametro dello spot 20 µm
Nel piano sperimentale, per la realizzazione delle marcature, sono stati variati i seguenti parametri:
Energia per impulso . . 10 ÷ 50 µJ
Velocità tangenziale 25 ÷ 75 mm/s
Angolo di incidenza ± 50%
L’angolo di incidenza consiste nell’inclinazione del fascio laser rispetto alla normale alla superficie del pezzo in lavorazione; viene indicato sulla macchina percentualmente, con un intervallo di valori tra -100% (corrispondente a -6,5°) e +100% (corrispondente a 6,5°).
Dall’energia per impulso è possibile ricavare la potenza media del fascio laser come prodotto tra questa e la frequenza degli impulsi laser:
= . . . .
53 e quindi, legandola a velocità di avanzamento e diametro dello spot, la densità di energia:
. . =
In tab. 4.2 sono riepilogati i parametri di lavorazione di ciascuna prova; sono stati utilizzati 5 valori di energia per impulso (10, 20, 30, 40, 50 µJ) combinati con 3 valori di velocità di avanzamento tangenziale del fascio laser (25, 50, 75 mm/s). Sono state inoltre effettuate alcune prove variando l’angolo di incidenza (-50%, 0%, 50%).
Piastrina n°. Campione n°. Energia per impulso [µJ] Potenza media [W] Velocità tangenziale [mm/s] Angolo di incidenza [%] Densità di enegia [J/mm2] G1 1 50 5 25 0 10 G1 3 50 5 50 0 5 G1 6 50 5 75 0 3,33 G4 4 40 4 25 0 8 G4 3 40 4 50 0 4 G4 1 40 4 75 0 2,67 G7 3 30 3 25 0 6 G7 2 30 3 50 0 3 G7 1 30 3 75 0 2 G9 3 20 2 25 0 4 G9 2 20 2 50 0 2 G9 1 20 2 75 0 1,33 G11 3 10 1 25 0 2 G11 2 10 1 50 0 1 G11 1 10 1 75 0 0,67 G7 9 30 3 25 50 6 G7 6 30 3 25 -50 6 G1 7 50 5 50 50 5 G1 9 50 5 50 -50 5
54
4.4. Aree e parametri di scansione SHFM
Per ogni campione sono state acquisite con lo SHFM due scansioni rettangolari, a 90° l’una rispetto all’altra, come mostrato in figura 4.8.
Avendo a disposizione, per ogni combinazione di parametri di lavorazione, due campioni, è stata acquisito quello della fila B; in alcuni casi è stato necessario spostarsi sulla fila A, in quanto erano presenti schizzi di materiale sui bordi della traccia laser (fig. 4.9).
Sono state inoltre effettuate alcune scansioni sulla fila A per confermare la profondità e la larghezza ottenuti nella fila B.
Fig. 4.8 – Aree di scansione (indicate con C e D) e orientamento prevalente delle tracce di lavorazione presenti sulle piastrine
55 Osservando la finitura superficiale delle piastrine (fig. 4.8), che presenta rigature parallele tra loro, è stato deciso di acquisire le zone C e D. In questo modo, in particolare in G1, G4, G7, si ha:
Area C, parallela alla direzione delle creste della rugosità dovute alle tracce di lavorazione delle piastrine;
Area D, ortogonale a quest’ultima.
Questo per evidenziare una eventuale influenza della rugosità superficiale dovute alle tracce di lavorazione delle piastrine sulla determinazione del profilo della lavorazione.
Nelle piastrine G9 e G11, l’orientamento è invece non allineato con la direzione della scansione. È stata effettuata una prima scansione allo SHFM di 16 righe e, verificando che i profili di linea sono poco variabili di riga in riga (fig. 4.10), si è deciso di fare le successive scansioni di 8 righe, dimezzando quindi il tempo di acquisizione delle scansioni.
Fig. 4.10 – Mappa topografica e profili da essa ricavati (G7-1, zona D)
3,6 µm 0 µm 3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Profilo [µm] Profilo 1 Profilo 2 Profilo 3 Profilo 4
56 Le aree di scansione sono rettangolari, con larghezza pari a 1/10 della altezza; la dimensione dell’altezza di scansione è stata valutata caso per caso in modo tale da individuare la superficie esterna alla lavorazione.
