5. Prove preliminari per la realizzazione di cavità

5. Prove preliminari per la realizzazione di cavità

5.1 Premessa

In questo capitolo verranno descritte le prove finali di messa a punto del processo di vaporizzazione laser per strati successivi; sfruttando i dati sperimentali ottenuti nelle fasi precedenti si procederà alla realizzazione di cavità di caratteristiche geometriche (come spigoli vivi e profili complessi) tali da non essere ottenibili mediante tecniche convenzionali di asportazione di materiale. I parametri ottimali, scelti attraverso osservazioni sperimentali nel cap. 4, verranno collaudati attraverso la realizzazione di alcuni stampi, ricavati all’interno dei blocchetti di PMMA, nei quali verrà successivamente colata della resina siliconica; i prototipi, ottenuti dalla solidificazione della resina, dovranno ricopiare le caratteristiche geometriche dell’interno delle forme lavorate.

5.2 Risoluzione del processo

Nel cap.4 si è dimostrato come per ottenere una dipendenza lineare della profondità delle cavità, ottenute asportando più strati, compatibilmente con un sufficiente grado di finitura superficiale, si dovessero utilizzare passi di scansione appartenenti all’intervallo ps

=[150-200-250]µm. Adottando il valore medio di ps=200µm (congiuntamente a Pin=50W, v=500mm/s, f=200mm) 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).

Con il presente stato delle conoscenze, si vuole ora determinare quale sia l’estensione minima, di un singolo strato, realizzabile attraverso la vaporizzazione laser, ovvero si vogliono investigare i limiti al di sotto dei quali non esiste più corrispondenza tra la superficie impostata sul programma CAD-MARK e lo strato asportato sul PMMA; tali valori geometrici dipenderanno essenzialmente dal diametro dello spot del fascio laser e dai parametri di

processo impostati. Per far questo è stata predisposta una nuova serie di prove che prevede la vaporizzazione sulla superficie del blocchetto di PMMA, di un layout costituito da 9 quadrati, di lato variabile, disposti, come in fig.5.1.

1 2 3 4 5 6 10 12

Superficie del blocchetto

8

D

=0,7mm

Fig. 5.1 Layout delle prove; i numeri in verde indicano le dimensioni del lato in (mm)

Ad ogni quadrato viene assegnata, dal programma CAD-MARK, una PEN (penna) di un determinato colore; per attivare la scansione del solo quadrato di lato 12mm, ad esempio, si impostano i parametri di processo per la PEN di colore corrispondente, assegnando a tutti gli altri colori il valore di Pin=0W. In questo modo si riesce ad ottenere l’asportazione (mediante

due passate incrociate) di un quadrato alla volta, pur avendo impostato un layout, proveniente da disegno AUTO-CAD, che comprende tutti i quadrati; se non si prendesse questo accorgimento, si otterrebbe la scansione di tutte le figure lungo una prima direzione, ed il tempo di raffreddamento teorico tra le due scansioni ( [15-20]s ), risulterebbe notevolmente maggiorato.

La vaporizzazione del layout è stata ripetuta 3 volte variando il passo di scansione nell’intervallo ps=[150-200-250]µm; si è voluto, dunque, determinare per quale dei tre passi si

riesce ad ottenere la corrispondenza migliore tra figura impostata ed impronta realizzata, al diminuire delle dimensioni dello strato lavorato. La profondità delle impronte quadrate è stata rilevata utilizzando il comparatore di fig.5.2 (la cui precisione vale 1/100 mm), mentre le caratteristiche geometriche sono state misurate utilizzando un sistema di visione artificiale costituito da una telecamera digitale con ingrandimento di (50:1) e da un sistema di illuminazione ; posizionando il blocchetto su una tavola portapezzo munita di doppia slitta

micrometrica, ed utilizzando un sistema di misurazione basato sulla differenza tra le quote rilevate sui micrometri (come già effettuato con il proiettore di profili), è stato possibile ottenere una precisione dell’ordine di (1/100) mm.

