Elettroerosione

L'elettroerosione è una tecnologia di lavorazione che utilizza le capacità erosive delle scariche elettriche. È utilizzabile solo su buoni conduttori, essenzialmente i metalli.
Le macchine utensili realizzate per eseguire questo tipo di lavorazione vengono chiamate 'macchine per elettroerosione', o in inglese EDM (Electro Discharge Machining).
L’EDM Fu inventata casualmente dai coniugi sovietici Lazarenko nel 1943, durante esperimenti sull'usura dei contatti elettrici: immergendoli in bagno d'olio per diminuirne l'usura dovuta alle scintille, ottennero l'effetto contrario. L'elettroerosione ha subito un forte impulso solo con lo sviluppo dell'elettronica. Per le sue caratteristiche peculiari, oggi è una tecnologia di uso comune nell'industria, e addirittura necessaria nella produzione stampi (in particolar modo per componenti in plastica).
Nel corso degli anni i processi si sdoppiarono tra elettroerosione a tuffo (EDM) e elettroerosione a filo (WEDM)

Le principali caratteristiche della lavorazione per elettroerosione sono:

• Possibilità di lavorare metalli molto duri (acciai speciali, acciai rapidi, metalli duri, ecc...), o induriti con trattamenti termici o chimici (temprati, carburati, ecc...). Infatti, la durezza del materiale da lavorare ha un'influenza secondaria per quanto riguarda la velocità d'asportazione o l'energia da utilizzare nella lavorazione.
• Possibilità di lavorare il pezzo creandovi qualsiasi figura geometrica o volumetrica. Ciò è dovuto alla particolarità che l'elettroerosione non necessita di un utensile rotante. È possibile ottenere spigoli netti, creare nervature e cavità con forme o profili impossibili da realizzare con altre tecnologie.
• Velocità di lavorazione molto lenta rispetto alle altre tecnologie ad asportazione di truciolo.
• Elevata usura relativa dell'utensile. Un valore tipico può essere 1-5%; cioè l'usura di 1-5 mm3 di utensile ogni 100 mm3 di materiale asportato.
• Le superfici lavorate presentano sempre un certo grado di rugosità (più o meno pronunciato, a seconda del grado di finitura). Questo è dovuto alla creazione di micro-crateri che sono il risultato dell'azione elettroerosiva (vedi sotto principio fisico).

L'azione di lavorazione si attua avvicinando un utensile (l'elettrodo) al materiale da lavorare (il pezzo), il tutto in un ambiente riempito da un dielettrico liquido. L'elettrodo viene alimentato con polarità positiva rispetto al pezzo, in quanto il materiale caricato negativamente subisce un'erosione superiore.
Quando elettrodo e pezzo sono sufficientemente vicini, tra i due si innescano delle scariche che erodono il pezzo in modo complementare rispetto alla forma dell'elettrodo. La scelta del materiale dell'elettrodo e il controllo delle caratteristiche delle scariche permettono di ottenere che l'erosione dell'elettrodo (usura dell'utensile) sia molto minore dell'erosione del pezzo (lavorazione). Man mano che il pezzo viene eroso, l'elettrodo viene fatto avanzare, fino al completamento della lavorazione. Durante la lavorazione, l'elettrodo non entra mai in contatto con il pezzo; ciò creerebbe un cortocircuito invece delle scintille che sono la causa dell'erosione.
Eccezionalmente, può essere applicata una polarità invertita rispetto a quanto precedentemente detto: ovvero applicare all'elettrodo una polarità negativa rispetto al pezzo. Questo avviene per lavorazioni particolari, come accoppiamenti di semistampi (dove l'erosione viene equiripartita tra i due elementi) o forature tramite elettroerosione (dove l'elettrodo viene totalmente consumato).
Nella lavorazione non vengono creati normali trucioli: i residui della lavorazione (sfridi) assumono l'aspetto di microscopiche palline di metallo che si disperdono nel dielettrico.
La presenza di un dielettrico è fondamentale per la funzionalità della tecnologia, ed assolve vari scopi:

• permette il controllo della localizzazione della scintilla;
• fornisce ioni per la generazione della scarica;
• rimuove gli sfridi di lavorazione;
• raffredda elettrodo e pezzo.

Perché la tecnologia possa funzionare correttamente, è necessario il controllo delle caratteristiche delle scintille. Infatti la scarica non è generata in maniera continua, ma consiste in una successione di micro-scariche prodotte da appositi dispositivi elettronici in grado di generare treni di impulsi controllati. I principali parametri elettrici controllati sono:

• tensione d'innesco; tipicamente alcune centinaia di volt.
• polarità; normalmente elettrodo positivo e pezzo negativo.
• corrente massima della scintilla; compresa tra 1 e 500 ampere.
• durata della scintilla; compresa tra 1 micro-secondo e 2 milli-secondi.
• pausa tra una scintilla e la successiva, compresa tra 1 e 30 micro-secondi.

