L'introduzione del taglio laser

Il taglio laser è una tecnologia che utilizza un laser per vaporizzare i materiali, risultando in un bordo tagliato.Sebbene sia generalmente utilizzato per applicazioni di produzione industriale, ora è utilizzato da scuole, piccole imprese, architettura e hobbisti.Il taglio laser funziona dirigendo l'uscita di un laser ad alta potenza più comunemente attraverso l'ottica.L'ottica laser e il CNC (controllo numerico computerizzato) sono utilizzati per dirigere il raggio laser sul materiale.Un laser commerciale per il taglio di materiali utilizza un sistema di controllo del movimento per seguire un codice CNC o G del modello da tagliare sul materiale.Il raggio laser focalizzato viene diretto verso il materiale, che poi si scioglie, brucia, evapora o viene spazzato via da un getto di gas,[1] lasciando un bordo con una finitura superficiale di alta qualità

Storia
Nel 1965 fu utilizzata la prima macchina da taglio laser di produzione per praticare fori negli stampi diamantati.Questa macchina è stata realizzata dal Western Electric Engineering Research Center.[3]Nel 1967, gli inglesi furono i pionieri del taglio a getto di ossigeno laser per i metalli.[4]All'inizio degli anni '70, questa tecnologia fu messa in produzione per tagliare il titanio per applicazioni aerospaziali.Allo stesso tempo, i laser a CO2 sono stati adattati per tagliare i non metalli, come i tessuti, perché, all'epoca, i laser a CO2 non erano abbastanza potenti da superare la conduttività termica dei metalli.[5]

Processi

Taglio laser industriale dell'acciaio con istruzioni di taglio programmate tramite interfaccia CNC
Il raggio laser viene generalmente focalizzato utilizzando una lente di alta qualità sulla zona di lavoro.La qualità del raggio ha un impatto diretto sulla dimensione dello spot focalizzato.La parte più stretta del raggio focalizzato ha generalmente un diametro inferiore a 0,0125 pollici (0,32 mm).A seconda dello spessore del materiale, sono possibili larghezze di taglio fino a 0,004 pollici (0,10 mm).[6]Per poter iniziare a tagliare da un punto diverso dal bordo, viene eseguito un foro prima di ogni taglio.Il piercing di solito comporta un raggio laser pulsato ad alta potenza che fa lentamente un foro nel materiale, impiegando circa 5-15 secondi per un acciaio inossidabile spesso 0,5 pollici (13 mm), ad esempio.

I raggi paralleli di luce coerente dalla sorgente laser spesso rientrano nell'intervallo tra 0,06 e 0,08 pollici (1,5–2,0 mm) di diametro.Questo raggio è normalmente focalizzato e intensificato da una lente o da uno specchio in un punto molto piccolo di circa 0,001 pollici (0,025 mm) per creare un raggio laser molto intenso.Per ottenere la finitura più liscia possibile durante il taglio del profilo, la direzione di polarizzazione del raggio deve essere ruotata mentre gira attorno alla periferia di un pezzo sagomato.Per il taglio della lamiera, la lunghezza focale è generalmente di 1,5–3 pollici (38–76 mm).[7]

I vantaggi del taglio laser rispetto al taglio meccanico includono una presa del pezzo più facile e una ridotta contaminazione del pezzo (poiché non vi è alcun tagliente che può essere contaminato dal materiale o contaminare il materiale).La precisione potrebbe essere migliore, poiché il raggio laser non si usura durante il processo.C'è anche una ridotta possibilità di deformare il materiale che viene tagliato, poiché i sistemi laser hanno una piccola zona interessata dal calore.[8]Alcuni materiali sono anche molto difficili o impossibili da tagliare con mezzi più tradizionali.

