STUDIO NUMERICO DEL PROCESSO DI FORMATURA INCREMENTALE CON GAS ASSISTITA DA LASER

This thesis falls within the field of advanced sheet metal plastic deformation technologies, focusing on the Laser Assisted Gas Incremental Forming (LAGIF) process applied to AZ31B magnesium alloy specimens. This process combines the flexibility of laser processing with the precision of gas-assisted deformation and consists of three phases: 1. Localized heating: the laser hits the sheet metal, bringing it to a temperature higher than half the melting point in a few fractions of a second. 2. Pressure action: once the desired thermal gradient is reached, a flow of pressurized gas is blown in, deforming the sheet metal due to its low resistance at high temperatures. 3. Cooling and stabilization: at the end of the deformation (the gas flow is interrupted), the sheet metal undergoes a final cooling phase to room temperature (conductive due to the contact action of the equipment and convective due to the surrounding environment). In the preliminary phase, to evaluate the interaction between localized heating induced by a laser source and gas pressure, a stationary strategy was adopted in which the laser spot was kept fixed at the geometric center of the (circular) test piece. The fixed spot survey laid the foundations for the subsequent experimental phases: the study evolved towards the use of more complex trajectories, specifically the spiral path, which was chosen to distribute the heat input in a more extensive and controlled manner. A numerical thermal model was implemented with the aim of analyzing the evolution of temperature fields as the main operating parameters varied, namely: laser spot power and size, feed rate, and spiral pitch. Finally, the action of gas pressure was integrated, allowing not only heating but also actual plastic deformation to be simulated.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell'ambito delle tecnologie avanzate di deformazione plastica della lamiera, focalizzandosi sul processo di Laser Assisted Gas Incremental Forming (LAGIF) applicato su provini in lega di Magnesio AZ31B. Tale processo combina la flessibilità della lavorazione laser con la precisione della deformazione assistita da gas e si articola in tre fasi: 1. Riscaldamento localizzato: il laser colpisce la lamiera portandola nel ad una temperatura superiore a metà della temperatura di fusione in poche frazioni di secondo. 2. Azione della pressione: una volta raggiunto il gradiente termico desiderato, viene insufflata una portata di di gas in pressione che deforma la lamiera a causa della bassa resistenza dovuta alle alte temperature. 3. Raffreddamento e stabilizzazione: al termine della deformazione (il flusso di gas viene interrotto), la lamiera subisce una fase finale di raffreddamento fino a temperatura ambiente (conduttivo per l’azione di contatto dell’attrezzatura e convettivo ad opera dell’ambiente circostante). In fase preliminare, per valutare l'interazione tra il riscaldamento localizzato indotto da una sorgente laser e la pressione di un gas, è stata adottata una strategia di tipo stazionario in cui lo spot del laser è stato mantenuto fisso in corrispondenza del centro geometrico del provino (di forma circolare). L'indagine condotta a spot fisso ha posto le fondamenta per le successive fasi sperimentali: lo studio si è evoluto verso l’impiego di traiettorie più complesse, nello specifico il percorso a spirale, il quale è stato scelto per distribuire l'apporto termico in modo più esteso e controllato. È stato implementato un modello numerico termico con l’obiettivo di analizzare l'evoluzione dei campi di temperatura al variare dei principali parametri operativi ovvero: potenza e dimensione dello spot laser, velocità di avanzamento e passo della spirale. In conclusione, è stata integrata l'azione della pressione del gas, permettendo di simulare non solo il riscaldamento, ma la deformazione plastica effettiva.