Corso di Taglio e Lavorazioni Digitali: 7 Materiali e Applicazioni

7 — Materiali e Applicazioni

Obiettivo: conoscere le proprietà rilevanti dei materiali (spessore, densità, durezza, conduttività termica, rischio di fumi), capire quale materiale scegliere per ogni progetto e saper eseguire test di taglio/lavorazione ripetibili.

1 — Proprietà dei materiali rilevanti per cutter / laser / CNC

1.1 Proprietà geometriche

• Spessore (t) — influisce su capacità di taglio (laser/CNC), numero di passate e tipo di utensile.

• Dimensioni di piano/lastre — scegli materiale con formati che minimizzano scarti.

1.2 Proprietà meccaniche e fisiche

• Densità (ρ) (kg/m³) — influisce su massa, inerzia, comportamento termico. Esempi:

  • Legno (pioppo/abete): ρ ≈ 400–550 kg/m³.

  • MDF: ρ ≈ 600–800 kg/m³.

  • Plywood (betulla): ρ ≈ 550–700 kg/m³.

  • PMMA (acrilico): ρ ≈ 1.18 × 10³ kg/m³.

  • Policarbonato: ρ ≈ 1.20 × 10³ kg/m³.

  • Alluminio: ρ ≈ 2.70 × 10³ kg/m³.

  • Acciaio dolce: ρ ≈ 7.85 × 10³ kg/m³.

• Durezza (es. Shore per polimeri, Rockwell per metalli): influenza usura utensili e scelta taglienti.

• Modulo elastico / resistenza a flessione — importante per parti strutturali.

• Conduttività termica (k) — determina come il calore si distribuisce: materiali con bassa k (legno, plastica) trattengono calore localmente; metalli disperdono calore rapidamente.

1.3 Proprietà di lavorazione

• Fondere/vaporizzare — per il laser conta il calore di fusione e il comportamento alla decomposizione.

• Assorbimento ottico (λ) — le sorgenti laser hanno lunghezze d’onda diverse: CO₂ (~10.6 µm) taglia e incide legno, carta, acrilico; fibre (1.06 µm) sono assorbite bene dai metalli.

• Tendenza a fondere/chiarire/char — alcuni materiali carbonizzano (legno, MDF), altri fondono (PVC, poliolefine).

• Pericolo di fumi tossici — PVC rilascia HCl se tagliato con laser (evitare); compositi (carbonio+resine) producono fibre respirabili e composti volatili pericolosi.

2 — Categorie di materiali e comportamenti per tecnologia

A. Materiali per vinyl cutter / plotter (laminazione, stencil)

• Vinile adesivo (PVC vinyl) — sottilissimo, taglio a lama; attenzione ai solventi e smaltimento.

• Heat-transfer vinyl (HTV) — per tessuti.

• Paper, cardstock, cartoncino leggero, mylar — tagliano bene con lama; spessori tipici 0.08–0.5 mm.

Caratteristiche utili: densità bassa, flessibilità, taglio a bassa profondità, nessuna polvere.
Uso tipico: adesivi, stencil, etichette, prototipi di carta.

B. Materiali per laser CO₂ (taglio/incisione su organici e alcuni polimeri)

• Legno (compensato, MDF, balsa) — ottimo per incisione e taglio; MDF carbonizza più facilmente a causa di resine; evitare MDF con sostanze tossiche non dichiarate.

• Acrilico / PMMA — taglio e incisione eccellenti; bordi lucidi possibili con flame polishing. Disponibile in 2–20 mm+.

• Carta, cartone (anche micro-onda) — taglia bene ma attenzione al rischio di incendio con potenze elevate.

• Tessuti naturali (cotone, lino) — taglio e incisione; bruciano se non ventilati.

• Vetro e pietra (solo incisione) — il CO₂ incide, non taglia.

• Non tagliare con CO₂: metalli (a meno che non si abbia assist gas e potenza elevata), PVC (pericolo HCl), polimeri clorurati.

Nota: per i metalli serve laser fibra o marcatura con additivi.

C. Materiali per laser fibra / marcatura/metalli

• Alluminio anodizzato, acciaio inox — marcatura e taglio (con laser fibra ad alta potenza e/o assist gas).

• Brass, rame — riflettono molto, taglio più complicato, meglio con fibra.

• Non organici — pochissima carbonizzazione; richiedono potenze e assist gas.

