Lavorazioni al plasma

I processi di lavorazione mediante plasma utilizzano un gas ionizzato come mezzo per trasferire energia termica da una sorgente di potenza elettrica alla superficie del materiale in lavorazione. Le lavorazioni tecnologiche al plasma possono essere divise in due macro classi, sostanzialmente riconducibili a due famiglie di plasmi: plasmi caldi e plasmi freddi. Tale suddivisione è effettuata in funzione della temperatura (e di conseguenza della densità di ionizzazione), che le specie pesanti raggiungono. Nei plasmi caldi le specie pesanti hanno mediamente la stessa temperatura delle particelle leggere (dai 10.000 °C) ed il plasma può considerarsi in equilibrio termico. Nei plasmi freddi invece il gas non è in equilibrio termico, ovvero le particelle pesanti hanno temperature anche notevolmente inferiori (attorno ai 500-800°C) relativamente alla temperatura elettronica. Le diverse temperature e condizioni raggiunte dalle due classi di plasma, condizionano la tipologia di applicazioni a cui sono destinate. Le principali applicazioni di plasma freddo riguardano quei processi termici, che richiedono una trasformazione selettiva e limitata dei materiali (fusione selettiva, trattamenti termici, trasformazioni strutturali, etc.) e l'attivazione di reazioni e trasformazioni fisiche e chimiche. Le principali applicazioni nel settore del plasma caldo sono la saldatura, il thermal spray ed il taglio di materiali metallici. Il plasma caldo infatti si ottiene realizzando una scarica ad arco in gas sottoposto a campi elettrici di varia frequenza. Il fascio di gas ionizzato ad altissima temperatura così ottenuto è in grado di rimuovere, fondere o modificare termicamente un materiale. Il fascio plasma può essere paragonato ad un utensile, facilmente controllabile, non direttamente in contatto con la superficie in lavorazione e non usurabile. A partire dalle prime installazioni, che risalgono in Italia agli anni '80, il taglio plasma convenzionale si è connotato non solo per l’elevata efficienza dell'operazione (in termini di tempi e costi di operazione) ma anche per la scarsa qualità del taglio, che comporta molto spesso la successiva lavorazione dei bordi. Il bordo di taglio infatti si presenta arrotondato, ricoperto da solchi e striature e con una pessima finitura superficiale. Il solco di taglio inoltre è ampio e svasato mentre il bordo in uscita si presenta spesso intaccato da bave causate dalla rapida risolidificazione del metallo fuso. La zona termicamente alterata inoltre ha un'estensione non trascurabile ed è soggetta a tensioni residue, distorsioni e variazioni strutturali e metallurgiche. La qualità del taglio plasma è migliorata notevolmente in seguito all’introduzione del plasma ad alta definizione (High Tolerance Plasma Arc Cutting, HTPAC) avvenuta agli inizi degli anni novanta. Il taglio plasma ad alta definizione è nato come improvement di una tecnologia preesistente e quindi in parte ha sostituito, soprattutto nelle lavorazioni di bassi spessori, il taglio plasma tradizionale. Tuttavia, dati i significativi miglioramenti, (contorni netti, bordi che non presentano bave, estensione della zona termicamente alterata contenuta e bordo sufficientemente squadrato), è stato utilizzato non solo con lo scopo di separare semplicemente due parti (per permetterne la successiva lavorazione) ma per ottenere buone qualità superficiali e macrogeometriche nel taglio dei metalli. Il processo HTPAC quindi si è esteso anche al settore affine del taglio in lastra near net shape (ovvero che non necessita di successive lavorazioni), al punto da divenire concorrenziale con le altre tecnologie non convenzionali di taglio di qualità, tra le quali principalmente il laser ed il getto idroabrasivo. La cattiva fama maturata del plasma convenzionale e la relativa novità del processo HTPAC rappresentano le cause principali della disattenzione al processo HTPAC da parte della ricerca, che solo recentemente si è dedicata all’analisi di questo processo, che offre ampie possibilità di indagine. E’ pertanto possibile raggruppare i futuri argomenti di ricerca in alcune sotto aree: modelli fisici dei meccanismi elementari nel processo del plasma ad alta definizione (legami con le variabili di processo, soluzioni delle equazioni formulate con metodi analitici e tecniche numeriche); qualità del solco di taglio; ottimizzazione dei parametri di processo; confronto tecnico-economico con tecnologie affini; lavorazione di nuovi materiali (leghe di titanio, rame e compositi a matrice e fibre metalliche).