La velocità di scansione è stata regolata in funzione del profilo e dell’inclinazione dello stesso, per evitare il danneggiamento della punta di scansione: una velocità troppo elevata non consentirebbe di avere dei tempi di risposta sufficienti per seguire il profilo e quindi porterebbe all’urto tra campione e punta, con danneggiamento di quest’ultima.
La dimensione in punti dell’area di scansione è pari a 1024 colonne per 8 righe (ad eccezione della scansione 1, zona D della piastrina G7 con 16 righe).
57 Piastrina
n°.
Campione
n°. Fila Zona
Dimensione scansione Velocità di scansione [µm/s] Colonne per righe [µm] G1 1 A C 1024 x 8 50 x 5 0,40 B D 1024 x 8 45 x 4,5 0,30 3 B C 1024 x 8 50 x 5 0,60 B D 1024 x 8 50 x 5 0,60 6 B C 1024 x 8 50 x 5 0,60 B D 1024 x 8 50 x 5 0,60 3 A C 1024 x 8 50 x 5 0,60 A D 1024 x 8 50 x 5 0,60 7 A C 1024 x 8 50 x 5 0,60 A D 1024 x 8 50 x 5 0,60 9 A C 1024 x 8 50 x 5 0,60 A D 1024 x 8 50 x 5 0,60 G4 1 B C 1024 x 8 50 x 5 0,60 B D 1024 x 8 60 x 6 1,00 3 B C 1024 x 8 50 x 5 0,60 B D 1024 x 8 50 x 5 0,40 4 B C 1024 x 8 50 x 5 0,40 A D 1024 x 8 50 x 5 0,40 G7 1 B C 1024 x 8 60 x 6 1,00 B D 1024 x 16 60 x 6 0,60 2 B C 1024 x 8 60 x 6 1,00 B D 1024 x 8 60 x 6 1,00 3 B C 1024 x 8 30 x 3 0,10 B D 1024 x 8 30 x 3 0,10 6 B C 1024 x 8 30 x 3 0,30 B D 1024 x 8 30 x 3 0,30 9 B C 1024 x 8 30 x 3 0,30 B D 1024 x 8 30 x 3 0,30 G9 1 B C 1024 x 8 60 x 6 0,80 B D 1024 x 8 50 x 5 0,80 2 B C 1024 x 8 50 x 5 0,80 B D 1024 x 8 50 x 5 0,80 3 B C 1024 x 8 50 x 5 0,60 B D 1024 x 8 50 x 5 0,60 G11 1 B C 1024 x 8 78 x 7,8 0,60 B D 1024 x 8 70 x 7 0,80 2 B C 1024 x 8 70 x 7 0,80 B D 1024 x 8 70 x 7 0,80 3 B C 1024 x 8 70 x 7 0,80 B D 1024 x 8 70 x 7 0,80
58
4.5. Analisi delle scansioni
4.5.1. Estrazione dei profili
Per ciascuna scansione, lo Shear Force Microscopy fornice un file in formato SM4, che contiene la topografia della zona acquisita, con due mappe, una per la corsa di andata (forward) e una per quella di ritorno (backward).
Per l’analisi delle scansioni e l’estrazione dei profili delle sezioni delle lavorazioni è stato utilizzato il software WSxM 5.0.
La procedura utizzata per ogni scansione è stata la seguente:
MERGE forward/backward: effettua una fusione tra le due topografie, calcolandone la media punto per punto
REDIMENSION by image amplitude (fig. 4.11): riporta la scansione alle proporzioni reali in base alla dimensione della scansione in µm, invece che rispetto al numero di righe e colonne acquisite
FLATTEN discarding regions (substract type:line, direction: rows) (fig. 4.12): consente di spianare la scansione andando ad eliminare l’inclinazione del piano medio della mappa acquisita; viene quindi scartata la zona centrale della mappa dove si trova la lavorazione
Fig. 4.11 – REDIMENSION by image amplitude
59 PROFILE (fig. 4.13): consente di estrarre un profilo di linea dalla mappa; sono stati
estratti 4 profili paralleli tra loro e ortogonali alla traccia della lavorazione
4.5.2. Calcolo della larghezza e della profondità del profilo
Per il calcolo della larghezza e dalla profondità del profilo sono stati eseguiti dei best fit delle curve ottenute con il software IGORPRO (fig. 4.14).
