La rivoluzione dei laser in fibra

Ecco come ottimizzare il taglio di alti e bassi spessori mediante variazione delle proprietà del fascio laser.

di D. Kliner, B. Victor e G. D’Amelio

Il mercato del taglio lamiera è da sempre basato sulla combinazione dei seguenti fattori: elevata produttività, precisione ed economicità. Negli ultimi anni, i laser in fibra con potenze da 2 a 4 kW sono diventati il cavallo di battaglia per molti clienti offrendo un taglio più preciso sugli spessori sottili rispetto alle tecnologie già diffuse del laser CO2 e del plasma. Tuttavia, molti sistemi di taglio che utilizzano i laser in fibra, sono progettati per una gamma limitata di spessori. In particolare, uno spot laser di dimensioni ridotte e ben focalizzato fornisce un ottimo risultato per bassi spessori, ma non per quelli alti. In alternativa, è possibile utilizzare un fascio di dimensioni maggiori per consentire tagli di spessori più alti a discapito però della produttività. Risulta quindi difficile trovare una soluzione che abbracci tutta la gamma delle parti da realizzare in una realtà produttiva classica se la stessa macchina viene utilizzata sia per bassi che per alti spessori.

Lasciare la produttività sul tavolo
A riprova di quanto detto sopra, troviamo una serie di aziende solitamente strutturate e di grandi dimensioni che si dotano di più macchine da taglio, dove ognuna di esse è configurata per rispondere a una particolare esigenza di spessore. Questo tipo d’investimento è limitante per i piccoli produttori, che si possono permettere solitamente una sola macchina, per l’intera gamma dei prodotti da tagliare. Per sopperire a questa limitazione spesso viene cambiata la configurazione ottica della macchina in funzione dello spessore di taglio. Ciò però forza a lasciare sul tavolo parte della produttività o della qualità di taglio. Inoltre, eseguendo queste operazioni, si rischia la contaminazione delle ottiche causando potenzialmente anche dei fermi macchina importanti.
La capacità di poter selezionare automaticamente la dimensione dello spot laser senza dover variare le ottiche all’interno della testa estenderebbe l’applicabilità, la produttività ma soprattutto la finestra di processo dei laser in fibra. Come risposta alle esigenze di avere un’ampia gamma di spessori da tagliare, la maggior parte degli approcci esistenti prevede un’ottica motorizzata all’interno della testa di taglio. Alcuni esempi sono l’impiego di teste da taglio zoom, accoppiatori fibra-fibra o free-space che variano la dimensione del fascio. In alternativa possono essere utilizzati degli interruttori ottici (“switch”) fibra-fibra con 2 o più uscite accoppiate a fibre di processo indipendenti dedicate a differenti applicazioni. Queste soluzioni ottiche, tipicamente chiamate “Free-Space”, utilizzano una gestione del fascio laser in aria libera e non in fibra, aumentando i costi e la complessità del sistema. Un altro svantaggio di questa opzione è il degrado delle prestazioni in quanto aumenta la suscettibilità al disallineamento delle ottiche e alla contaminazione.
La tecnologia “Free-Space” rende quindi il sistema dipendente dalla densità di potenza presente sulle varie ottiche che, in un sistema zoom, risultano essere molteplici rendendo la testa maggiormente soggetta a effetti di variazione alla posizione del fuoco (Thermal Lens) al variare della densità di potenza utilizzata sulla singola superficie ottica. In aggiunta, in presenza di una testa zoom con sistemi elettroattuati permane la dipendenza dai tempi di attuazione delle varie parti non essendo il sistema completamente integrato nella sorgente in fibra.
Questi sistemi di variazione delle caratteristiche del fascio, tipicamente applicati internamente alla testa di processo, hanno come ulteriore svantaggio l’aggravio di peso e d’ingombro. Questo aumento va a discapito della velocità di processo a causa del peso maggiore che un sistema di movimentazione, esempio un Gantry, deve trasportare. Questa maggiore presenza di componenti optomeccanici è anche soggetta a manutenzione più frequente. La mancanza di un sistema integrato in fibra, che consente la variazione delle dimensioni dello spot delle sorgenti laser costringe quindi gli integratori a scegliere tra flessibilità nel mix di lavoro e prestazioni/affidabilità. Questo compromesso aumenta i costi e costringe il cliente a lasciare la produttività sul tavolo.

