Metalli

Vantaggi e svantaggi delle tecnologie di taglio al laser

Nelle industrie, il taglio laser a Milano, a Roma e in ogni città d’Italia sta diventando la tecnologia d’elezione per trattare materiali di qualsiasi tipo, dal metallo alle stoffe. Ad effettuare il taglio – a fare, se vogliamo, da “lama” – è qui un raggio di luce estremamente concentrata e ad alta energia, che viene calibrato in modo da bruciare o fondere – in certi casi e con certi materiali, addirittura da vaporizzare – la sostanza che compone il pezzo da tagliare. Il macchinario è interamente guidato da un computer di controllo, sul quale viene programmato l’intero percorso del proiettore laser.

I vantaggi di questo sistema sono numerosi ed evidenti. Innanzitutto abbiamo l’enorme versatilità: il taglio laser può indifferentemente operare su metallo, carta, tessili, e molte altre sostanze. A questa si abbina un enorme livello di precisione, che permette sia di seguire percorsi di taglio con geometrie molto complesse che di agire esclusivamente sulla parte desiderata, senza contaminare o deformare anche quelle immediatamente adiacenti. Il livello di finitura raggiunto dal taglio laser permette inoltre di risparmiare su qualsiasi lavorazione di finitura ulteriore.

Naturalmente, come qualsiasi tecnologia, anche il laser presenta, oltre ai punti di forza, anche degli svantaggi.Innanzitutto, la sua versatilità è sì grande, ma non assoluta: il laser non può tagliare né sostanze eccessivamente riflettenti (come il rame) né sostanze fragili e trasparenti come, ad esempio, il vetro. Nel taglio della plastica, poi, dove quest’ultima viene fusa, si svolgono vapori fortemente tossici che richiedono l’implementazione di appositi spazi isolati e ventilati per non essere pericolosi. Oltre a questo, la velocità di produzione può essere molto elevata, ma dipende da una lunga serie di fattori e non ha sempre questa connotazione. Per finire, il problema forse più sentito del taglio laser consiste nei consumi energetici: le applicazioni industriali del laser, soprattutto per materiali molto spessi tagliati a grande velocità, consumano enormi quantità di corrente, con i costi che è facile immaginare.

Fresatrici – un importante macchinario industriale

Oggi, la lavorazione meccanica di fresatura è ben nota e considerata una normalissima opera industriale: qualsiasi studente, non ancora perito meccanico, vi saprà certamente raccontare che è classificata come una lavorazione meccanica a freddo, che funziona per asportazione di truciolo, precisamente come la tornitura e la foratura, e che viene effettuata tramite l’azione di un utensile rotante sul proprio asse, la fresa, su un pezzo in moto di avanzamento, che viene “scolpito” fino alla forma desiderata. Vi potrà anche chiarire che, normalmente, la fresatura si effettua in due fasi, una prima di sgrossatura che asporta rapidamente quasi tutto il materiale necessario, e la seconda o finitura in cui viene effettuata una lavorazione più lenta per raggiungere la rugosità e le precise misure desiderate. Ciò che, forse, vi sarà più difficile scoprire, è la storia travagliata, dalle origini ad oggi, di questa lavorazione, nata in maniera oscura in qualche bottega artigiana nei primi decenni del 1800 e velocemente sviluppatasi alla pratica comune che conosciamo oggi. Ripercorriamola allora insieme, qui.

1. Dal 1800 alla Grande Guerra

L’origine della fresatrice è da trovare nel classico tornio, al quale sovente venivano montate delle lime rotanti, per limare il pezzo in lavorazione in modo più svelto che manualmente. Tale operazione è molto antecedente allo sviluppo della fresatrice, risalendo circa alla metà del 1700; i primi veri esemplari di macchine per la fresatura distinte da torni accessoriati sono collocabili al 1814, negli arsenali federali degli Stati Uniti, a Springfield e ad Harpers Ferry; ne risulta per di più un modello molto innovativo inventato da Nasmyth nel 1830 per i bulloni esagonali. A quei tempi, era previsto che la limatura venisse in ogni modo perfezionata a mano; le cose cambiarono, con l’integrazione di grandi evoluzioni tecniche fra cui il movimento perfezionato su tutti e tre gli assi, nel 1861, con uno straordinario modello Brown & Sharpe. Fino alla Grande Guerra, quasi ogni anno segnò un corposo passo avanti nella tecnologia della fresatura.