Fig. 5.2 Misurazione della profondità degli strati attraverso comparatore

Dall’esame della superficie ottenuta per vaporizzazione è inoltre possibile desumere se vi sia stato un effetto di penetrazione disuniforme causato dal rammollimento del polimero; questo fenomeno dovrebbe risultare più marcato nel caso di quadrati di piccole dimensioni, dove il calore rimane concentrato in un’area ridotta ed ha, in proporzione alle superfici più estese, una minor possibilità di scambio termico con l’ambiente esterno.

0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Lato del quadrato (mm)

Profondità (mm)

p=250µm p=200µm p=150µm

La profondità dei quadrati di lato pari ad 1mm, non rilevabile direttamente con l’uso del comparatore a causa delle dimensioni eccessive del tastatore (raggio di raccordo r=1,25mm), richiederebbe l’utilizzo di un diverso strumento di misura; in nessuno dei tre casi in esame si è però ritenuto opportuno effettuarne la misurazione in quanto, attraverso l’ingrandimento del sistema di visione, non si è riscontrata la benché minima corrispondenza tra il quadrato impostato e l’impronta ottenuta. Dalla fig. 5.1 si desume infatti che, valendo il diametro del fascio laser DSPOT=0,7mm nel punto di focalizzazione, non è possibile realizzare strati, con un contorno qualsiasi, la cui estensione sia confrontabile con la sezione dello spot.

Esaminando i tracciati si nota che per ps=150µm i valori delle profondità presentano oscillazioni attorno al valore di 0,57mm, già rilevato nelle prove precedenti con il proiettore di profili, di entità superiore a quelle individuate per passi di scansione minori; questo effetto è dovuto alla presenza di una rugosità superficiale più marcata che influenza le rilevazioni effettuate con il comparatore. Si nota inoltre che per ps=150µm le profondità degli strati corrispondenti ai quadrati di lato 2mm e 3mm risultano più elevate; attraverso l’ingrandimento, tramite telecamera digitale (fig.5.3), si è potuto notare, dalla presenza di increspature e corrugamenti, che la seconda passata ha vaporizzato una superficie di consistenza gommosa e plasmabile, causando un incremento della profondità di penetrazione. Il fatto che tale fenomeno si sia manifestato durante l’asportazione di strati di dimensioni ridotte è facilmente comprensibile se si considera il fatto che il raggio laser, durante la scansione, è rimasto all’interno di una superficie talmente piccola da non consentire alcuna possibilità di raffreddamento delle zone appena lavorate.

Fig 5.3 Quadrati di lato: (a) L=2mm; (b) L=3mm (Pin=50W, v=500mm/s, f=200mm, ps=150µm)

Nonostante la profondità dello strato risulti, quindi, maggiorata, le caratteristiche geometriche della figura impostata sono, comunque, buone e confrontabili con i rispettivi quadrati ottenuti con gli altri due valori del passo di scansione. Utilizzando il sistema di misura che sfrutta gli spostamenti relativi della tavola micrometrica, si è potuto rilevare una misura del lato L=(2,15+0,01)mm ed un raggio di raccordo (approssimativo) agli angoli pari ad r=0,6mm; il leggero aumento della dimensione del lato L è dovuto all’incertezza nell’identificare il bordo esterno della figura a causa del gioco di luce ed ombra determinato dalle asperità fuse lungo il contorno.

Per valori del passo di scansione pari a ps=[200-250]µm si riscontrano profondità costati ed uniformi su tutta la superficie degli strati ma, anche in questi casi, il valore limite oltre il quale non esiste più correlazione tra la geometria della figura impostata e l’impronta generata dal fascio laser, corrisponde al quadrato di lato L=2mm.

Si può quindi affermare che nel processo di asportazione strato per strato, allo scopo di ottenere un solido qualsiasi, la dimensione caratteristica dello strato più piccolo realizzabile (in termini di estensione superficiale), vale L=2mm. Sotto tale valore il processo di vaporizzazione selettiva perde significato in quanto non risulta possibile riprodurre le caratteristiche geometriche che distinguono la figura impostata da una semplice impronta circolare.