In primo luogo è stato individuato il piano orizzontale della piastrina esterno alla lavorazione attraverso un best fit lineare (di grado 0, quindi una retta orizzontale); sono state escluse con delle maschere (che permettono di eliminare dal best fit alcune porzioni di profilo) la zona della lavorazione e gli eventuali riporti di materiale sui bordi della stessa.
È stato quindi fatto un best fit parabolico (di 2° grado) della sola zona della lavorazione, escludendo i riporti di materiale sui bordi e gli eventuali residui sul fondo con delle maschere (che eliminano i punti selezionati dal calcolo della curva interpolante).
60 Per ciascun profilo sono stati quindi ottenuti una retta orizzontale e una parabola; quindi è stata calcolata la profondità come distanza tra la retta orizzontale e il vertice della parabola e la larghezza come la distanza tra i punti di intersezione tra retta e parabola (fig. 4.15).
È stata quindi calcolata la media di larghezza e profondità sui quattro profili per ogni zona di scansione; dai risultati ottenuti non sono state evidenziate variazioni significative tra i valori ottenuti nella zona C e nella zona D di ogni prova (fig. 4.16) perciò è stato calcolato un unico valore medio per larghezza e profondità per ciascuna marcatura.
Fig. 4.14 – Fitting lineare e parabolico
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Profilo [µm] Profilo Fitting lineare Fitting parabolico
Fig. 4.15 – Definizione di altezza e larghezza
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Profilo [µm] Profilo Fitting lineare Fitting parabolico P ro fo n d it à Larghezza
61 In figura 4.17 sono riepilogati i valori di larghezza e profondità ottenuti per ciascuna prova
Fig. 4.16 – Altezza e larghezza nelle due aree di scansione
0 5 10 15 20 25 Pro fo n d it à [ µ m ]
Profondità zona C Profondità zona D
0 5 10 15 20 25 L a rg h e zza [ µ m ]
Larghezza zona C Larghezza zona D
Fig. 4.17 – Altezza e larghezza
0 5 10 15 20 25 [µ m ] Profondità Larghezza
62
4.5.3. Rugosità superficiale delle piastrine
Nelle prove effettuate a più bassa densità di energia è stata asportata una piccola quantità di materiale, perciò la profondità della traccia del laser è dello stesso ordine di grandezza dei solchi preesistenti della rugosità superficiale. In figura 4.18 viene mostrato infatti un profilo della traccia laser confrontato con il profilo della piastrina fuori dalla zona di lavorazione, cercando di allineare le strutture: nel caso in figura è evidente che la traccia laser si sovrappone a una scalfittura preesistente.
La rugosità superficiale inoltre può rendere difficile l’individuazione del piano medio della piastrina; questo perché la punta dello Shear Force Microscopy, durante la scansione di una riga, può salire e scendere da un picco della superficie (fig. 4.19) in funzione dell’angolo relativo tra linea di scansione e orientamento della rugosità; il profilo ottenuto sarà quindi come quello mostrato in fig. 4.20, dove non si riesce ad individuare un piano orizzontale.
Fig. 4.18 – Confronto tra profilo traccia laser e rugosità superficiale 4 3 2 1 0 -1 100 80 60 40 20 0 Profilo [µm] Profilo rugosità Profilo traccia laser
63 Per ovviare a questo problema è stata eseguita una nuova scansione dopo aver riposizionato il campione sullo SHFM.
4.6. Analisi dei risultati
4.6.1. Profondità
In figura 4.21 è mostrato il grafico della profondità calcolata sulla base delle misure dello SHFM in funzione della densità di energia utilizzata in ciascuna prova.
I valori di profondità sono crescenti con l’aumento della densità di energia, con andamento non lineare ma che tende a crescere sempre meno per le densità di energia più alte (andamento logaritmico).
Fig. 4.20 – Mappa topografica e profilo da essa ricavato 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 50 40 30 20 10 0 Profilo [µm]
Fig. 4.21 – Profondità in funzione della densità di energia
0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 Pro fo n d it à [ m ] Densità di energia [J/mm2]
64 Osservando il grafico (fig. 4.21), si nota che questo presenta un valore al di fuori della nuvola di punti ricavati dalle misure allo SHFM (piastrina G1, campione 3, con densità di energia di 5 J/mm2); è stata quindi ripetuta la misurazione sul corrispondente nella fila A e sulle prove effettuate con stessa potenza e velocità ma diverso angolo di incidenza. I risultati ottenuti non si discostano dal campione 3 (fig. 4.22).