D. Materiali per CNC / router / fresatura

• Legni massicci (pino, betulla, rovere) — facilmente lavorabili; presenza di nodi può diminuire finitura.

• Plywood (compensato) — stabile, economico, facile da lavorare.

• MDF — ottima planarità, ma polvere sottile e resine formaldeide: usare aspirazione e maschere.

• Acrilico, HDPE, Delrin (POM), Nylon — ottime per fresatura; alcuni (polycarbonate) richiedono attenzione per la creazione di stress trasparente.

• Alluminio (6061) — lavorabile con fresa in metallo duro; richiede refrigerazione/aria e parametri corretti.

• Acciaio, inox — richiedono utensili e macchine robuste; taglio lento e lubrorefrigerazione.

3 — Criteri di scelta del materiale per progetto

Definisci requisiti e confrontali con la tabella di caratteristiche:

1. Funzionalità strutturale: carichi statici/dinamici → preferisci metalli, legni duri o compositi.

2. Finitura superficiale: aspetto lucido → acrilico o metallo; verniciabile → MDF, legno.

3. Precisione dimensionale e stabilità: milled aluminum o delrin meglio di legno (che lavora con umidità).

4. Resistenza a temperatura/umidità: outdoor → legno trattato, HDPE, alluminio; non scegliere MDF all’esterno.

5. Peso: per leggerezza usare alluminio, poliuretani o compositi al carbonio.

6. Costi e disponibilità.

7. Sicurezza: evitare PVC per laser; evitare materiali compositi senza estrazione adeguata di polveri.

8. Assemblaggio e adesivi: solvent bond per acrilico; PVA per legno; epoxi per carichi strutturali.

4 — Parametri pratici: cutter, laser, CNC — formule e calcoli utili

4.1 Laser — concetto energetico semplice

Energia erogata per unità di lunghezza (E_lin):

$$E_{lin} = \frac{P}{v}$$

dove:

• $P$ = potenza laser (W = J/s),

• $v$ = velocità di avanzamento (mm/s) se si misura E_lin in J/mm.

Esempio (concettuale):

• Potenza $P = 40\ \mathrm{W}$.

• Fissiamo l’energia richiesta per taglio $E_0 = 4\ \mathrm{J/mm}$ (valore di esempio per illustrare il calcolo; il valore reale va determinato sperimentalmente).

Calcolo velocità:

$$v = \frac{P}{E_0} = \frac{40\ \text{J/s}}{4\ \text{J/mm}}.$$

Passi aritmetici:

• $40\ \text{J/s} \div 4\ \text{J/mm} = 10\ \text{mm/s}.$

• Convertiamo in mm/min: $10\ \text{mm/s} \times 60\ \text{s/min} = 600\ \text{mm/min}.$

Quindi, se il materiale richiedesse 4 J/mm, con 40 W taglieremmo impostando 10 mm/s (600 mm/min). Attenzione: è un esempio dimostrativo — nella pratica bisogna testare e tenere conto di assist gas, fuoco e kerf.

Kerf (larghezza di materiale rimosso): tipicamente 0.1–0.5 mm per CO₂ su legno/acrilico; misurarlo e compesarlo nel CAM.

• Se il kerf = $k$, e programmi il percorso sulla centrolinea, il risultato è:

  $$D_{final} = D_{path} + k.$$

  Per ottenere $D_{final}$ desiderato, programma $D_{path} = D_{final} - k$.

Esempio kerf:

• $D_{final}=50.00\ \mathrm{mm}$, $k=0.20\ \mathrm{mm}$.

  • $D_{path} = 50.00 - 0.20 = 49.80\ \mathrm{mm}.$

4.2 CNC — feed & speed fondamentali (metriche)

Formule principali

• Legge per RPM da velocità di taglio $V_c$ (m/min):

  $$\mathrm{RPM} = \frac{1000 \cdot V_c}{\pi \cdot D}$$

  con $D$ in mm, $V_c$ in m/min → RPM in giri/min.

• Feed (F) in mm/min:

  $$F = \mathrm{RPM} \cdot Z \cdot f_z$$

  dove $Z$ = numero di denti dell’endmill, $f_z$ = chip load (mm per dente).