5.3 Implementazione dell’operazione di slicing

Attraverso, il programma CADMARK, che gestisce il sistema di marcatura laser, presente sul PC1, (a sinistra in fig.5.4), è possibile disegnare direttamente la sezione da asportare sul PMMA, solo se questa è caratterizzata da forme semplici come rettangoli, cerchi ed ellissi. Forme complesse possono, invece, essere prodotte con software tipo AUTOCAD o similari, purché specializzati con formato HGPL; tali software, pur non essendo parte del sistema, possono generare disegni che, se acquisiti in formato opportuno, possono essere utilizzati sullo stesso PC1. Si dovrà dunque, provvedere a salvarli con estensione QPL, cioè l’unico formato leggibile dal CADMARK, utilizzando i programmi di conversione presenti nel PC2 (a destra in fig. 5.4).

Dovendo realizzare elementi a profilo variabile, si è riscontrata la difficoltà oggettiva di dover cambiare la sezione dopo un numero limitato di strati in maniera manuale (cioè disegnandola con un CAD, cambiandole formato, trasferendola fisicamente, tramite floppy disk, sul PC1 e ed impostando nuovamente i parametri di processo).

Fig.5.4 Elementi di controllo della macchina; da sinistra: C.N. GOYA (gestisce i movimenti

della piattaforma mobile sulla quale è riferito il materiale), ALIMENTATORI (TEKO 383 alimenta il C.N. ed il KERT alimenta gli I/O digitali, il segnalatore luminoso e i dispositivi di

sicurezza), PC 1, PC 2.

La modalità di acquisizione diretta della geometria della sezione da vaporizzare prevede, dunque, l’utilizzo, sul programma CADMARK, del comando DISEGNO con il quale è possibile realizzare semplici disegni di forme come rettangoli, cerchi , linee, punti, ellissi etc.;

• una volta disegnata la figura, per apportare qualsiasi modifica bisogna prima di tutto cliccare su SELEZIONA e quindi cliccare su OGGETTO;

• selezionato l'oggetto si può cliccare su MODIFICA e apportare la modifica desiderata (come ad esempio una variazione delle dimensioni di una sezione già impostata, ecc.); • un'identica procedura è valida anche per il riempimento, che conferisce orientamento e

passo di scansione; una volta selezionato l'oggetto, si seleziona MODIFICA ed in seguito RIEMPI; il programma richiede, quindi, di determinare l'offset cioè la spaziatura tra le linee di riempimento che costituisce il valore del passo di scansione. Tale valore, come si è già detto, è un multiplo intero di 25µm presente nel menù

OPZIONI alla voce RIEMPIMENTO.

Per sopperire a questi numerosi passaggi che causano un eccessivo tempo di processo, può essere utilizzato un add-on chiamato DRAGONZ (installato sul PC1) che, interagendo con il

CADMARK e l'AUTOMATICOBACH (presente sul PC2), consente di leggere in sequenza una serie di sezioni diverse, secondo l'ordine stabilito dall'utente.

Tramite il DRAGONZ si possono regolare i parametri della lavorazione per ogni singola sezione senza passare attraverso il CADMARK in quanto una parte del programma riprende le stesse istruzioni. I vantaggi di questo programma sono:

- la riduzione notevole del numero di operazioni effettuate dall'utente;

- il poter stabilire a priori per ogni sezione la quantità di strati realizzabile, cioè lo spessore di una data sezione.

In questo modo sarà possibile disegnare il solido tridimensionale (che rappresenta in positivo la cavità da realizzare per vaporizzazione) su di un programma CAD, in un ambiente esterno al CADMARK, ed effettuare, in modo automatico, l'operazione di slicing del solido così da ottenere un insieme di strati pronti ad essere asportati. Questa modalità di acquisizione indiretta della serie di strati generati, necessita, per completare l’automazione del processo di asportazione, di un programma che riesca, data una figura solida 3D, a determinarne tutte le sezioni purché ortogonali ad un asse di riferimento (l’asse Z del programma).