4.6.2. Larghezza
In figura 4.23 è mostrato il grafico della larghezza calcolata sulla base delle misure dello SHFM in funzione della densità di energia utilizzata in ciascuna prova.
Fig. 4.22 – Profondità della misura dalla fila A
0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 Prf o n d it à [ m ] Densità di energia [J/mm2]
Fig. 4.23 – Larghezza in funzione della densità di energia
0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 L a rg h e zza [ m ] Densità di energia [J/mm2]
65 I valori di larghezza sono crescenti con l’aumento della densità di energia, con andamento che presenta una crescita relativa più modesta rispetto alla profondità; infatti il valore massimo è solamente il doppio del minimo per la larghezza, mentre nel caso della profondità è moltiplicato per un fattore 5.
Anche per densità di energia molto basse si va a creare comunque una traccia di larghezza misurabile con il metodo descritto.
4.6.3. Variazione dell’angolo di incidenza
È stato valutato l’effetto della variazione dell’angolo di incidenza, cioè l’inclinazione del fascio laser rispetto alla normale alla superficie del pezzo in lavorazione.
Sono state confrontate 3 lavorazioni, con gli stessi parametri di velocità tangenziale ed energia per impulso ma 3 diversi valori di angolo di incidenza.
In tab. 4.4 sono riportati i parametri di lavorazione, mentre in tab. 4.5 è riportata la relazione tra angolo di incidenza in % (come riportato sull’interfaccia della macchina laser) e il reale valore in gradi di tale angolo.
In figura 4.24 sono riportati i profili ricavati nei diversi campioni: si può notare che la variazione di angolo di incidenza comporta una rotazione della sezione asportata dal fascio laser. Con
Piastrina n°. Campione n°. Energia per impulso [µJ] Potenza media [W] Velocità tangenziale [mm/s] Angolo di incidenza [%] Densità di enegia [J/mm2] G7 3 30 3 25 0 6 G7 6 30 3 25 -50 6 G7 9 30 3 25 50 6
Tab. 4.4 – Parametri di lavorazione
Angolo di incidenza [%] Angolo di incidenza [°] 0 0 -50 -3,8 50 +3,8
66 angolo di incidenza pari a 0 %, si ha invece simmetria della traccia rispetto alla normale alla superficie della piastrina
Angolo di incidenza -50 %
Angolo di incidenza 0 %
Angolo di incidenza +50 %
67
4.6.4. Material Removal Rate
In base alla larghezza e alla profondità misurate, ipotizzando un profilo parabolico della lavorazione, è stato valutato il Material Removal Rate (MRR); il MRR è stato calcolato come prodotto tra la velocità di avanzamento del fascio laser e l’area asportata
= [ ]
L’area asportata è stata calcolata come la superficie compresa tra la parabola e la retta utilizzate in precedenza come fitting dei profili (fig. 4.25)
=4
3 2
dove e sono larghezza e profondità della lavorazione.
In figura 4.26 sono riportati i grafici dell’andamento dell’MRR in funzione della densità di energia, mettendo in evidenza i valori di velocità di avanzamento (nel primo grafico) e di potenza (nel secondo grafico) con cui sono state realizzate le lavorazioni.
68 I grafici mostrano un andamento generalmente crescente con la densità di energia.
4.6.5. Energia specifica
L’energia specifica ES è stata calcolata come rapporto tra l’energia media del fascio laser e il volume di materiale asportato, che, semplificando, risulta essere pari alla potenza media del fascio laser fratto il MRR
Fig. 4.26 – Material Removal Rate in funzione della densità di energia per diverse velocità tangenziali e potenze medie del laser
0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0 2 4 6 8 10 12 MR R [ m m 3 /s ] Densità di energia [J/mm2] 25 50 75 Velocità [mm/s] 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 0 2 4 6 8 10 12 MR R [ m m 3 /s ] Densità di energia [J/mm2] 5 4 3 2 1 Potenza [W]
69
= = =
dove è il diametro della traiettoria seguita dal laser.