• MRR (material removal rate) in $\mathrm{mm^3/min}$:

  $$\mathrm{MRR} = \text{larghezza\_taglio (mm)} \times \text{profondità\_passata (mm)} \times F\ (\text{mm/min})$$

Esempio pratico (alluminio, fresa D=6 mm, 2 denti):

• scegliamo $V_c = 200\ \mathrm{m/min}$ (valore conservativo per fresa in alluminio).

• calcoliamo RPM:

  • Numeratore: $1000 \times 200 = 200000$.

  • Denominatore: $\pi \times D = 3{,}141592653589793 \times 6 = 18{,}84955592153876.$

  • Divisione: $200000 \div 18{,}84955592153876 \approx 10610{,}329\ \mathrm{RPM}.$

• scegliamo chip load $f_z = 0{,}05\ \mathrm{mm}$ per dente e $Z=2$.

• calcoliamo feed:

  • $F = 10610{,}329 \times 2 \times 0{,}05.$

  • $10610{,}329 \times 2 = 21220{,}658.$

  • $21220{,}658 \times 0{,}05 = 1061{,}0329\ \mathrm{mm/min}.$

• ipotizziamo larghezza taglio radiale = 3 mm (50% di D), profondità passata = 1 mm.

• MRR:

  • $\mathrm{MRR} = 3 \times 1 \times 1061{,}0329 = 3183{,}0987\ \mathrm{mm^3/min}.$

Interpetazione: con questi parametri otteniamo un buon punto di partenza: 10.610 RPM, feed ≈ 1.061 mm/s (ossia 1.061 m/min), MRR ≈ 3.183 cm³/min.

Esempio CNC (router su legno, D=6 mm):

• scegliamo RPM = 20.000 (tipico router).

• chip load $f_z = 0{,}15\ \mathrm{mm}$, $Z=2$.

• feed:

  • $F = 20{,}000 \times 2 \times 0{,}15.$

  • $20{,}000 \times 2 = 40{,}000.$

  • $40{,}000 \times 0{,}15 = 6{,}000\ \mathrm{mm/min}.$

• se larghezza taglio = 3 mm e profondità per passata = 3 mm:

  • $\mathrm{MRR} = 3 \times 3 \times 6{,}000 = 54{,}000\ \mathrm{mm^3/min}.$

Questi calcoli vanno sempre adattati alla macchina (rigidità, potenza motore, tipo di utensile).

5 — Utensili e impostazioni raccomandate

CNC (fresatura)

• Frese per legno: fresa in metallo duro a 2–3 denti, upcut per evacuazione truciolo, downcut/compression per bordi puliti.

• Frese per plastica: preferire taglienti a spigolo vivo, limitare la temperatura (taglio rapido e frequente retrazione).

• Frese per alluminio: fresa in acciaio rapida o PCD, rivestimenti specifici, lubrorefrigerazione aria/olio.

• Profondità di passata (DOC): per finitura 0.5–1×D; per sgrossatura 1–2×D a seconda rigidità.

• Step-over (radiale): finitura 10–25% per superficiale liscio, 30–60% per sgrossatura.

Laser

• Frequenza / PPI (pulse per inch): influenza qualità incisione; per taglio si usa PPI/Hz adeguato al materiale per evitare carbonizzazione.

• Assist gas: aria o ossigeno per taglio legno/PMMA (ossigeno aumenta velocità e bordi ossidati), azoto per taglio metallo senza ossidazione.

• Focus: messa a fuoco precisa per bordi stretti; spostamento del fuoco per lamiere spesse (multi-pass).

• Mascheratura: pellicola protettiva su acrilico per evitare segni e bruciature superficiali.

Cutter/Plotter

• Angolo lama: 45° per film, 60° per materiali più spessi; pressione e velocità da calibrate.

• Test cut sempre prima di produrre pezzi affetti da tolleranza.

6 — Sicurezza, salute e ambiente

• Ventilazione e aspirazione: obbligatorie per MDF, legno verniciato, compositi, plastica. Filtri HEPA per particelle fini.

• Non tagliare con laser: PVC (HCl), clorurati, materiali con metallo riflettente senza protezione.

• Protezione personale: occhiali (laser-class compatibile), maschere FFP2/FFP3 per polveri, schermo facciale per trucioli.

• Rischio incendio: legno/cartone in laser richiedono sistema anti-fire e operatore sempre presente.

• Smaltimento: particelle e residui plastici secondo normativa; evitare scarico fumi in ambienti chiusi.

7 — Protocollo di test (attività pratica: test di taglio/lavorazione)

Obiettivo

Determinare impostazioni ottimali per un dato materiale spessore su macchina specifica.