Il software in questione (MAGICS RP, installato sul PC2), associato ad opportuni tools di contorno (contour tools), riesce, infatti, a creare un qualunque oggetto tridimensionale partendo da elementi solidi dalla geometria semplice, come per esempio i cilindri, i coni, i parallelepipedi etc. e facendoli interagire tramite alcune semplici funzioni booleane, quali l’unione, la sottrazione, l’intersezione.

Il MAGICS utilizza essenzialmente file di tipo STL, che è l’abbreviazione per Standard

Triangulation Language. I file in oggetto si basano sul principio che un oggetto viene visto

come un insieme di facce ed ogni faccia può essere descritta mediante una serie di triangoli. Secondo la modalità di acquisizione indiretta, le sezioni generate dal programma MAGICS, il cui spessore è funzione della profondità degli strati ottenibili con una determinata combinazione dei parametri di processo, devono essere riordinate secondo una sequenza logica dal programma DRAGONZ che provvederà inoltre ad abbinarvi i parametri di processo stabiliti. Tutti queste informazioni vengono successivamente trasferite al programma VADMARK che imposta: i cicli di lavoro dell’alimentatore (potenza), la velocità di rotazione degli specchi (velocità di scansione), il passo di scansione ed i tempi di ON/OFF del segnale di scarica.

Si dovrà, dunque, procedere alla stesura di un programma di lavorazione (in codifiche ISO) che consenta di effettuare i cicli di vaporizzazione, secondo la procedura sperimentata, di ognuna delle sezioni ottenuta dallo slicing automatico del solido impostato.

5.4 Realizzazione delle cavità

Al termine di questo studio teorico-sperimentale, nel quale è stato sviluppato un metodo per l’asportazione selettiva di materiale mediante vaporizzazione laser, si vogliono evidenziare le potenzialità di questa tecnica innovativa nella realizzazione di cavità all’interno del polimero fin qui utilizzato.

I parametri di processo utilizzati corrispondono ai valori ottimali dedotti dalla sperimentazione fin qui sviluppata, ovvero:

• Pin=50W;

• v=500mm/s • f=200mm; • ps=200µm.

Dal momento che questa fase preliminare di realizzazione delle cavità è servita essenzialmente a collaudare il processo sviluppato attraverso il perfezionamento di modelli teorici man mano più complicati, l’aspetto tecnologico che riguarda l’automazione, finalizzata ad aumentare la rapidità di realizzazione degli stampi di colata, è stato rimandato ad una futura analisi che potrà riguardare l’ottimizzazione del procedimento di asportazione selettiva per strati, fin qui sperimentato.

L’acquisizione della geometria degli strati da asportare è stata, dunque, effettuata “manualmente” in modalità diretta, sfruttando le unità base presenti sul programma CADMARK o, al massimo, importando disegni realizzati in ambiente CAD esterno all’apparato sperimentale.

Per quanto riguarda la gestione dell’asse Z (asse di traslazione della piattaforma mobile), al termine della vaporizzazione di ogni strato, la superficie appena lavorata viene riportata alla corretta distanza focale attraverso comandi manuali, imposti in codifiche ISO, scritti direttamente sul programma BACH installato sul PC 2. Il numero degli strati da realizzare è funzione dello spessore di un generico strato, ottenibile con i parametri di processo impostati (si ricorda che con i valori scelti ad inizio paragrafo DSTRATO=0,31mm); la precisione dimensionale con la quale si riesce a realizzare una cavità con profondità Dteorico , dipende dal

metodo di approssimazione scelto per determinare il numero N di strati necessari. Qualora, infatti, il rapporto (Dteorico/DSTRATO) non fornisca un valore intero, si deve scegliere se arrestare

