Laser Shock Peening: la nuova frontiera del trattamento per i metalli

Tra le diverse tecnologie di trattamento superficiale, una delle più utilizzate è la pallinatura. La tecnica shot peening produce sulle superfici processate deformazioni che inducono sforzi residui di compressione piuttosto significativi, che, se ben calibrati, sono in grado di proteggere il componente da fenomeni di fatica e molto altro. Lo stesso effetto può essere ottenuto con metodi alternativi che seguono principi diversi per “martellare” la superficie e generare sforzi residui di compressione. Il presente articolo ne considera uno di questi, attualmente tra i più utilizzati in specifici settori industriali. Stiamo parlando della pallinatura laser.

Qualunque componente meccanico che venga realizzato a regola d’arte preesuppone che la forma, le caratteristiche del materiale utilizzato per la sua realizzazione e le relative finiture superficiali siano adeguate al “lavoro” per cui il componente è stato progettato. Per quanto possa sembrare scontato, la realtà in cui un componente si trova a lavorare è molto spesso differente dalle condizioni nominali di progetto. Questa differenza può essere dovuta a condizioni meccaniche di funzionamento, come ad esempio, la presenza di vibrazioni, oppure di forze aventi basso modulo ma ripetitive nel tempo, che inducono di conseguenza fenomeni di fatica. Altro elemento di variabilità può essere dato dall’ambiente stesso. La presenza di polvere di lavorazione, truciolo metallico, grasso o sporcizia possono rendere l’ambiente di lavoro del componente piuttosto differente rispetto alla condizione nominale di sviluppo. L’insieme di questi fenomeni possono indurre rotture premature del componente, per cause non previste in fase di progettazione. Per questo motivo nel processo di sviluppo tecnologico sono stati sviluppati metodi di finitura delle superfici lavorate, così da rendere il componente meno suscettibile alle condizioni citate in precedenza. Ad esempio, per garantire la protezione del materiale contro i fenomeni di corrosione si utilizzano delle vernici o dei rivestimenti metallici appositi. Per prevenire, invece, fenomeni di fatica è possibile trattare la superficie del componente in modo da rafforzarne i primi strati.

Tra le diverse tecnologie di trattamento superficiale, una delle più utilizzate è la pallinatura, detta anche shot peening. Brevemente, la pallinatura è un processo di lavorazione meccanica a freddo che prevede di “sparare” palline metalliche (oppure di altri materiali, in funzione del componente da trattare e dal risultato che si intende ottenere) che deformano superficialmente il componente. Queste deformazioni inducono consistenti sforzi residui di compressione che, quando calcolati correttamente, proteggono il componente dai fenomeni di fatica.

Laser Shock Peening, come funziona?

Nel paragrafo precedente è stato sottolineato come la pallinatura laser sia un processo simile alla pallinatura tradizionale. Il concetto è il medesimo: indurre sforzi residui di compressione nei primi strati superficiali del componente lavorato. In questo caso si utilizza, però, lo shock indotto da un impulso di un fascio laser “sparato” sulla superficie. La preparazione di un componente prevede la pulizia della superficie e l’immersione in una vasca, al fine che che la superficie del pezzo che si intende lavorare sia ricoperta da un leggero strato d’acqua.

Il laser viene emesso come una serie di impulsi, opportunamente modulati in frequenza e potenza, mantenendone il fuoco poco al di sopra della superficie del pezzo. Questo processo fa si che l’impulso laser generi abbastanza calore da far evaporare lo strato d’acqua a contatto con il metallo. Il vapore così generato è principalmente gas, essendo molto caldo esso tenderà ad espandersi. Tuttavia, la presenza dello strato d’acqua superiore intrappola il volume di vapore, impedendone l’immediata espansione volumetrica. Questa condizione fa sì che la pressione esercitata dal gas su tutte le pareti con cui è a contatto, perciò anche quella del pezzo in lavorazione, raggiunga valori decisamente elevati. Tale pressione è sufficiente per indurre degli sforzi di compressione del componente, realizzando a tutti gli effetti un vero processo di pallinatura. Chiaramente il singolo impulso genera benefici solo su un’area molto piccola. Tuttavia, la ripetizione del processo avviene velocemente e viene effettuata su tutta la superficie che si intende proteggere. Esistono a oggi macchinari più o meno complessi e grandi per realizzare questo processo. Dipende dalle dimensioni del pezzo che si intende lavorare. Per citare un esempio pratico, il settore aeronautico lo utilizza molto per il trattamento delle palette delle turbine. Un altro ambito di utilizzo è certamente il contesto della manifattura additiva, dove il trattamento superficiale post produttivo è fondamentale. Vediamo quali sono gli effettivi benefici del trattamento attraverso la pallinatura laser, sia a livello generale, che talvolta messo a confronto con la pallinatura tradizionale.