In figura 4.27 sono riportati i grafici dell’andamento dell’energia specifica in funzione della densità di energia, mettendo in evidenza i valori di velocità di avanzamento (nel primo grafico) e di potenza (nel secondo grafico) con cui sono state realizzate le lavorazioni.
Fig. 4.27 – Energia specifica in funzione della densità di energia
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 2 4 6 8 10 12 En e rg ia s p e ci fi ca [ J/ m m3 ] Densità di energia [J/mm2] 25 50 75 Velocità [mm/s] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 2 4 6 8 10 12 En e rg ia s p e ci fi ca [ J/ m m3 ] Densità di energia [J/mm2] 5 4 3 2 1 Potenza [W]
70 Dal primo grafico si può osservare che si ha energia specifica più bassa per le lavorazioni realizzate a bassa velocità di avanzamento (25 mm/s). Questo può essere dovuto al fatto che, con velocità più basse, il fascio laser insiste di più nella stessa zona, asportando materiale più in profondità; la creazione di una geometria a forma di gola potrebbe quindi “intrappolare” maggiormente il fascio laser, riducendo la riflettività del materiale e quindi favorendo l’assorbimento dell’energia. Una maggiore energia assorbita rispetto a quella riflessa porterebbe a una maggiore quantità di materiale asportato a pari energia del fascio, e quindi a minore energia specifica.
Dal secondo grafico invece si vede che i valori ottenuti per potenze più basse mostrano una minore energia specifica di asportazione. Quindi si ha una minore efficacia dell’asportazione del materiale per ablazione con l’aumento della potenza media del fascio laser, cioè con impulsi laser di contenuto energetico più alto.
4.6.6. Modello per il calcolo di larghezza e profondità
Nella prospettiva di poter utilizzare la lavorazione laser come microfresatura utilizzando la signola traccia laser come elemento base per l’asportazione del materiale, sulla base dei dati sperimentali raccolti, è stato creato un modello per prevedere la larghezza e la profondità della traccia in funzione dei parametri di lavorazione.
Quando il fascio laser colpisce la superficie della piastrina, la densità di energia E si distribuisce all’interno di essa con una legge del tipo
=
dove:
= raggio convenzionale del fascio laser nel punto di impatto con la superficie; = profondità alla quale la densità di energia si è ridotta di un fattore 1/e;
= valore massimo della densità di energia esprimibile, in funzione della potenza assorbita del fascio (1 ), con R rilettività e W potenza media, dal raggio convenzionale ro e dalla
velocità di avanzamento va, in caso di laser con distribuzione energetica gaussiana (TEM0,0)
71 In questo modello, dato l’utilizzo di un laser ad impulsi ultracorti (800 fs), si ipotizza che il materiale venga asportato per ablazione quando la densità di energia nel pezzo supera un valore di energia di soglia Ec (energia critica). È quindi possibile ricavare il luogo dei punti in cui
l’energia fornita dal laser supera Ec imponendo
= = =
Sostituendo nell’espressione della densità di energia si ottiene
2
+ =
Si ottiene pertanto una sezione di materiale asportato di forma parabolica con larghezza L e profondità H (fig. 4.28) ricavate imponendo
= 0 = 2
= 0 =
Con i dati sperimentali precedentemente ottenuti sono stati quindi fatti due best fit con IGOR PRO, uno per la larghezza e uno per la profondità, inserendo come funzioni le espressioni di L e H ricavate. In entrambi i casi è stato fissato un valore di riflettività del materiale pari a 0,65 (fig. 4.29) [23].
Dal best fit è quindi possibile ricavare dei valori per l’energia critica e la distanza di penetrazione.
72 In figura 4.30 sono mostrate le curve di best fit ricavate per larghezza e profondità
Fig. 4.29 – Riflettività [23] 30 40 50 60 70 80 90 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 R if le tt ivi tà [ % ] Lunghezza d'onda [ m]
Fig. 4.30 – Fitting di profondità e larghezza 12 10 8 6 4 2 0 10 8 6 4 2 0 Densità di energia [J/mm²] Coefficienti Dp = 0.0032448 r = 0.65 Ec = 0.36814 25 20 15 10 5 0 10 8 6 4 2 0 Densità di energia [J/mm²] Coefficienti r = 0.65 Ec = 0.34413
73 Il valore di distanza di penetrazione Dp ricavato dal grafico della profondità risulta essere pari a
0,00324 mm. Per quanto riguarda invece l’energia critica Ec sono stati ricavati due diversi valori,
uno dal grafico dell’altezze (0,37 J/mm2) ed uno dal grafico della larghezza (0,34 J/mm2). Si può dunque ipotizzare un valore medio dell’energia critica pari a 0,35 J/mm2.
