Breve introduzione:
Dagli anni 80 circa gli aeromobili vengono progettati con filosofia Damage Tollerance. Il nemico giurato dell’integrità strutturale di un aereo è la famosa CRICCA che può iniziarsi, crescere e portare a rottura un componente. Per ritardare la sua crescita si possono trattare determinate superifici in diversi modi, uno dei più famosi è lo shot peening. Brevemente esso consiste nel far cadere per gravità o sparare ad una certa velocità un certo quantitativo di sferette (di acciaio o vetro) sulla superficie da trattare. Le sferette plasticizzeranno la superficie del materiali e introdurranno tensioni residue di compressione (Residual Stress o RS) dentro il materiale. Immaginate di avere i vostri pungi spinti uno contro l’altro. Se qualcuno cercasse di dividerli con una mano messa a mò di lama non ce la farebbe perché i pungi cercherebbero di richiudersi… queste sono le tensioni residue mentre la lama-mano è la cricca.
Avvento del Laser Shock Peening:
Negli anni ’70 studiando cosa succedeva quando un laser veniva sparato su un metallo non in maniera continua ma ad impulsi, alcuni ricercatori in Ohio hanno scoperto che in particolari condizioni si potevano introdurre tensioni residua di compressione dentro i materiali metallici. La tecnologia venne brevettata, esportata negli anni ’80 in Europa e il primo utilizzatore fu, per ovvie ragioni di costi altissimi, l’USAF che la introdusse per aumentare la vita delle palette dei compressori dei motori del B-1B che trovandosi sotto la fusoliera, erano soggette a FOD = Foreing Object Damage. Successivamente a fine anni ’90 la tecnologia interessò moltissimo i Giapponesi che attraverso Toshiba iniziarono ad applicarla in alcuni componenti delle centrali nucleari. Attualmente aziende come General Electric, Rolls Royce e Boeing sono utilizzatrici del LSP, mentre aziende come Metal Improvement Company o LSPT Inc. (entrambe americane) e Toshiba (giapponese) sono aziende produttrici di laser peening.
Funzionamento del LSP:
Il processo di “pinnatura” di un componente prevede prima di tutto la corretta pulizia della superficie da pinnare. Dopodiché viene steso un sottilissimo strato generalmente di alluminio (carta stagnola per intenderci) e la superficie viene irrorata da uno strato sottile di acqua. Quando l’impulso laser viene lanciato sulla superficie, oltrepassa lo strato d’acqua in quanto trasparente e impatta con lo strato di alluminio. Essendo il raggio laser ad altissima densità di potenza (vedi oltre per qualche dato) lo strato di alluminio vaporizza istantaneamente. Il vapore però rimane intrappolato tra lo strato d’acqua e il materiale da trattare e diventa un vero e proprio plasma, quindi ad altissima temperatura e altissima pressione. Questo plasma cerca di espandersi generando onde di shock che penetrano nel materiale e compattano i piani cristallini. Quindi in generale il risultato è simile a quello dello shot peening ma la differenza fondamentale è che le tensioni residue in presenti in provini trattati con LSP arrivano anche a 3-4 mm di profondità mentre difficilmente superano i 0.5 mm in provini trattati con shot peening. La vita a fatica del pezzo trattato migliora notevolmente!
Qualche numero:
Generalmente i parametri principali dell’LSP sono 3:
• densità di potenza che si aggira intorno ai 4 GW per cm2,
• la durata dell’impulso dell’ordine generalmente dei 18 ns (18 miliardesimi di secondo!)
• numero di trattamenti ovvero quante volte lo stesso procedimento viene ripetuto sulla stessa superficie (1 è sufficiente solo in rari casi) e generalmente può andare dai 3 ai 30.
La lunghezza d’onda del laser è generalmente 1064 micrometri (infrarossi) o 532 micrometri (luce verde).
Una fondamentale accortezza: anche se il plasma come ho scritto raggiunge valori di pressione e temperatura altissimi, questo non fa dell’LSP un trattamento termico e la spiegazione è presto detta: se tutto il processo avviene in 18ns qualunque metallo non avrà mai sufficiente tempo per poter risentire di questa temperatura in superficie in quanto ogni metallo per quanto ottimo conduttore di calore ha pur sempre una certa inerzia nell’assorbire calore e non è certo dell’ordine di miliardesimi di secondo.
Inoltre se lo stesso procedimento viene effettuato su pannelli sottili, a fine trattamento questi si deformano cercando di eliminare gli stress residui presenti al loro interno. Se il trattamento viene effettuato in determinati punti ben noti allora si può fare assumere al pannello la geometria desiderata. Questo tipo di approccio viene detto FORMING.
Applicazioni aeronautiche:
Questa penso sia la parte che più interessa a tutti noi, ovviamente posso soltanto dirvi le applicazioni industriali pubblicate e non quelle in fase di ricerca. Ad ogni modo come già detto viene utilizzata su gran parte delle palette di motori aeronautici quindi dai motori del B-1B fino al Trent 1000 del B787, passando per la motorizzazione dell’A340 e del 777 mentre in campo militare viene utilizzato sull’F119 che motorizza l’F-22.
Per quanto riguarda il Forming, il procedimento è stato usato sulle ali del B747-8 entrambe le versioni ovviamente.
L’ultima applicazione in ordine cronologica risale all’anno scorso ed è stata ancora una volta sull’F-22 questa volta direttamente sulla struttura.. Qui mi fermo un attimo, mi accerterò che possa andare oltre perché sull’argomento non si trova nulla in rete però è stato presentato già a due conferenze perciò in teoria non è più un segreto!
Qualche informazione visiva:
Video edito dalla Metal Improvement Company sul funzionamento dell’LSP. Da metà video c’è l’applicazione vera e propria su uno disco palettato, i colpi o spari che si sentono sono dovuti all’espansione del plasma. Non sorprendetevi se non vedete il laser: non riusciamo a vedere gli infrarossi! nemmeno con questi
Purtroppo le immagini disponibili sull’argomento non sono molte e questo fa capire quanto l’argomento sia prima di tutto un po’ di nicchia e secondo ancora molto in via di sviluppo.
Spero di non avervi annoiato troppo, sono qui a disposizione per domande, chiarimenti e suggerimenti
Ste
Ho capito bene? 
!!
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