L'elettroerosione lavora sulla capacità termomeccanica delle scariche elettriche di erodere i materiali.
L'azione erosiva delle scariche si può dividere in fasi:

• Applicazione tra elettrodo e pezzo di una forte tensione. In questa fase si crea un forte campo elettrico tra i due punti a minor distanza relativa (a minor distanza elettrodo/pezzo).
• Rottura del dielettrico e apertura di un canale di scarica. In questa fase il forte campo elettrico accelera alcuni elettroni del pezzo che attraversano il dielettrico, questo genera un effetto valanga che rompe l'isolamento del dielettrico proprio in corrispondenza del punto dove il campo elettrico è più elevato. Si crea così un canale a bassa resistenza dove la corrente elettrica può passare.
• Allargamento del canale di scarica e fusione del materiale. L'urto degli elettroni accelerati con le molecole di dielettrico, generano ulteriori elettroni liberi e ioni positivi che fungono da portatori di carica e vengono accelerati dal campo elettrico; conseguentemente si crea una canale di plasma ad altissima temperatura (migliaia di gradi) in grado di condurre molta corrente elettrica. Con il persistere della corrente di scarica, il canale tende ad allargarsi intorno al punto iniziale. Le aree dell'elettrodo e del pezzo a diretto contatto con il canale di plasma, sottoposte al bombardamento dei portatori di carica e alle alte temperature del canale, si fondono, creando dei piccoli crateri di materiale fuso.
• Interruzione della scarica e implosione del canale di scarica. Interrompendo la corrente, il canale di plasma, non più alimentato da fonti di energia esterne, implode.
• Espulsione del materiale dal cratere. Venendo improvvisamente a mancare la pressione sulla superficie del cratere, il materiale fuso viene risucchiato fuori, lasciando il cratere vuoto. Il materiale fuoriuscito si raffredda, solidificandosi in minuscole palline (sfridi).

L'elettroerosione si può dividere in sottotipi a seconda dell'applicazione:

• elettroerosione a tuffo; in questa applicazione la lavorazione ha come scopo principale lavorare il pezzo facendogli assumere una forma complementare rispetto all'elettrodo.

Il ciclo di lavorazione va' diviso in due fasi:

• creazione di un elettrodo di forma 'negativa' rispetto alla forma della lavorazione che si vuole ottenere;
• elettroerosione del pezzo con l'elettrodo precedentemente creato, ottenendo così in 'positivo' la forma voluta.
• elettroerosione a filo; in questa applicazione, un filo conduttore teso è usato come elettrodo per tagliare o profilare il pezzo da lavorare.

Il filo (immagazzinato in una bobina) viene cambiato di continuo durante la lavorazione, in quanto, essendo sottoposto all'usura delle scariche e allo stress di dilatazione, finirebbe per spezzarsi spesso, interrompendo la lavorazione.

• foratura per elettroerosione; in questa applicazione un tubo viene usato come elettrodo per forare il pezzo.

Vengono usati tubi (generalmente di piccolo diametro) in quanto attraverso essi viene pompato del dielettrico, necessario per asportare gli sfridi dal fondo della foratura.

• molatura per elettroerosione; in questa applicazione una mola di materiale conduttore erode il pezzo, in modo analogo ad una mola ad abrasione.

Un esempio d'uso di questa tipologia di tecnica, è quello dell'affilatura di lame con denti di Widia o diamante sinterizzato, materiali di cui è difficoltosa (e costosa) la molatura con tecniche abrasive tradizionali.

Uno degli "attori" principali della lavorazione per elettroerosione è l'elettrodo. Nella lavorazione "a tuffo" il risultato della medesima è un negativo della forma dell'elettrodo; mentre nella lavorazione "a filo", l'elettrodo si comporta come un seghetto, tagliando il pezzo.
Come già accennato, perché si possa fare una lavorazione utile, è necessario ridurre l'usura al minimo. Per far ciò, oltre al controllo dei parametri elettrici, è necessario partire da una corretta scelta del materiale dell'elettrodo.

Materiale per elettrodi EDM
Per la lavorazione "a tuffo" bisogna cercare un materiale che:

• resista alle scariche;
• sia facilmente lavorabile;
• sia di costi contenuti.

Gli ultimi due aspetti sono particolarmente importanti nella lavorazione a tuffo, in quanto la lavorazione che si vuole ottenere richiede la realizzazione di una sua esatta copia-elettrodo in negativo. In casi estremi, con realizzazioni di stampi per plance o scocche plastiche, potrebbe essere necessario realizzare elettrodi sagomati e/o alettati di centinaia di chili.
L'esperienza ha portato alla diffusione di due tipi di materiale: la grafite e il rame.
La grafite resiste bene alle scariche (per via dell'alto punto di fusione), è relativamente facile da lavorare e costa poco. Di contro, la grafite durante la lavorazione di parti sottili (alette, nervature, ecc..) tende a scheggiarsi, mentre gli spigoli tendono ad arrotondarsi, inoltre le scariche tendono a rovinarne la superficie, impedendo di realizzare superfici ben finite (cioè con bassa rugosità). Inoltre, la lavorazione della grafite genera un pulviscolo che, se non viene opportunamente schermato e abbattuto, può insinuarsi negli organi in movimento della macchina utensile (in genere le guide) e causarne il rapido deterioramento.
Anche il rame resiste abbastanza bene alle scariche (la sua alta conducibilità termica tende a dissipare il calore delle scariche), si può lavorare molto facilmente (permettendo di realizzare particolari estremamente fini) e le scariche rovinano poco la sua superficie, permettendo lavorazioni particolarmente rifinite (in qualche caso sino alla lucidatura). Di contro, il rame non resiste altrettanto bene con alte correnti di scarica (tipiche della lavorazione di sgrossatura) e ovviamente è un materiale costoso.
Quando possibile, si consiglia così di realizzare due elettrodi: un elettrodo di grafite per le lavorazioni di "sgrossatura" e un elettrodo in rame per la lavorazione di "finitura".