il processo all’intero precedente o al successivo. Nella realizzazione delle cavità, illustrate di seguito, il numero (N) degli strati da vaporizzare viene approssimato per difetto qualora la prima cifra decimale del rapporto (Dteorico/DSTRATO) risulti minore od uguale a 5, e per eccesso

in caso contrario. La procedura sviluppata può essere facilmente tradotta in un algoritmo matematico da inserire in un loop iterativo per la stesura di un programma a controllo numerico: ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ × ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − =int int 10 STRATO teorico STRATO teorico D D D D Err (5.1) se Err≤5 allora _⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = STRATO teorico D D N int , mentre se Err>5 allora _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = int 1 STRATO teorico D D N .

In questo modo lo scostamento massimo causato con tale sistema di approssimazione (per

Err=5)vale 0,155mm, ovvero la metà della profondità di asportazione (DSTRATO=0,31mm); la

situazione generica viene rappresentata in fig.5.5.

Err>5

Err<5

Dteorico

teorico+0,124

Dteorico-0,155

Fig.5.5 Campi di escursione della profondità (Dteorico) a seconda del valore di Err=[1; 9]

L’importanza del sistema di aspirazione si fa sentire in modo più marcato durante la realizzazione di cavità profonde (oltre 20-30mm), in quanto i fumi di monomero che si sviluppano a seguito della vaporizzazione, tendono a depositarsi sui fianchi appena lavorati formando concrezioni che alterano la geometria dell’impronta. Nonostante che tali depositi siano facilmente rimovibili per scalfittura ed abrasione si è cercato di perfezionare il sistema di evacuazione delle polveri in modo da ottenere, al termine del processo, un prodotto che non

debba subire fasi ulteriori di finitura; così facendo, infatti, si agirebbe in contrasto con la definizione stessa di prototipazione rapida che prevede la realizzazione, in un lasso di tempo ridotto, del modello richiesto.

Al fine di captare più efficacemente i fumi liberati dalla vaporizzazione, la sezione di imbocco della cappa aspirante è stata ridotta usando un tubo flessibile (Φint=10mm), opportunamente vincolato in modo da non deformarsi sotto la spinta del flusso d’aria, da applicare in prossimità dell’apertura della cavità. In questo modo, avvicinando la bocca di aspirazione alla zona di taglio ed aumentando la velocità di captazione (oltre 80m/s), il tempo di permanenza dei fumi in prossimità della zona di lavoro risulta più breve e minori sono le possibilità di contaminazione dei bordi di taglio.

Utilizzando questi accorgimenti, si è proceduto alla realizzazione di alcune cavità, le cui particolari caratteristiche geometriche (come la presenza di spigoli vivi o profili complessi) rendono impossibile l’impiego delle tecniche convenzionali per asportazione di truciolo. Sono state realizzati:

1) un parallelepipedo;

2) un prisma avente come base una stella a 5 punte; 3) piramide avente come base una stella a 15 punte; 4) un solido a sezione ellittica e profilo iperbolico.

All’interno di queste cavità è stato colato del silicone per ottenere, a solidificazione avvenuta, il prototipo corrispondente; l’elevata elasticità di questa resina consente una facile estrazione del prototipo dagli stampi in PMMA attraverso l’utilizzo di un getto di aria compressa proveniente dal servocondotto dell’officina. Qualora il prototipo dovesse avere, per necessità successive, una consistenza superiore a quella raggiungibile con il silicone, all’interno delle cavità possono essere colate resine con caratteristiche diverse. Le prove effettuate hanno compreso l’utilizzo di resine siliconiche, poliuretaniche, ed epossidiche (termoindurenti); nel secondo caso si è riusciti, anche se con difficoltà, ad estrarre il prototipo dalla sua forma utilizzando esclusivamente l’aria compressa, mentre nel caso di resine termoindurenti si è dovuto fare ricorso a tre perni estrattori (Φ=5mm) inseriti in fori ricavati sulla faccia opposta alla cavità. La reazione di reticolazione tridimensionale tra le catene polimeriche, durante il processo di solidificazione, causa un lieve aumento di volume del getto che va a forzare contro le pareti della cavità rimanendovi incastrato; l’azione meccanica, dovuta alla spinta dei perni, provoca il primo distacco dal fondo della cavità e può successivamente essere sostituita dall’azione dell’aria compressa, onde evitare di danneggiare il prototipo. Dal punto di vista della difficoltà