2. Le due Guerre Mondiali

Per raggiungere nuove vette di precisione, ormai richieste per poter sveltire ulteriormente i ritmi di lavorazione, fu necessaria l’introduzione di un concetto rivoluzionario, ossia quello del dimensionamento relativo, figlio appunto di questi anni: in breve, l’idea di effettuare a partire da un solo punto di riferimento tutte le misurazioni necessarie alla fabbricazione del pezzo. In questo modo diventò standard lavorare su precisioni dell’ordine dei millesimi di millimetro: il controllo numerico dei macchinari, oggi completamente acquisito e presente ovunque, era ai suoi primissimi albori. L’introduzione di pantografi speciali, che tracciando le linee di un modello potevano comunicare alla macchina i movimenti da compiere, permise la realizzazione di fresatrici colossali, come la Cincinnati Hydro-Tel, già nel 1930: a parte il controllo computerizzato ancora inesistente, era in tutto e per tutto somigliante ai modelli impiegati attualmente. All’altra estremità dello spettro, furono anche ideate e realizzate fresatrici di alta precisione e piccola taglia, molto economiche: erano le Bridgeport, che vennero vendute a centinaia di migliaia.

3. Dal dopoguerra ad oggi

La tecnologia del dopoguerra fu segnata dal culminare dello sviluppo dei servomeccanismi, e dalla nascita delle tecnologie digitali. Originata dagli investimenti di ricerca dell’esercito, la tecnologia si diffuse più in fretta proprio nel settore industriale e meccanico, in questo come in tanti altri casi tipici degli anni ’40 e ’50 del secolo scorso. Nei decenni successivi, il controllo numerico andò evolvendosi verso il controllo computerizzato dei macchinari, fino all’esplosione tecnologica degli anni ’80 che, con il personal computer, portò macchine a controllo digitale perfino nelle botteghe più piccole.

La lucidatura dei metalli

Non c’è dubbio che per tutti noi sia estremamente chiara, da un punto di vista visivo, la diversità considerevole che passa fra un oggetto metallico opaco ed uno lucidato: tuttavia, quasi certamente sono molti coloro che non hanno idea dei reali motivi, a parte quello estetico, per cui viene effettuata l’operazione di lucidatura metalli, nonché di quali siano le tecniche e i metodi utilizzati per lucidare una superficie fino a darle una delle tante possibili finiture. Analizzando questo procedimento di finitura superficiale, se ne scoprono risvolti e applicazioni impensate, e diffusi fraintendimenti su quale sia l’effettivo lavoro svolto a questo scopo.

Cominciamo con il rendere noto che la lucidatura è una lavorazione che appartiene alle cosiddette finiture, e che consiste sostanzialmente nel far diventare più liscia la superficie di un oggetto. A tale scopo vengono utilizzati due strumenti fondamentali: una mola, ossia una struttura rotante, e una sostanza abrasiva di qualche tipo, che può essere o solidale con la ruota della mola stessa, come nel caso di un un disco di carta vetrata, (per delle lucidature più aggressive) o una polvere sparsa su di essa, come ad esempio della sabbia (per lavorazioni più leggere). Nonostante solitamente si creda che la lucidatura debba essere molto aggressiva per portare ad una finitura riflettente e scintillante (quella che solitamente si dice “a specchio”) la realtà è proprio opposta, e per le finiture a specchio si è soliti utilizzare quindi degli abrasivi diffusi. La mola può essere di legno, cuoio, plastica o feltro, mentre fra le sostanze abrasive troviamo sia ossidi di alluminio, utilizzati su metalli molto duri, che carburi di silicio, che trovano utilizzo su metalli più morbidi.

Lo scopo della lucidatura che tutti noi conosciamo è, naturalmente, quello estetico: sappiamo bene quanto sia più attraente alla vista una superficie lucida e liscia rispetto ad una ruvida. Ma le applicazioni di questo metodo non si esauriscono con quella estetica: ad esempio, si lucidano gli strumenti metallici per impedire che siano preda di contaminazioni (una superficie liscia non ha irregolarità dove possa occultarsi una sostanza estranea), per evitare la corrosione (ad esempio nei tubi che dovranno condurre dei liquidi), per asportare eventuali ossidazioni (nel qual caso si associa all’azione meccanica quella chimica di una sostanza lucidante) o per creare superfici completamente riflettenti. In metallografia, la lucidatura è necessaria per ottenere una superficie metallica liscia da poter agevolmente analizzare con un microscopio per studiarne la microstruttura,