Per quanto riguarda la larghezza, i valori per densità di energia più bassa possono essere sottostimati dal modello, in quanto nelle prove si ha una traccia laser di limitata estensione, che risulta essere dello stesso ordine di grandezza delle rigature della rugosità di lavorazione delle piastrine; questo può quindi aver indotto sovrastima della misura della traccia.
4.7. Strutture periodiche
Dalle immagini dei provini al microscopio elettronico a scansione SEM è stato possibile individuare sulla superficie lavorata dal fascio laser diverse strutture periodiche:
LIPSS, Laser Induced Periodic Surface Structure, dell’ordine di grandezza del µm Macrostrutture, dell’ordine di grandezza di decine di µm
Sono state quindi realizzate delle scansioni con lo SHFM per caratterizzare le diverse tipologie di struttura.
4.7.1. Laser Induced Periodic Surface Structure
Le strutture periodiche rilevate dalle immagini del SEM sono di due tipologie: Struttura a bolle
Struttura a onde
La struttura a bolle è caratterizzata da una superficie ricoperta da una texture puntiforme, omogenea; questa struttura non presenta una direzione privilegiata o un orientamento preferenziale, ma appare isotropa.
In figura 4.31 sono mostrate le immagini SEM, realizzate a diversi ingrandimenti, della struttura a bolle.
74 Fig. 4.31 – Immagini al microscopio SEM dei LIPSS a bolle (G11-1)
75 La topografia acquisita dallo SHFM nella stessa zona è mostrata in figura 4.32.
76 La struttura a onde è invece caratterizzata da una superficie ricoperta da una tessitura allungata; questa struttura è caratterizzata dal elementi allungati, grossolanamente paralleli tra loro e con la dimensione massima ortogonale alla direzione della velocità di avanzamento del fascio laser. In figura 4.33 sono mostrate le immagini SEM, realizzate a diversi ingrandimenti, della struttura a onde.
77 La topografia acquisita dallo SHFM nella stessa zona è mostrata in figura 4.34.
È stata quindi analizzata la periodicità delle strutture; partendo dalle immagini SEM (in particolare su immagini a 1500x, 5000x, 10000x) di ciascuna prova, sono stati ricavati dei profili di linea (ortogonale alle strutture nel caso delle onde) come in fig. 4.35.
78 Il valore di profondità presente nel grafico del profilo in fig. 4.36 è un valore puramente arbitrario; l’immagine del microscopio SEM infatti non permette di conoscere la topografia della superficie: l’intensità del livello di grigio dell’immagine non è infatti proporzionale alla profondità dei vari punti sulla superficie. In questo caso però non è interessante la misura di profondità, ma la spaziatura delle strutture per calcolarne la periodicità
È stata quindi eseguita una Fast Fourier Trasform (FFT) con IGOR PRO per ricavare le periodicità presenti nel profilo (fig. 4.37).
Fig. 4.35 – Acquisizione profilo da immagine microscopio SEM
Fig. 4.36 –Profilo da immagine microscopio SEM
6 5 4 3 2 1 0 12 10 8 6 4 2 0 Profilo [µm]
79 In tabella 4.6 sono riepilogate, per ciascuna prova, le strutture presenti; si può notare che in alcuni campioni si ha la presenza di entrambe le strutture (fig. 4.38).
Fig. 4.37 –Fast Fourier Trasform del profilo, con indicazione delle principali periodicità osservate 10 2 4 6 8 100 2 4 6 8 1000 5 4 3 2 1 0 Frequenza spaziale [1/µm] 0.71 µm 0.80 µm
80 Nel grafico in figura 4.39 sono riportati i valori delle periodicità calcolate, in funzione della densità di energia a partire dalle immagini SEM; si può notare che i risultati si addensano su due valori significativi:
1,5 µm per la struttura a bolle (indicatori vuoti) 0,7 µm per la struttura ad onde (indicatori pieni)
La periodicità delle strutture è risulta essere molto prossima alla lunghezza d’onda del laser utilizzato, pari a 1552 nm, nel caso delle bolle, mentre della metà della lunghezza d’onda nel caso delle onde.