di estrazione la resina siliconica è, dunque, preferibile, mentre la epossidica è quella che conferisce al prototipo le migliori caratteristiche meccaniche.

Il primo prototipo, un parallelepipedo, è stato realizzato colando la resina siliconica all’interno di una cavità ottenuta per asportazione di una successione (N=32) di strati quadrati, con lato L=30mm; la profondità della cavità vale dunque, Dcavità=9,92mm.

Z

X Y

Fig.5.6 Cavità a sezione rettangolare costante

Il tempo di vaporizzazione di uno strato è fornito da:

(

)

dove i Tscansione X,Y rappresentano i tempi necessari alla completa scansione della figura

parallelamente alle due direzioni principali X ed Y. Tali tempi vengono forniti dal programma CAD-MARK che li computa una volta note le caratteristiche geometriche della figura da scandire e la velocità imposta. Per figure caratterizzate dai medesimi ingombri lungo i due assi, i tempi di scansione coincidono; se, invece, si volesse effettuare la scansione di un rettangolo i due tempi risulterebbero considerevolmente differenti (come già verificato per le cave nel capitolo precedente). Il tempo di raffreddamento supposto pari a (15-20)s serve, inoltre, a cambiare l’orientamento della direzione di scansione e ad alzare (movimento con Z negativa) la piattaforma mobile di una quantità pari alla profondità dello strato, al fine di riportare la superficie alla corretta distanza focale (f=200mm).

Nel caso in esame, valendo Tscansione,X=Tscansione,Y=5,42s , il tempo di vaporizzazione di uno

strato risulta pari a circa TTOT,STRATO=35-40s ; per realizzare l’intera cavità sono dunque stati

L’ottima precisione con la quale il fascio laser riesce a riprodurre i contorni delle figure impostate è dovuta al fatto che il diametro dello spot (Ds=0,7mm) ha dimensioni talmente ridotte da ottenere raggi di curvatura residui trascurabili rispetto alle grandezze caratteristiche della figura. Il grado di finitura superficiale rilevato sul fondo della cavità vale 70µm, ed è quindi, compatibile con i risultati ottenuti nelle analisi precedenti.

Al fine di apprezzare al meglio le potenzialità della vaporizzazione laser nel riprodurre dal pieno dettagli e contorni, altrimenti irrealizzabili con le macchine utensili, è stata creata una seconda cavità a forma di stella a cinque punte; mantenendo invariata la dimensione della figura si è ottenuta un’impronta prismatica avente come base la suddetta stella (fig.5.7) ed una profondità pari a circa 7,5mm (24 strati asportati).

Fig. 5.7 Prototipo a stella e relativo stampo

Dopo l’asportazione dei primi cinque strati, si è notata una lieve seghettatura sui bordi della stella dovuta al fatto che questi ultimi risultano obliqui rispetto alle direzioni di scansione; ogni volta che il fascio arriva in prossimità dei bordi, prima di essere disattivato dall’alimentatore, sia per il calore residuo che per inerzia degli specchi, continua la sua corsa (circa 1/10 di mm) ed asporta una microscopica porzione del lato inclinato. Per ovviare a questo inconveniente, nei cicli successivi, si è imposta la scansione del contorno della stella in modo da regolarizzare, con una passata parallela ai bordi, le imprecisioni dovute alla vaporizzazione precedente. Come prova successiva per la realizzazione di prototipi si è proceduto ala realizzazione di un solido a sezione variabile; è stata, dunque, realizzata una piramide a tre livelli avente come base una stella a 15 punte, ottenuta dalla sovrapposizione di tre stelle a 5 punte ruotate

reciprocamente di 24°. Il solido ottenuto è caratterizzato da sezioni perpendicolari all’asse Z, le cui dimensioni e geometria variano a seconda della profondità; la profondità di tale impronta piramidale vale 25mm e può essere raggiunta nei due modi illustrati in fig.5.8.