Il taglio laser per metalli presenta i vantaggi rispetto al taglio plasma di essere più preciso[9] e di utilizzare meno energia durante il taglio della lamiera;tuttavia, la maggior parte dei laser industriali non è in grado di tagliare lo spessore del metallo maggiore rispetto al plasma.Le macchine laser più recenti che funzionano a una potenza maggiore (6000 watt, in contrasto con i 1500 watt delle prime macchine da taglio laser) si stanno avvicinando alle macchine al plasma nella loro capacità di tagliare materiali spessi, ma il costo del capitale di tali macchine è molto più alto di quello del plasma macchine da taglio in grado di tagliare materiali spessi come lamiere di acciaio.[10]

Tipi

Taglio laser CO2 da 4000 watt
Esistono tre tipi principali di laser utilizzati nel taglio laser.Il laser CO2 è adatto per il taglio, la barenatura e l'incisione.I laser al neodimio (Nd) e al neodimio, ittrio-alluminio-granato (Nd:YAG) sono identici nello stile e differiscono solo nell'applicazione.Nd è usato per noioso e dove sono richieste alta energia ma basse ripetizioni.Il laser Nd:YAG viene utilizzato dove è necessaria una potenza molto elevata e per alesatura e incisione.Sia i laser CO2 che quelli Nd/Nd:YAG possono essere utilizzati per la saldatura.[11]

I laser CO2 vengono comunemente "pompati" facendo passare una corrente attraverso la miscela di gas (eccitata in CC) o utilizzando energia a radiofrequenza (eccitata in RF).Il metodo RF è più recente ed è diventato più popolare.Poiché i progetti DC richiedono elettrodi all'interno della cavità, possono subire l'erosione degli elettrodi e la placcatura del materiale degli elettrodi su vetreria e ottica.Poiché i risonatori RF hanno elettrodi esterni, non sono soggetti a questi problemi.I laser a CO2 vengono utilizzati per il taglio industriale di molti materiali tra cui titanio, acciaio inossidabile, acciaio dolce, alluminio, plastica, legno, legno ingegnerizzato, cera, tessuti e carta.I laser YAG sono utilizzati principalmente per il taglio e l'incisione di metalli e ceramiche.[12]

Oltre alla fonte di alimentazione, anche il tipo di flusso di gas può influire sulle prestazioni.Le varianti comuni dei laser a CO2 includono il flusso assiale veloce, il flusso assiale lento, il flusso trasversale e la lastra.In un risonatore a flusso assiale veloce, la miscela di anidride carbonica, elio e azoto viene fatta circolare ad alta velocità da una turbina o un ventilatore.I laser a flusso trasversale fanno circolare la miscela di gas a una velocità inferiore, richiedendo un soffiatore più semplice.I risonatori raffreddati a lastra oa diffusione hanno un campo di gas statico che non richiede pressurizzazione o vetreria, con conseguente risparmio sulla sostituzione di turbine e vetreria.

Il generatore laser e l'ottica esterna (compresa la lente di messa a fuoco) richiedono il raffreddamento.A seconda delle dimensioni e della configurazione del sistema, il calore di scarto può essere trasferito da un refrigerante o direttamente all'aria.L'acqua è un liquido di raffreddamento comunemente usato, di solito fatto circolare attraverso un refrigeratore o un sistema di trasferimento del calore.

laser microjet è un laser guidato a getto d'acqua in cui un raggio laser pulsato è accoppiato a un getto d'acqua a bassa pressione.Viene utilizzato per eseguire funzioni di taglio laser mentre si utilizza il getto d'acqua per guidare il raggio laser, proprio come una fibra ottica, attraverso la riflessione interna totale.I vantaggi di questo sono che l'acqua rimuove anche i detriti e raffredda il materiale.Ulteriori vantaggi rispetto al tradizionale taglio laser "a secco" sono l'elevata velocità di taglio a cubetti, il taglio parallelo e il taglio omnidirezionale.[13]

I laser a fibra sono un tipo di laser a stato solido in rapida crescita nell'industria del taglio dei metalli.A differenza della CO2, la tecnologia in fibra utilizza un mezzo di guadagno solido, al contrario di un gas o di un liquido.Il “laser seme” produce il raggio laser e viene poi amplificato all'interno di una fibra di vetro.Con una lunghezza d'onda di soli 1064 nanometri, i laser a fibra producono uno spot di dimensioni estremamente ridotte (fino a 100 volte inferiore rispetto alla CO2) che lo rendono ideale per il taglio di materiale metallico riflettente.Questo è uno dei principali vantaggi della Fibra rispetto alla CO2.[14]

