Taglio laser

I PUNTI DI FORZA

Il taglio laser è oggi utilizzato in vari settori industriali ed artigianali per la lavorazione di molti materiali tra i quali il legno il tessuto, la carta, le materie plastiche e il metallo.

Vantaggi:

- elevata produttività
- accuratezza di realizzazione
- riduzione degli scarti
- assenza di contatto
- flessibilità
- elevata produttività
- riduzione dei costi

Il laser nell'industria

Il laser nell'industria: verso nuove frontiere. Dagli inizi degli Anni Sessanta, quando è stata realizzata pionieristicamente la prima sorgente, ad oggi la tecnologia laser ha compiuto passi da gigante, bruciando le tappe e conquistandosi, con una progressione di risultati che ha pochi eguali, un posto sempre più di rilievo nelle diverse fasi del processo produttivo industriale, proponendosi ora come complemento, ora come alternativa ad altre tecnologie.

Merito soprattutto delle sue straordinarie proprietà, a cominciare dall'enorme energia che essa è in grado di convogliare, che per le sue caratteristiche di coerenza, intensità e monocromaticità si presenta ideale per la lavorazione dei materiali e, in particolare, per applicazioni quali la foratura, il taglio, la fusione e la saldatura, oltre che per la manipolazione e la marchiatura delle superfici.

Lo "sguardo acuto" del laser.

Alla base delle molteplici applicazioni dei laser in ambito industriale - su una gamma di materiali estremamente variegata, che va dalla carta alle fibre tessili, dalle materie plastiche ai metalli ferrosi e non ferrosi, dal quarzo alla ceramica per citare solo i principali - sta quello che viene definito lo "sguardo acuto" dei laser. La loro radiazione, che può essere resa puntiforme, viene assorbita dal pezzo in lavorazione, producendovi un forte riscaldamento localizzato del materiale, che può essere fuso o vaporizzato a seconda dell'intensità e della durata dell'irraggiamento. Restando al di sotto della temperatura di fusione, si possono indurire delle superfici o, dopo la fusione, i materiali possono essere saldati o immessi in una lega. La vaporizzazione viene invece usata per praticare fori, scavare fenditure o tagliare fili.

Tutti i vantaggi di questa tecnologia.

L'aver semplificato o reso meno costose alcune lavorazioni, ottenendo un miglioramento della qualità del prodotto e una riduzione degli scarti, ha contribuito ad una sempre maggior diffusione dell'impiego delle sorgenti laser in ambito industriale, in sostituzione delle tradizionali fonti di calore (come la fiamma ossidrica, l'arco elettrico, etc.). Ma anche la flessibilità d'utilizzo è stata una delle carte vincenti in ambito produttivo del laser, i cui vantaggi possono essere così riassunti:

- il raggio laser opera senza contatto e da lontano, senza quasi influenzare il pezzo in lavorazione, che non entra nemmeno in vibrazione; si annulla così l'usura dell'utensile
- il laser opera rapidamente e in modo pulito e non richiede lavorazioni supplementari
- il laser riscalda più in fretta e in modo più mirato il pezzo delle sorgenti di calore tradizionale, evitando grazie ad una distribuzione più uniforme del calore la formazione di fenditure e tensioni interne al pezzo
· un raggio laser non ha né inerzia né peso e può quindi essere spostato e inclinato molto rapidamente, senza complicati sistemi di bloccaggio, potendo essere impiegato con vantaggio sia nei sistemi automatici e robotizzati, sia nella lavorazione di lotti di pochi pezzi, con processi variabili
- il laser può tagliare, perforare, incidere, fondere e saldare senza richiedere cambi di utensili.

Tre tipologie, moltissimi utilizzi

Se questi sono i vantaggi, va detto che, per poter lavorare materiali diversi in vari modi, occorre adattare alle diverse esigenze l'intensità e la durata del raggio laser, ma anche la sua collimazione e la sua lunghezza d'onda. Tutto ciò non può essere ottenuto con un solo tipo di laser; tre sono pertanto le tipologie di sorgenti che si sono via via maggiormente diffuse.

Innanzitutto il laser ad anidride carbonica (lunghezza d'onda 10,6 micron), che può essere fatto funzionare in modo continuo o pulsato, ha un altissimo rendimento (più del 20 per cento dell'energia elettrica fornita viene trasformata in radiazione laser) e una potenza di uscita fino a 20 kW. Impiegato nella quasi totalità delle installazioni industriali, è ideale per il taglio di materiali di grande spessore, permettendo di aumentare le velocità operative, e per la perforazione di materie plastiche.

Il laser a neodimio (lunghezza d'onda 1,06 micron) è invece un laser a stato solido, utilizzato principalmente ad impulsi con potenza media di utilizzo fino a 1 kW e in modo continuo con potenze fino a 2-3 kW. Il vantaggio di questa sorgente - un tempo impiegata soltanto per i piccoli spessori - sta nel fatto che la sua lunghezza d'onda di emissione presenta un maggior assorbimento da parte delle superfici metalliche e che il fascio generato può essere trasmesso in fibra ottica fino al punto di lavoro. E' ideale per la foratura di quasi tutti i materiali.

Infine il laser ad eccimeri, del tipo a gas, fornisce raggi UV corti ad alta energia assorbiti bene da quasi tutti i metalli e, grazie alla sua focalizzabilità fino a meno di 1 micron, è principalmente utilizzato per praticare fori piccolissimi nei metalli o per dividere microstrutture.

