Migliore qualità dell'ottica e precisione geometrica

Quando un materiale viene lavorato con brevi impulsi di luce, si produce il cosiddetto fumo, che viene estratto al meglio durante la lavorazione. A causa dell'immensa energia cinetica delle particelle di materiale, tuttavia, le particelle residue rimangono sui pezzi che non possono essere semplicemente rimosse con l'aria compressa. Tuttavia, i requisiti minimi di tolleranza per la geometria e la rugosità dei componenti possono essere soddisfatti solo se il processo di produzione è ottimizzato e la superficie effettiva viene valutata. I requisiti di sporco residuo che si applicano nella produzione moderna richiedono quindi una tecnica di pulizia robusta e ripetibile per i microcomponenti prodotti con processi laser. "Anche una piccola differenza nella precisione geometrica prima e dopo la pulizia può avere un impatto sulla funzionalità dei componenti che richiedono basse tolleranze", spiega il problema Anton Pauli, amministratore delegato dell'esperto di microlavorazione laser GFH GmbH. Inoltre, tali residui agiscono come particelle di usura o - a seconda dell'area di applicazione - possono causare danni, per esempio intasando le farfalle nei sistemi di iniezione.

I test della lamina forniscono informazioni sull'effetto degli ultrasuoni
Dato che finora nessun processo di pulizia ha offerto una soluzione a questo problema, il produttore di macchine La- ser e il produttore a contratto GFH, che si sforza continuamente di migliorare l'intera catena del processo, hanno preso in mano la causa. "Se non c'è una conoscenza specialistica disponibile su un argomento, la sviluppiamo. Perché per realizzare con successo la microlavorazione laser, ogni singolo passo deve essere risolto in modo ottimale", dice Pauli, spiegando la sua filosofia aziendale. Dato che il processo di pulizia a ultrasuoni è il più adatto per le parti prodotte dalla microlavorazione laser, sono stati sviluppati i seguenti processi

La base per l'analisi è inizialmente i cosiddetti test della lamina. I fori strappati nel foglio di alluminio posto nella vasca permettono di trarre conclusioni sulla distribuzione e l'intensità dell'effetto degli ultrasuoni. "La valutazione ha rivelato differenze significative, che erano importanti da conoscere per effettuare lo studio successivo in condizioni coerenti, ma anche per ottenere il miglior effetto possibile nell'uso quotidiano", elabora Barbara Schmid, che era responsabile delle indagini al GFH. "In questo modo, siamo stati in grado di controllare molto fondamentalmente la funzionalità del bacino di pulizia e posizionare l'elemento da pulire in modo ottimale in ogni caso".

L'algoritmo rileva le differenze minime di pulizia
Per il successivo studio dei parametri, sono state prodotte due serie di componenti di 200 pezzi ciascuna con la macchina di microlavorazione laser GL.compact sviluppata da GFH: una in acciaio inossidabile e una in ottone. Questi due materiali sono stati scelti perché l'acciaio inossidabile è usato molto spesso e l'ottone tende a scolorire, oltre a causare una serie di altri problemi durante la pulizia. I componenti con una lunghezza del bordo di 5 mm, piccole incisioni e un foro avevano tutti la stessa geometria, in modo che la contaminazione fosse la stessa e i risultati fossero quindi comparabili. La frequenza, la temperatura, il mezzo di pulizia e di risciacquo, il livello di riempimento, la concentrazione dei prodotti chimici, la durata della pulizia vera e propria così come il risciacquo e l'asciugatura sono stati identificati come fattori di influenza rilevanti, ma sono stati presi in considerazione anche gli accessori, come i vari recipienti in cui sono collocate le piccole parti che altrimenti potrebbero andare perse.

"Tutti i parametri sono stati esaminati e valutati individualmente, e abbiamo anche convalidato la pulizia al microscopio", riferisce Schmid. "Per poter mostrare anche le più piccole differenze, è stato sviluppato e applicato uno speciale algoritmo di valutazione. Questo si è basato su varie procedure di elaborazione delle immagini: le immagini del microscopio sono state prima convertite in scale di grigio. Per essere in grado di distinguere le aree con striscio laser - riconoscibili da tracce scure - dal resto del componente, è stato selezionato un valore di soglia, e i pixel scuri sono stati estratti e contati. "Per una migliore interpretazione, abbiamo classificato questi valori su una scala, per cui un componente direttamente dopo l'elaborazione, che aveva un numero corrispondente di punti immagine scuri, è stato classificato come 0 per cento pulito. Il valore teorico del 100 per cento corrispondeva quindi a un componente senza pixel scuri, cioè privo di qualsiasi contaminazione", aggiunge Schmid.

Ottimizzazione del processo attraverso la valutazione delle impostazioni
Per risultati ottimali, il mezzo di pulizia dovrebbe essere degassato almeno 10 minuti prima di iniziare la procedura. Un mezzo leggermente acido è generalmente adatto all'ottone, mentre un mezzo alcalino è adatto all'acciaio inossidabile. Va notato che a causa delle alte temperature durante la pulizia, parte del liquido evapora. "Pertanto, il livello di riempimento dovrebbe essere controllato regolarmente e regolato se necessario, perché sia un livello di riempimento troppo basso che troppo alto riduce le prestazioni di pulizia", dice Schmid. Se si stanno pulendo parti molto delicate, come recipienti si raccomandano bicchieri di vetro o reti di plastica. Le parti più robuste dovrebbero essere pulite in un cestello di acciaio inossidabile.

Le temperature tra 45 e 65 °C producono i migliori risultati - a seconda del tempo di pulizia - poiché, a causa della cavitazione ultrasonica, le temperature aumentano anche con l'aumentare del tempo. I miglioramenti sono maggiori dopo 15 minuti di pulizia e 5 minuti di risciacquo. Una durata più lunga, fino a 45 minuti di pulizia e 15 minuti di risciacquo, ottiene solo piccoli miglioramenti in confronto. La frequenza di pulizia ottimale è la "doppia frequenza", che cambia ogni 30 s tra 37 e 80 kHz. Per oggetti di grandi dimensioni o se si stanno pulendo diverse parti, è vantaggioso attivare la modalità "sweep". Se la contaminazione è molto ostinata, la modalità "pulse" può portare a un miglioramento. La pre-pulizia è necessaria solo se c'è olio o altro grasso sui componenti. Durante il risciacquo, un additivo anticorrosione e un agente bagnante aiutano a migliorare la successiva asciugatura.

Il processo di pulizia ottimizzato diventa standard
L'implementazione delle conoscenze acquisite ha portato a un miglioramento della pulizia dal 74 a oltre il 95% per la serie di acciaio inossidabile. "A differenza di altri metodi di lavorazione, i laser non usano olio, refrigerante o grasso, il che ha anche un effetto sulla contaminazione risultante. Abbiamo scoperto che il problema principale fino ad ora era che il processo di pulizia era stato adattato solo al materiale, ma non al processo di lavorazione precedente", Schmid riassume la situazione iniziale. Al fine di ottimizzare i processi interni di lavorazione laser e ottenere anche un visibile miglioramento della qualità per i clienti, nonché una maggiore precisione geometrica, dal giugno 2016 sono state attuate misure passo dopo passo per implementare il processo migliorato come standard presso GFH. Se in un nuovo progetto entrano in gioco altri materiali, anche il processo di pulizia sarà adattato di conseguenza. La risposta dei clienti al pacchetto complessivo di lavorazione e pulizia è stata sempre molto positiva.