Fig.5.8 Due modi per ottenere la variabilità delle sezioni trasversali: (a) per sovrapposizione di più scansioni; (b) per individuazione delle zone a pari profondità

Secondo le modalità descritte in fig.5.8 si può operare come segue:

a) si effettua la vaporizzazione della prima stella (in azzurro) selezionando la PEN di colore corrispondente e disattivando le restanti due dal programma CAD-MARK; terminata la scansione della prima stella si procede all’asportazione della seconda (in rosso) ed in seguito della terza, sempre secondo la medesima direzione di movimentazione del fascio. Terminate le tre scansioni lungo la prima direzione si incrociano le passate (orientamento ortogonale) e si ripete il processo ottenendo la vaporizzazione di uno strato. In questo modo si rileva un affondamento maggiore (pari a 3DSTRATO) nella zona centrale della figura dove, ad ogni strato, si sovrappongono sei scansioni, un affondamento intermedio (pari a 2DSTRATO) nelle zone che ne subiscono quattro ed infine, nelle punte esterne si ha un affondamento pari alla profondità di un singolo strato.

b) Si divide la figura in zone caratterizzate dalla medesima profondità; nel caso in esame, la zona centrale (interna al contorno blu) ha profondità maggiore, la zona compresa tra i contorni arancio e blu ha profondità intermedia e le punte (contorno rosa) sono, invece, quelle che presentano una penetrazione inferiore. Per ottenere l’impronta a sezione variabile si deve dunque procedere alla vaporizzazione di 81 strati all’interno del contorno blu, di 54 strati nella zona intermedia (compresa tra i contorni blu ed arancio) e di 27 strati nelle estremità. Uno dei vari metodi con i quali può essere ottenuta questa riduzione della sezione, è dato dall’asportazione di 27 strati individuati dal contorno

rosa seguiti da altri 27 delimitati dal contorno arancio, ed infine da 27 strati compresi nel contorno blu. Altre combinazioni di tale procedura possono essere effettuate senza comprometterne l’efficienza.

Il risultato ottenuto utilizzando il metodo (a) è mostrato in fig.5.9; il tempo di scansione dell’intera figura, calcolato dal programma CAD-MARK, risulta pari a 12,31s. Il tempo di lavoro effettivo, necessario per ottenere l’intera impronta, che si ottiene moltiplicando per 27 il tempo che occorre per l’asportazione di un intero strato (due scansioni ortogonali), è stato di circa 11 minuti.

Fig. 5.9 Prototipo piramidale e relativo stampo

La precisione con cui è stata ottenuta l’impronta è stata valutata tramite l’ingrandimento della cavità attraverso la telecamera digitale appartenente al sistema di visione artificiale, già utilizzato in precedenza (fig.5.10).

Fig.5.10 Ingrandimenti (50x) di: (a) spigolo interno della zona centrale e (b) punta esterna della stella

L’ingrandimento dello spigolo interno dell’impronta (appartenente alla zona intermedia) mostra che la modesta defocalizzazione, causata dal metodo di asportazione descritto, non provoca alterazioni significative né nell’inclinazione dei fianchi, né nell’accuratezza con la quale vengono realizzati gli spigoli vivi. In fig.5.10.b viene mostrata, invece, l’estremità esterna della stella; il raggio di raccordo, che lega i due bordi inclinati, misurato con l’ausilio della tavola micrometrica abbinata al sistema di visione, è risultato pari a circa 0,35mm e corrispondente al raggio dello spot del fascio laser.