I vantaggi del taglio laser a fibra includono: -

Tempi di elaborazione rapidi.
Consumi energetici e bollette ridotti grazie a una maggiore efficienza.
Maggiore affidabilità e prestazioni: nessuna ottica da regolare o allineare e nessuna lampada da sostituire.
Manutenzione minima.
La capacità di lavorare materiali altamente riflettenti come rame e ottone
Maggiore produttività: costi operativi inferiori offrono un maggiore ritorno sull'investimento.[15]

Metodi
Esistono molti metodi diversi per il taglio utilizzando i laser, con diversi tipi utilizzati per tagliare diversi materiali.Alcuni dei metodi sono vaporizzazione, fusione e soffiaggio, fusione e soffiatura, cracking da stress termico, incisione, taglio a freddo e taglio laser stabilizzato alla combustione.

Taglio a vaporizzazione
Nel taglio della vaporizzazione il raggio focalizzato riscalda la superficie del materiale fino al punto di infiammabilità e genera un buco della serratura.Il buco della serratura porta ad un improvviso aumento dell'assorbimento approfondendo rapidamente il buco.Quando il foro si approfondisce e il materiale bolle, il vapore generato erode le pareti fuse soffiando espellendo e allargando ulteriormente il foro.I materiali non fondenti come legno, carbonio e plastica termoindurente vengono solitamente tagliati con questo metodo.
Sciogliere e soffiare
Il taglio per fusione e soffiaggio o per fusione utilizza gas ad alta pressione per soffiare il materiale fuso dall'area di taglio, diminuendo notevolmente il fabbisogno energetico.Dapprima il materiale viene riscaldato fino al punto di fusione, quindi un getto di gas fa uscire il materiale fuso dalla fessura evitando la necessità di aumentare ulteriormente la temperatura del materiale.I materiali tagliati con questo processo sono generalmente metalli.

Cracking da stress termico
I materiali fragili sono particolarmente sensibili alla frattura termica, una caratteristica sfruttata nelle cricche da stress termico.Un raggio si concentra sulla superficie provocando riscaldamento ed espansione termica localizzati.Ciò si traduce in una fessura che può quindi essere guidata spostando la trave.La fessura può essere spostata nell'ordine di m/s.Di solito è usato nel taglio del vetro.

Cubettatura invisibile di wafer di silicio
Ulteriori informazioni: cubetti di wafer
La separazione dei chip microelettronici preparati nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore dai wafer di silicio può essere eseguita mediante il cosiddetto processo di dicing stealth, che opera con un laser Nd:YAG pulsato, la cui lunghezza d'onda (1064 nm) è ben adattata all'elettronica gap di banda del silicio (1,11 eV o 1117 nm).

Taglio reattivo
Detto anche “taglio laser a gas stabilizzato alla combustione”, “taglio a fiamma”.Il taglio reattivo è come il taglio con cannello a ossigeno ma con un raggio laser come fonte di accensione.Utilizzato principalmente per il taglio di acciaio al carbonio di spessore superiore a 1 mm.Questo processo può essere utilizzato per tagliare lamiere di acciaio molto spesse con una potenza laser relativamente ridotta.

