Characterization and compensation of the thermal expansion of Al5754 during the laser cutting process

Laser cutting, not only of sheet metal, but also of tubes, has become a key production technology for the industrial sector today due to its numerous advantages such as reliability, efficiency and high productivity. Since the development and improvement of fibre laser cutting, it has also been possible to cut highly reflective materials such as aluminium, which has become an extremely widespread material over the years due to its mechanical and physical characteristics. Despite the many advances that have been made, however, such operations are by no means free of problems that affect the quality of the cut. While optimal cutting parameters have been sought for the boundary conditions that can be controlled, there are numerous factors that cannot be controlled by the user that often led to a drop in quality. One of these is the increase in the temperature of the workpiece after repeated cuts, which is inevitable and not well controllable. To understand the effects of the increase in temperature on the quality of aluminium laser cutting, a thermal expansion model was analysed, which was well supported for the experiments by the realisation of a special architecture, designed and constructed to ensure correct and homogeneous heating of the workpiece before cutting the sample. During the experimental campaign, the behaviour of the material at various increasing temperatures was measured, and the quality of the cut was assessed on the basis of the analysis of the roughness of the cut surface, the formation of burrs on the lower surface of the piece and finally the dimensional correctness of the final sample. From this thesis work it emerged that for aluminium Al5754, the quality parameters of roughness and burr formation are not significantly affected as the temperature increases, while a dimensional correction is essential due to the material's high thermal expansion coefficient, which leads to non-negligible geometric inaccuracies. In fact, the size of the samples analysed increased by approximately 0.16 mm for every 75°C increase in temperature, which on a sample with a total length of 100 mm corresponds to a 0.16% increase for the aforementioned temperature increase. After these analyses, we then went on to correct any problems that may have arisen, by correcting the parameters and developing a compensation model to solve the dimensional problem.

Il taglio laser, non soltanto di lamiere, ma anche di tubi, è diventato una tecnologia di produzione di fondamentale importanza al giorno d'oggi per il settore industriale, grazie ai numerosi vantaggi che da esso derivano, come affidabilità, efficienza e elevata produttività. Dopo lo sviluppo e il miglioramento del taglio laser tramite fibra, inoltre, è stato anche possibile effettuare tagli su materiali alto-riflettenti come l'alluminio che è diventato un materiale estremamente utilizzato in vari ambiti. Nonostante i numerosi progressi fatti però, tali operazioni non sono assolutamente esenti da problemi che vanno ad inficiare la qualità del taglio. Se da una parte si sono ricercati i parametri di taglio ottimali per le condizioni al contorno controllabili, vi sono numerosi fattori non controllabili dall'utente che spesso portano ad un abbassamento della qualità, uno di questi è l'aumento della temperatura del pezzo dopo tagli ripetuti, che risulta inevitabile e non ben controllabile. Per comprendere gli effetti dell'aumento della temperatura sulla qualità del taglio laser dell'alluminio, è stato preso in analisi un modello di espansione termica, il quale è stato ben supportato per le sperimentazioni dalla realizzazione di una apposita architettura, studiata e realizzata in modo da garantire un corretto ed omogeneo riscaldamento del pezzo in esame, prima del taglio del campione. Nella campagna sperimentale si è dunque osservato il comportamento del materiale a varie temperature sempre crescenti, e la qualità del taglio è stata valutata sulla base dell’analisi della rugosità della superficie tagliata, della formazione di bava sulla superfice inferiore del pezzo ed infine sulla correttezza dimensionale del campione finale. Da questo lavoro di tesi è emerso come per l'alluminio Al5754, i parametri di qualità di rugosità e formazione di bava non vengano significativamente influenzati all'aumentare della temperatura, mentre una correzione dimensionale risulta fondamentale per via dell’alto coefficiente di espansione termica del materiale, che porta ad inaccuratezze geometriche non trascurabili. La dimensione dei campioni analizzati infatti, aumentava di circa 0.16 mm ogni 75°C di incremento di temperatura, che su un campione di 100 mm di lunghezza totale, corrispondono dunque allo 0.16% di incremento per il suddetto incremento di temperatura. Dopo tali analisi si è dunque passato alla correzione di questi eventuali problemi venutisi a creare, tramite la correzione dei parametri e l'elaborazione di un modello di compensazione per risolvere il problema dimensionale.