La svolta dei laser in fibra
nLIGHT® ha sviluppato una nuova tecnologia interamente in fibra (Corona™) che consente la variazione rapida delle dimensioni dello spot laser dalla fibra di processo. Questa variazione di dimensione lavora su un intervallo di oltre 3x senza avere nessuno degli svantaggi descritti per le soluzioni “Free-Space”.
Inoltre, i laser in fibra Corona™ sono in grado di variare la distribuzione di energia del fascio. Tale tecnologia ha già dimostrato una migliore qualità di taglio su materiali metallici. Tra queste, la distribuzione di potenza Piatta (Top-Hat) e anulari così detti (“a ciambella”).
I laser in fibra Corona™ con potenza di 4 kW hanno prodotto prestazioni migliori rispetto ai laser in fibra convenzionali per il taglio di lamiere di acciaio dolce, acciaio inossidabile, alluminio e rame con spessori fino a 1 pollice (25,4 mm). Questa caratteristicha permette lo sviluppo di teste di taglio e macchine “universali” per il taglio ottimizzato di una vasta gamma di spessori.
Il fascio di uscita del laser in fibra Corona™ ha la possibilità di essere variato in continuo, da ~100 a ~300 µm, variandone di conseguenza il BPP, come riportato in Figura 1. Per facilitare l’ottimizzazione del processo, viene fornito un numero fisso di impostazioni (valori “Indice”). Per esempio, la Figura 1 mostra i sei differenti diametri del raggio di uscita e i rispettivi valori di BPP associati alle relative distribuzioni di energia del fascio laser. Come è evidente nelle immagini mostrate in figura, la fibra di alimentazione è divisa in zone che guidano il raggio laser. Al fine di soddisfare la più ampia gamma possibile di applicazioni, sono disponibili diversi tipi di fibre.
Nella versione mostrata in Figura 1, la fibra di alimentazione è costituita da un nucleo centrale di 100 μm circondato da due regioni di guida anulari con diametri di 200 µm e 300 µm. Il diametro e la forma del fascio sono modificabili variando il partizionamento della potenza del laser tra queste tre regioni guida.
La caratteristica fondamentale e senza precedenti che il sistema Corona™ fornisce è data dal fatto che la variazione di distribuzione di energia del fascio laser è realizzata interamente all’interno della fibra, senza l’utilizzo di sistemi ottici “Free-Space” esterni. Questa soluzione permette così di usufruire di tutti i vantaggi di prestazioni, stabilità, efficienza e affidabilità dei laser in fibra standard. La piena potenza del laser è disponibile in ogni impostazione dell’indice.
L’altro vantaggio della tecnologia utilizzata nel laser Corona™ è che la modifica delle caratteristiche del fascio laser è molto rapida, con un tempo di transizione dal diametro più piccolo a quello massimo inferiore ai 30 ms. Il laser continua a funzionare a piena potenza durante il cambio d’indice, senza necessità di spegnere (o “oscurare”) il laser durante la modifica. La rapida variazione tra una forma e l’altra offerta dal laser Corona™ non solo permette l’applicazione ai diversi spessori della lamiera ma consente anche di essere impiegata in ogni fase del processo di taglio. Per esempio, è possibile utilizzare diverse impostazioni durante la sequenza di piercing oppure durante il taglio diritto rispetto a quello a interpolazione.