Coupon di prova (formato consigliato)

• pezzo 200 × 50 mm per ciascun materiale/spessore.

Tabella test (esempio di matrice da compilare)

Materiale	Spessore (mm)	Tecnologia	Utensile / Laser P (W)	Speed (mm/s o mm/min)	Passate	Kerf misurato (mm)	Bordo (char/clean)	Note
Compensato 6 mm	6.0	Laser CO₂	40 W	v = test mm/s	1	0.20	leggera bruciatura	usare estrazione
Acrilico 3 mm	3.0	Laser CO₂	40 W	v = test mm/s	1	0.18	bordo lucido	maschera adesiva
MDF 6 mm	6.0	CNC	fresa 6 mm 2Z	RPM 20000, F 6000 mm/min	passate 2	n/a	bordi bruciati se laser	preferire CNC per bordi netti
Alluminio 6 mm	6.0	CNC	fresa 6 mm 2Z carbide	RPM 10610, F 1061 mm/min	passate multipli	n/a	finitura con passata leggera	usare lubrorefrigerante

Procedura attività

1. Preparare coupon puliti, etichettati.

2. Eseguire taglio/incisione con parametri iniziali conservativi.

3. Misurare kerf con calibro (0.01 mm graduazione) e annotare qualità bordo.

4. Varare parametri (aumentare potenza o ridurre velocità) fino a taglio completo; annotare soglia minima per taglio pulito.

5. Per CNC testare prima su basso feed e aumentare fino a margine di vibrazione/qualità.

6. Compilare report con conclusione: impostazioni ottimali e tolleranze geometriche osservate.

8 — Esempi pratici rapidi (sintesi per materiali comuni)

Legno compensato 6 mm — Laser CO₂

• Buona incisione; taglio netto a potenze medie alte con estrazione adeguata. Kerf ~0.15–0.30 mm. Mascheratura consigliata per evitare sporco superficiale.

Acrilico 3 mm — Laser CO₂

• Taglio netto con bordo lucido. Usare pellicola protettiva. Kerf tipico ~0.10–0.25 mm. Evitare polveri nella macchina.

MDF 3–6 mm — CNC

• MDF produce polvere fine: usare estrattore e maschere; bordo tagliato netto con fresa downcut per limiti di sfilacciamento.

Alluminio 3–6 mm — CNC

• Usare fresa carbide, RPM e feed calcolati come esempio sopra; usura utensile e lubrorefrigerazione importanti.

Tessuto e pelle — Cutter o laser (basso potere)

• Cutter per taglio senza bruciature; laser per incisione o taglio rapido (ma attenzione all’effetto fumo e odore).

9 — Incollaggi, finiture e assemblaggi

• Legno: colla PVAc, resina epossidica per carichi.

• Acrilico: solvent bonding (metil etil chetone o specifici cementi) o adesivi a base epossidica; per bordi lucidi, flame polish.

• Metalli: filettature, rivetti, saldature, adesivi strutturali (epossidici o cianoacrilati ad alta resistenza).

• Plastica tecnica (Delrin, Nylon): viti meccaniche o incollaggio con adesivi specifici (structural acrylics).

10 — Checklist rapida per iniziare un progetto di taglio/lavorazione

1. Definisci requisiti di funzione (meccanica, estetica, budget).

2. Seleziona material-family (legno/plastica/metallo).

3. Verifica compatibilità con tecnologia prevista (laser CO₂ vs fibra, CNC vs cutter).

4. Applica criteri di sicurezza (fumi, infiammabilità, polveri).

5. Esegui coupon di prova con matrice e misura kerf/qualità.

6. Compensa kerf nel CAM e applica strategie di avvicinamento (tabs per pezzi piccoli, offset).

7. Verifica finitura e assemblaggio: prova adesivi o fissaggi su campione.

Conclusione

Questo modulo ti fornisce gli strumenti per valutare, scegliere e testare materiali su cutter, laser e CNC. Le formule (energia per lunghezza per laser; RPM, feed e MRR per CNC) e gli esempi numerici ti danno punti di partenza sicuri — ma ricorda: ogni macchina e ogni lotto di materiale è diverso. Il segreto è il metodo: test ripetuti, raccolta dati su coupon, e adattamento delle impostazioni sulla base di misure (kerf, rugosità, tolleranza).