Per questo motivo, sono molti e particolarmente ben diversificati i settori nei quali si richiede che vengano effettuate delle lucidature. Un esempio eccellente è quello dell’industria automobilistica e motociclistica, in quanto vetture e motocicli spesso vantano particolari metallici con finitura a specchio come dettaglio molto apprezzato. Ma, sempre a fini estetici, sono richieste lucidature anche per la fabbricazione di oggetti di design, come attrezzature da cucina di pregio, e allo stesso modo per parti metalliche da adoperare in architettura. Se invece passiamo a scopi differenti come quelli elencati sopra, il ramo dell’illuminazione richiede lucidature sui riflettori per mantenerli in efficienza, e la lucidatura dei tubi per scongiurare la corrosione trova abbondante utilizzo nei settori farmaceutici, caseari, e nel trasporto idrico a mezzo di acquedotti..

La nichelatura e le sue tecniche

Fra i trattamenti superficiali a cui è possibile assoggettare vari tipi di oggetti, allo scopo di modificarne le caratteristiche superficiali come durezza e resistenza agli agenti esterni, ricopre sicuramente un posto di spicco quello definito di nichelatura, che consiste, com’è ovvio dal nome, nel depositare sull’intera superficie da trattare uno strato sottilissimo di nichel. Questo metallo, usato senza rendersene conto (lo si confondeva infatti spesso con il rame, e il suo nome deriva da quello di un folletto tedesco, a cui dei minatori imputarono lo strano scherzo di un minerale che appariva essere di rame ma si rifiutava di darne) da più di cinquemila anni, presenta infatti l’interessante caratteristica di un lunghissimo tempo di ossidazione quando esposto all’aria a temperatura ambiente, il che lo fa reputare resistente alla corrosione, e quindi un’ottima copertura protettiva per altri metalli.

Vi sono due metodi di nichelatura, che differiscono primariamente, nella procedura, dall’utilizzo o meno della corrente elettrica nella procedura di deposito del materiale. Il primo caso è quello della nichelatura cossiddetta elettrolitica, che per la natura del procedimento è eseguibile solamente su materiali metallici. La pulizia del pezzo da ogni traccia di grasso o di corrosione è essenziale per la buona riuscita del trattamento, perciò l’oggetto da lavorare viene assoggettato a svariati lavaggi e trattamenti termici prima del procediumento di nichelatura. Una volta che la preparazione è stata completata, si immerge completamente il pezzo in un bagno di soluzione elettrolitica, e lo si pone come catodo, usando invece come anodo del nichel dissolto nel liquido in forma ionica. Come consueto nel procedimento elettrolitico, gli atomi di metallo viaggiano nella soluzione e si depositano sul pezzo, ricoprendolo integralmente.

Per contro, nella seconda tipologia di procedura, quella di natura unicamente chimica, non figura in alcun momento del processo l’uso della corrente elettrica. Non si tratta di una differenza trascurabile: la scelta di fare senza elettricità dà in realtà tre significativi vantaggi rispetto alla prassi elettrolitica descritta prima. Il primo e più banale, evidentemente, è che non occorre nessun genere di alimentazione elettrica, e quindi non ha alcun costo energetico da calcolare o accollarsi. In secondo luogo, quando vengono depositati chimicamente, gli strati di nichel sono sempre perfettamente dell’identico spessore in ogni punto, completamente uniformi, quale che sia la forma, anche molto complessa e scolpita, dell’oggetto. Per finire, siccome non è richiesto da questo procedimento che il pezzo sia in grado di condurre elettricità, non è necessario limitarsi ad oggetti metallici e si possono nichelare anche pezzi in plastica o vetro.

A prescindere dal metodo che viene utilizzato, come abbiamo detto, tutti e due I metodi di nichelatura hanno lo stesso scopo: quello di dare salvaguardia all’oggetto che viene ricoperto dai danni meccanici e dall’ossidazione e corrosione. Ma non è tutto: la nichelatura di tipo chimico, poichè permette di posare coperture di spessore variabile, può anche essere applicata per ripristinare le misure precise di funzionamento di un utensile che si sia consumato con il lavoro. Ne fanno uso per di più l’industria automobilistica, che protegge così le parti sottoposte a pesante usura, e quella della fabbricazione dei dischi rigidi, nei quali I dischi di alluminio, prima di ricevere lo strato magnetico che conterrà I dati, vengono protetti attraverso nichelatura..