Riassunto analitico
Riassunto
A partire dagli anni '80, i laser ad alta potenza sono entrati a pieno regime nel settore della lavorazione dei materiali grazie alla loro capacità di tagliare, saldare, forare, marcare e rivestire il metallo. Il taglio laser è l’applicazione industriale più comune poiché il laser ha la capacità di tagliare più velocemente e con una qualità superiore rispetto ai processi concorrenti. Le applicazioni per il taglio laser sono molto numerose: taglio di materiali aerospaziali, produzione di prototipi di automobili, costruzione navale, taglio di pannelli di alluminio e dielettrici, taglio della carta, ecc…
Il gas di assistenza svolge un ruolo importante nel taglio laser per espellere la frazione di materiale fusa dal fronte di taglio. L'efficienza di taglio e la qualità del taglio dipendono fortemente dalle caratteristiche dinamiche del getto di gas. Attualmente gli ugelli di taglio laser universalmente utilizzati sono di tipo subsonico e grazie alla versatilità e robustezza rispetto ai parametri di taglio.
In questa tesi, la capacità di utilizzare il laser per il taglio di materiali ad alto spessore è stata studiata investigando come le caratteristiche dinamiche del gas di assistenza migliorino modificando la forma dell'ugello da quella subsonica a quella supersonica. È stato dimostrato che il getto d'uscita dell'ugello supersonico è caratterizzato da una migliore caratteristica dinamica e un'espansione più uniforme in presenza di pressioni di stagnazione elevate rispetto all'ugello subsonico. Perciò; gli ugelli supersonici sono più adatti per il taglio laser di pezzi di elevato spessore.
La modellazione del flusso di gas attraverso diversi ugelli supersonici è stata ottenuta mediante simulazioni con il software open source OpenFOAM. I risultati delle simulazioni proposte sono stati convalidati confrontandoli con le misurazioni sperimentali visualizzate con la tecnica “shadow graph” riportata in precedenti lavori. Queste simulazioni proposte sono state eseguite con condizione operativa di progetto per garantire la massima uniformità del gas di uscita assistita evitando la formazione di fenomeni aerodinamici non desiderabili come l'insorgenza di dischi di Mach associati a condizioni di sotto- e sovra-espansione.
I risultati delle simulazioni proposte mostrano che il gas di uscita dell'ugello supersonico ha caratteristiche dinamiche superiori rispetto a quelle dell'ugello subsonico anche in condizioni operative differenti da quelle di progetto, particolarmente per ugelli con diametro di uscita inferiore a 3 mm.
Sulla base dei risultati delle simulazioni proposte, tre diversi ugelli supersonici sono stati progettati e ottimizzati in tre diverse condizioni operative di progetto desiderate, vale a dire: bassa, media e alta pressione di stagnazione. Le dimensioni di questi ugelli e le condizioni operative sono state specificate secondo la teoria della dinamica dei gas.
Questi tre ugelli supersonici saranno fabbricati utilizzando un sistema di elettroerosione a filo elettrico (EDM) e alla fine della ricerca verranno eseguite diverse misurazioni sperimentali utilizzando la tecnica “shadow graph” per convalidare i risultati di simulazione proposti. Inoltre, diversi esperimenti di taglio laser saranno effettuati utilizzando materiali ad alto spessore.
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Abstract
Abstract
Since the 80’s, high power lasers have entered the material processing industry in full force due to their capability to cut, weld, drill, mark, and clad metal. Laser cutting is the most common industrial applications since laser has the ability to cut faster and with a higher quality than the competing processes. The applications for laser cutting are too numerous namely: cutting aerospace materials, prototype car production, shipbuilding, cutting Alumina and Dielectric boards, cutting paper, etc…
The assisted-gas plays an important role in laser cutting in order to eject melt from the cutting front. The cutting efficiency and cutting quality are strongly depending on the dynamic characteristics of this assisted-gas. Currently the used laser cutting nozzles are of subsonic type thinks to the flexibility and robustness respect parameters.
In this thesis, the capability of using laser for cutting of high thickness material has been investigated by illustrating how the dynamic characteristics of assisted-gas are enhanced by modifying the nozzle shape from subsonic to supersonic one. It has been demonstrated that the exit jet from supersonic nozzle is characterized by better dynamic characterises and expanded more uniformly at high stagnation pressure compared to subsonic nozzle. Therefore; supersonic nozzles are more suitable for laser cutting of thick work-pieces.
The assisted-gas patterns through different supersonic nozzles have been simulated using open source software OpenFOAM. The proposed simulations results have been validated by comparison with the experimental measurements visualized by shadow-graph technique reported in previous literatures. These proposed simulations have been carried out under the desired design operating condition to guarantee the maximum uniformity of the exit assisted-gas by avoiding the formation of non-desirable aerodynamic phenomena such as the occurrence of Mach disk associated with under-expansion and over-expansion conditions.
The proposed simulations results show that the exit assisted-gas from supersonic nozzle have better dynamic characteristics than the ones from subsonic nozzle even under non-desirable conditions and exit jet is expanded more ideally for nozzles with exit diameter less than 3mm.
Based on the proposed simulations results, three different supersonic nozzles have been designed and optimized under three different desired design operating conditions namely: low, medium and high stagnation pressure. The dimensions for these nozzles and the operating conditions have been specified according to gas dynamic theory.
These three supersonic nozzles will be manufactured using wire Electrical discharge Machining (EDM) and by the end of research several experimental measurements will be carried out using shadow-graph technique to illustrate the exit assisted-gas patterns for validating the proposed simulation results. Moreover, several laser cutting experiments will be carried out using thick material to demonstrate the privilege of using supersonic nozzles over the conical ones.
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