Tolleranze e finitura superficiale
Le taglierine laser hanno una precisione di posizionamento di 10 micrometri e una ripetibilità di 5 micrometri.[citazione necessaria]

La rugosità standard Rz aumenta con lo spessore della lamiera, ma diminuisce con la potenza del laser e la velocità di taglio.Quando si taglia acciaio a basso tenore di carbonio con potenza laser di 800 W, la rugosità standard Rz è 10 μm per uno spessore della lamiera di 1 mm, 20 μm per 3 mm e 25 μm per 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Dove: {\ displaystyle S =} S = spessore lamiera di acciaio in mm;{\ displaystyle P =} P = potenza laser in kW (alcune nuove taglierine laser hanno una potenza laser di 4 kW);{\ displaystyle V =} V = velocità di taglio in metri al minuto.[16]

Questo processo è in grado di mantenere tolleranze abbastanza strette, spesso entro 0,001 pollici (0,025 mm).La geometria del pezzo e la solidità meccanica della macchina hanno molto a che fare con le capacità di tolleranza.La tipica finitura superficiale risultante dal taglio del raggio laser può variare da 125 a 250 micro pollici (da 0,003 mm a 0,006 mm).[11]

Configurazioni macchina

Laser a ottica volante a doppio pallet

Testa laser con ottica volante
Esistono generalmente tre diverse configurazioni di macchine da taglio laser industriali: sistemi a materiale mobile, ibridi e a ottica volante.Questi si riferiscono al modo in cui il raggio laser viene spostato sul materiale da tagliare o lavorare.Per tutti questi, gli assi di movimento sono in genere indicati come assi X e Y.Se la testa di taglio può essere controllata, è designata come asse Z.

I laser per materiali mobili hanno una testa di taglio fissa e spostano il materiale sotto di essa.Questo metodo fornisce una distanza costante dal generatore laser al pezzo e un unico punto da cui rimuovere gli effluenti di taglio.Richiede meno ottica, ma richiede lo spostamento del pezzo.Questa macchina di stile tende ad avere il minor numero di ottiche di emissione del raggio, ma tende anche ad essere la più lenta.

I laser ibridi forniscono un tavolo che si muove su un asse (di solito l'asse X) e sposta la testa lungo l'asse più corto (Y).Ciò si traduce in una lunghezza del percorso di erogazione del raggio più costante rispetto a una macchina ottica volante e può consentire un sistema di erogazione del raggio più semplice.Ciò può comportare una riduzione della perdita di potenza nel sistema di erogazione e una maggiore capacità per watt rispetto alle macchine a ottica volante.

I laser a ottica volante sono dotati di un tavolo fisso e di una testa di taglio (con raggio laser) che si sposta sul pezzo in entrambe le dimensioni orizzontali.Le frese a ottica volante mantengono fermo il pezzo durante la lavorazione e spesso non richiedono il bloccaggio del materiale.La massa in movimento è costante, quindi la dinamica non è influenzata dalle variazioni delle dimensioni del pezzo.Le macchine a ottica volante sono il tipo più veloce, il che è vantaggioso quando si tagliano pezzi più sottili.[17]

Le macchine ottiche volanti devono utilizzare un metodo per tenere conto della variazione della lunghezza del raggio dal taglio in campo vicino (vicino al risonatore) al taglio in campo lontano (lontano dal risonatore).I metodi comuni per controllare questo includono la collimazione, l'ottica adattiva o l'uso di un asse di lunghezza del raggio costante.

Le macchine a cinque e sei assi consentono anche il taglio di pezzi formati.Inoltre, esistono vari metodi per orientare il raggio laser su un pezzo sagomato, mantenendo una corretta distanza di messa a fuoco e distanziamento dell'ugello, ecc.

pulsante
I laser pulsati che forniscono un'esplosione di energia ad alta potenza per un breve periodo sono molto efficaci in alcuni processi di taglio laser, in particolare per la perforazione, o quando sono richiesti fori molto piccoli o velocità di taglio molto basse, poiché se si utilizza un raggio laser costante, il calore potrebbe raggiungere il punto di fondere l'intero pezzo da tagliare.

La maggior parte dei laser industriali ha la capacità di pulsare o tagliare CW (onda continua) sotto il controllo del programma NC (controllo numerico).

I laser a doppio impulso utilizzano una serie di coppie di impulsi per migliorare la velocità di rimozione del materiale e la qualità del foro.In sostanza, il primo impulso rimuove il materiale dalla superficie e il secondo impedisce all'ejecta di aderire al lato del foro o di tagliare.[18]