Piastrina e campione n° Potenza media [W] Velocità tangenziale [mm/s] Densità di energia [J/mm2] Tipo di struttura G1-1 5 25 10 Onde G1-3 5 50 5 Bolle G1-6 5 75 3,33 Bolle G4-4 4 25 8 Onde G4-3 4 50 4 Bolle + Onde G4-1 4 75 2,67 Bolle G7-3 3 25 6 Onde G7-2 3 50 3 Bolle + Onde G7-1 3 75 2 Bolle G9-3 2 25 4 Onde G9-2 2 50 2 Bolle + Onde G9-1 2 75 1,33 Bolle G11-3 1 25 2 Bolle + Onde G11-2 1 50 1 Bolle G11-1 1 75 0,67 Bolle
81 Osservando la tab. 4.6, si può notare che le strutture a bolle sono presenti solo al di sotto di un valore di soglia della densità di energia, minore di 5 J/mm2, mentre le strutture ad onde possono essere presenti per tutti i valori di densità di energia presi in considerazione.
Questo può essere visto come un effetto dell’accumulo di energia incidente sulla superficie, che porta all’evoluzione della stessa verso la struttura ad onda, quando l’energia depositata sulla superficie supera un certo livello, in accordo con [21].
La struttura a onde risulta essere presente in particolare nei casi con velocità di 25 mm/s mentre la struttura a bolle per le velocità di 75 mm/s. La velocità di 50 mm/s presenta invece una situazione di transizione, con presenza di entrambe le strutture anche all’interno di una stessa lavorazione, in particolare nelle pareti laterali della marcatura, come in figura 4.37. Anche queste considerazioni sono in accordo con l’accumulo di energia della superficie, in quanto con velocità più basse, l’energia depositata risulta più elevata e quindi la struttura dei LIPSS risulta essere più “evoluta”.
Essendo la frequenza degli impulsi laser fissa a 100 kHz, a ciascuna velocità corrisponde una diversa spaziatura tra gli impulsi:
25 mm/s 1 impulso ogni 0,25 µm 50 mm/s 1 impulso ogni 0,50 µm 75 mm/s 1 impulso ogni 0,75 µm
Fig. 4.39 –Periodicità in funzione della densità di energia
0 0,5 1 1,5 2 0 2 4 6 8 10 12 Pe ri o d ici tà [ m ] Densità di energia [J/mm2] 25 25 50 50 75 75 Velocità [mm/s] Onde Bolle
82 È evidente però che la distanza tra due impulsi successivi non corrisponde alla periodicità dei LIPSS: infatti alla velocità di 75 mm/s, corrispondente a 1 impulso ogni 0,75 µm, si hanno solo strutture di tipo circolare, che presentano periodicità di circa 1,5 µm.
Un altro modo per evidenziare questo è valutare la frequenza in kHz dei LIPSS. Nel grafico in figura 4.40 sono infatti riportate le frequenze in kHz relative alle periodicità, in funzione della densità di energia, dove la frequenza può essere definita come:
= à [ / ]
à [ ] [ ]
In questo modo si è legata la periodicità alla velocità di avanzamento del fascio laser. Si può notare che strutture dello stesso tipo compaiono con frequenze diverse, non coincidenti con la frequenza degli impulsi.
È stata infine calcolata la sovrapposizione degli impulsi laser (overlap) come:
= 1 × 100 [%]
dove:
Fig. 4.40 –Frequenza in funzione della densità di energia
0 20 40 60 80 0 2 4 6 8 10 12 F re q u e n za [ kH z] Densità di energia [J/mm2] 25 25 50 50 75 75 Onde Bolle Velocità [mm/s]
83 = velocità di avanzamento del fascio laser [mm/s]
= frequenza degli impulsi [kHz] = diametro del fascio laser
L’overlap risulta essere elevato e simile numericamente per tutte e tre le velocità utilizzate, in particolare:
25 mm/s 98,75 % 50 mm/s 97,5 % 75 mm/s 96,25 %
Il grafico in fig. 4.41 evidenzia che la struttura a onde è presente per il valore di overlap più elevato, mentre con overlap di 96,25% si ha la sola struttura a bolle.