Non è stato possibile utilizzare il rugosimetro per rilevare la rugosità del fondo dell’impronta in quanto, anche montando il tastatore con lunghezza della punta maggiorata, la profondità della cavità risulta eccessiva. Ad un’analisi grossolana, effettuata con un comparatore, i valori delle oscillazioni rilevate, muovendo lo stampo sotto il tastatore, sono risultate pari a +(30-40) centesimi di millimetro; tale campo di oscillazione è, dunque, compatibile con i valori di Rz(DIN) ottenuti nel capitolo precedente.

Si è voluto, infine, testare l’affidabilità del processo di asportazione, strato per strato, realizzando una cavità le cui sezioni trasversali varino in modo continuo all’aumentare della profondità. In questo modo è stato possibile stimare la risoluzione del metodo di

slicing che consente di approssimare qualsiasi solido attraverso una successione di prismi,

con altezza infinitesima, sovrapposti.

z=1/x x x y z Dimensione minima=2mm 40mm

La cavità realizzata presenta una sezione trasversale ellittica che si riduce all’aumentare della profondità, secondo una legge iperbolica, come mostrato in fig.5.11; tali caratteristiche geometriche rendono l’impronta non realizzabile sulle macchine utensili tradizionali. Qualora si utilizzasse una fresatrice a C.N. sarebbe possibile realizzare una serie di contornature ellittiche lavorando dal pieno, ma il processo di approssimazione per strati della cavità, risulterebbe assai meno preciso a causa della maggior penetrazione dell’utensile nel polimero ed i tempi necessari ad ottenere l’asportazione di un singolo strato aumenterebbero considerevolmente.

Il risultato dell’asportazione per strati successivi, le cui dimensioni sono state dedotte dalla curva impostata (z=1/x) secondo la modalità delineata nella fig.5.11, viene mostrato in fig.5.12 affiancato al relativo prototipo in resina siliconica.

Fig.5.12 Due viste del solido a profilo iperbolico e sezione elittica

Ad ogni innalzamento della piattaforma mobile, pari alla profondità dello strato precedentemente asportato, è stato ridotta l’ellissi di una quantità corrispondente ai decrementi, lungo gli assi X ed Y, determinati dall’iperbole impostata. Tutti i valori sono stati ricavati tramite un foglio elettronico nel quale era stata riportata l’equazione della curva; il procedimento, risultato lungo e laborioso, potrà essere, in futuro, facilmente semplificato utilizzando l’operazione di slicing effettuata sul programma BACH installato sul PC 2.

Dallo spessore dello strato dipendono, dunque, due necessità contrastanti: la risoluzione e la rapidità del processo; una miglior risoluzione può essere ottenuta diminuendo la profondità di asportazione di un singolo strato a discapito della velocità di realizzazione della cavità di colata. La combinazione dei parametri di processo, fin qui utilizzati, fornisce un compromesso tollerabile in termini di risoluzione come si è potuto constatare dal

confronto tra la curva teorica, disegnata su di un programma di calcolo matematico (DERIVE), ed il profilo del prototipo realizzato, ripreso con la telecamera digitale. L’immagine catturata con il sistema di visione artificiale è stata sovrapposta alla curva impostata senza rilevare apprezzabili scostamenti tra i due profili; il fascio laser, infatti, se portato a corretta distanza focale (f=200mm) dalla superficie da lavorare, riproduce fedelmente i contorni impostati senza generare alcun ingrandimento.

Mediante questa serie di esempi pratici, si è dunque dimostrato che il processo di asportazione tridimensionale per vaporizzazione laser è uno strumento flessibile ed efficace per la realizzazione di impronte e cavità all’interno del polimetilmetacrilato. Con il metodo sviluppato è possibile lavorare, quindi, cavità aventi un profilo, lungo l’asse Z, costante o decrescente all’aumentare della profondità; nell’eventualità di dover realizzare impronte caratterizzate dalla presenza di sottosquadri, il processo di asportazione per strati risulta inefficace.