La foratura perfetta

Veniamo ora agli utilizzi di tipo industriale. Il più noto e diffuso è certo quello della foratura, con fori da alcuni micron fino a circa 1 millimetro. Il laser deve produrre una vaporizzazione, portando il pezzo fino alla temperatura di evaporazione; a questo punto il materiale estratto viene letteralmente lanciato via a velocità fra 100 e 1.000 metri al secondo. La sorgente è fornita in regime impulsivo, con il metodo della "goccia che fora la pietra", impedendo che il calore si disperda nel pezzo in lavorazione e penetrando sempre più profondamente nel materiale, vaporizzando ogni volta piccole quantità.

Penna per scrivere, coltello da taglio

Oltre a forare, il laser può anche incidere e scrivere o, ancora, asportare precise quantità di materiale. In queste operazioni, il vantaggio della tecnologia laser è quella di essere raffinata e precisa, oltre che pulita e veloce, senza contatto e facilmente automatizzabile.

Il raggio laser è anche un perfetto coltello: focalizzato su un diametro di 0,1 mm., porta rapidamente alla fusione il materiale, che viene poi asportato dalla fessura mediante un getto di gas. Gli spigoli prodotti sono pressoché verticali e le superfici quasi perfettamente piane, evitando quindi ulteriori lavorazioni successive.

Sono tre i tipi di taglio laser cui si fa ricorso:

- in quello per sublimazione - impiegato per legno, carta, ceramica e plastica - il materiale da tagliare è vaporizzato direttamente, senza passare per lo stato fuso;
- nel taglio per fusione - utilizzato per vetro, titanio, alluminio e metalli - la velocità di taglio può essere molto alta ma i bordi risultano rigati.
- Nel taglio per combustione, infine, - impiegato per le lamiere - si ottengono elevate velocità di taglio anche su spessori molto forti grazie all'aiuto dell'ossigeno. Il vantaggio del laser, rispetto ai procedimenti di taglio tradizionale, sta nel suo presentarsi come "coltello multiuso", particolarmente versatile ed in grado di percorrere linee anche complicate sotto il controllo di un computer; inoltre molto vantaggiosi sono gli spessori sottilissimi del taglio, la mancanza di trucioli nel caso di metalli duri e fragili e la non-logorabilità dell'utensile.

I nuovi impieghi

i trattamenti superficiali

Gli ultimi due ambiti nei quali, più di recente, il laser viene impiegato a livello industriale con risultati particolarmente significativi sono i trattamenti termici superficiali e la saldatura.

In materia di trattamento delle superfici (tempera, rifusione, formazione di leghe e riporto), l'impiego del laser ad anidride carbonica consente di ottenere su superfici molto delimitate vantaggi importanti come la pulizia chimica, la penetrazione termica controllata con ridotte distorsioni, il controllo del profilo termico della zona trattata, la riduzione delle rilavorazioni meccaniche post-processo e una lavorazione facilmente automatizzabile e non a contatto diretto.

In particolare, nel caso di processi di riporto - quando cioè si deve ottenere il rivestimento di una superficie metallica con altro materiale creando uno strato maggiormente resistente a precise sollecitazioni (corrosione, usura, etc.) - occorre che questa "fusione" avvenga senza diluizioni del materiale riportato su quello di base, che potrebbe altrimenti vedere alterate le sue proprietà meccaniche o di resistenza. Effettuare un riporto mediante fasci laser significa avere livelli controllati di diluizione e di riscaldamento, un buon legame di fusione con il substrato e una buona finitura della superficie riportata, operando con un'elevata flessibilità.

Il laser - Saldature perfette e rapide

Infine la saldatura: in quest'operazione, a differenza dei processi convenzionali, con il laser è possibile indirizzare e concentrare tutta l'energia in un'area molto piccola; in questo punto, grazie alle elevate densità di potenza che si raggiungono, i materiali vengono fusi o vaporizzati in tempi molto ridotti e con un fenomeno di penetrazione altamente efficiente. Basti dire che, mentre nelle saldature convenzionali il rapporto tra profondità e larghezza della zona fusa è inferiore a 1, con il laser si possono raggiungere valori di 7/8. La diversa fenomenologia del processo comporta inoltre un basso apporto termico (10 o 20 volte inferiore ai processi convenzionali): le deformazioni, quindi, sono almeno di un ordine di grandezza inferiori.

In sintesi i vantaggi della saldatura laser possono essere così riassunti:

- cordone sottile e profondo: la saldatura è autogena e richiede una sola passata; inoltre la larghezza è inferiore a 1/3 della penetrazione
- apporto termico basso: la zona termicamente alterata è quindi contenuta, con riduzione dei danni metallurgici; inoltre le deformazioni contenute riducono o eliminano le operazioni successive
- possibilità di saldare da un solo lato: è possibile saldare in posizioni inaccessibili per altre tecnologie; si possono ottenere giunti di testa, sovrapposizioni e combinazioni varie con passata da un solo lato
- capacità di produzione elevate e flessibilità: l'alta concentrazione di energia consente elevate velocità; si può operare in time-sharing su diverse stazioni
eliminazione dei requisiti di altri tipi di saldatura: non servono né i cortocircuiti dei processi elettrici, né i campi magnetici del fascio elettronico.

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