4.7.2. Macrostrutture
Le macrostrutture rilevate dalle immagini del SEM sono di due tipologie (fig. 4.42 e 4.43): Struttura a tasche
Struttura a buchi
Fig. 4.41 –Periodicità in funzione dell’overlap
0 0,5 1 1,5 2 0,95 0,9625 0,975 0,9875 1 Pe ri o d ici tà [ m ] Overlap 25 25 50 50 75 75 Velocità [mm/s] Onde Bolle
84 Fig. 4.42 –Struttura a tasche
85 Le due strutture sono presenti pressoché esclusivamente nei campioni evidenziati in fig. 4.44; queste conformazioni compaiono nelle prove realizzate con velocità di 25 mm/s, dove le strutture hanno prevalentemente uno sviluppo a onde.
La struttura a tasche è presente nelle prove con più alta densità di energia; le tasche appaiono su tutta la traiettoria della lavorazione, in particolare sul fondo della stessa (fig. 4.45 e 4.46).
Fig. 4.44 – Struttura a buchi (blu) e a tasche (rosso)
0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 Al te zza [ m ] Densità di energia [J/mm2] 25 50 75 Speed [mm/s]
86 Dalla scansione dello SHFM eseguita sul fondo della lavorazione (fig. 4.47) emerge che quelle che sembrano tasche nelle immagini SEM sono una sorta di “gradini” di altezza di circa 1 µm; si può notare inoltre che i LIPSS sono presenti su tutta la superficie, anche in prossimità della discontinuità.
Fig. 4.45 –Struttura a tasche
87 Anche la struttura a buchi risulta essere presente su tutta la traiettoria della lavorazione (fig.4.48 e 4.49).
88 Per l’analisi di questo tipo di struttura è stata eseguita una scansione di 70x70 µm di un arco della lavorazione per valutare l’andamento topografico del fondo (fig. 4.50)
Fig. 4.48 –Struttura a buchi
89 Fig. 4.50 – Mappe dello SHFM (vista 2D e 3D) della struttura a buchi (G9-3)
90 È stato ricavato quindi un profilo di linea seguendo l’andamento della traiettoria del laser (fig. 4.51); come si può vedere dal grafico in figura 4.52, dal profilo si nota una alternanza di picchi e valli che sembrerebbero presentare una periodicità intorno ai 20 µm e 10 µm. Il profilo risulta essere piuttosto variabile, con una variazione di altezza, nel caso esaminato, nell’ordine di grandezza del µm.
Sono state inoltre realizzate delle scansioni più piccole per entrare nel dettaglio delle microstrutture presenti, in particolare nelle zone di fondo della lavorazione; partendo dalla zona della scansione di 70x70 µm, si è effettuato uno zoom nella zona all’interno del buco e in una zona a cavallo tra due buchi successivi (fig. 4.53).
Da queste scansioni ad alto ingrandimento è possibile evidenziare che i LIPSS sono presenti su tutta la superficie della lavorazione, sia sul fondo che sul crinale tra due buchi.
Fig. 4.51 –Profilo lungo la traccia del laser
Fig. 4.52 –Profilo lungo la traccia del laser
4 3 2 1 0 70 60 50 40 30 20 10 0 Profilo [µm]
91 Infine è stata valutata la periodicità di queste strutture, sia tasche che buchi, andando a fare la FFT di profili ricavati dalle immagini SEM delle lavorazioni (analogamente a quanto fatto per i LIPSS nel paragrafo 4.7.1); i profili sono stati ricavati sia dalle immagini a 250x che da immagini a 1500x (fig. 4.54).
Nel grafico in figura 4.55 sono riportate le periodicità evidenziate dalle FFT dei profili: non è stato possibile ricavare una periodicità dominante ma vengono mostrati numerosi picchi (fig. 4.56).
Questo può essere stato causato dalla scarsa risoluzione delle immagini SEM ad ingrandimento relativamente basso che non consentono una adeguata estrazione dei profili di linea.
Fig. 4.53 – Zone di scansione
92 Fig. 4.55 – Periodicità macrostrutture
0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 Pe ri o d ici tà [ m ] Densità di energia [J/mm2]
Fig. 4.56 – Fast Fourier Trasform
10 2 4 6 8 100 2 4 6 8 1000 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Frequenza spaziale [1/µm] 23.44 µm 10.05 µm 5.86 µm 2.93 µm