Le prestazioni nel taglio del metallo
Il mercato generale del taglio dei metalli, incluso il taglio laser, è dominato dalla lavorazione di alti spessori in acciaio dolce (MS Mild-Steel). Il laser in fibra Corona™ offre vantaggi esclusivi in termini di qualità del bordo e di massimo spessore per il taglio di MS rispetto ad altri sistemi laser. In Figura 2 sono riportati alcuni campioni di MS tagliati con un laser in fibra standard da 4 kW con una fibra di processo da 100 μm e un laser in fibra CoronaTM da 4 kW. Per tutti i test è stata utilizzata una testa da taglio a ottica fissa con ingrandimento 1,5x e ossigeno come gas di processo. In Figura 2 è anche riportata la forma ottimale del fascio laser Corona™, la velocità di taglio e la rugosità della superficie misurata.
I risultati chiave ottenuti sono:
• Per il campione più sottile (0,25 pollici – 6,35mm), il diametro ottimale del raggio Corona™ è 100 μm. La velocità di taglio e la qualità del bordo sono simili tra il laser in fibra standard e quello con l’opzione Corona™. Tale risultato è coerente con quanto atteso visto che i due laser hanno dimensioni dello spot e BPP simili.
• Per i campioni più spessi, il laser in fibra Corona™ fornisce una qualità del bordo decisamente migliore, con una rugosità ridotta fino a 3 volte. Per tali campioni il diametro ottimale del raggio corona è > 100 µm.
• Per il laser in fibra standard, lo spessore massimo che consente un distacco della parte da tagliare dalla lamiera è di circa 0,75 pollici (19 mm). Il laser in fibra Corona™ invece, estende tale valore a uno spessore di 1 pollice (25,4 mm) con una qualità del bordo superiore.
• La rugosità delle parti tagliate con il laser in fibra Corona™ hanno una dipendenza molto inferiore dallo spessore rispetto a quelle tagliate con il laser in fibra standard. La rugosità misurata sullo spessore di 1 pollice (25,4 mm) di MS tagliato con Corona™ è inferiore a quella ottenuta con un laser in fibra standard su spessori di 0,5 pollici. Questa elevata qualità del bordo riduce o elimina la necessità di lunghe e costose fasi di rilavorazione successive.
• La velocità di taglio del laser in fibra Corona™ misurate durante la fase sperimentale è risultata uguale o leggermente più elevata (~ 5%) rispetto a quella del laser in fibra standard.
In Figura 3 sono riportate le fotografie in primo piano di 1 pollice di MS tagliato con il laser in fibra standard e il laser in fibra Corona™. Le scorie sul taglio di metallo con il laser in fibra standard impediscono al pezzo di cadere facilmente dallo scheletro della piastra, mentre il taglio del campione con il laser in fibra Corona™ mostra prestazioni di distacco dalla lamiera molto migliori e molto più costanti.
Questa semplificazione nel distacco delle parti è essenziale per consentire l’automazione dei processi di fabbricazione ed evitare le operazioni di “fermo macchina” che sono, a oggi, fondamentali nel tentativo di ridurre i costi di produzione. Oltre alla ridotta rugosità, la migliore perpendicolarità del bordo mostrate in Figura 3, la variazione dello spot ha implicazioni fondamentali per applicazioni come la saldatura. È importante notare come la migliore qualità di taglio del laser in fibra Corona™ non comporti nessuna penalizzazione in termini di velocità (Figura 2). Infatti, la testa da taglio utilizzata nel confronto tra le due sorgenti è la medesima. Questa prestazione “senza compromessi” è irraggiungibile con qualsiasi altra tecnologia ed è derivata dall’esclusivo design interamente in fibra del laser Corona™.
Per dimostrare la stabilità del processo di taglio utilizzando il laser in fibra Corona™ , si sono prodotti una serie di campioni con forme di diversa complessità. La Figura 4 mostra una parte in MS da 1 pollice con la sezione centrale molto stretta larga circa 0,110 pollici (3 mm). Anche su questa parte, la rugosità del bordo e la perpendicolarità sono eccellenti, senza evidenza di bruciature sul lato opposto. La dimensione del fascio variabile e la forma del laser in fibra Corona™ consentono una produzione costante di parti con caratteristiche molto stringenti caratterizzate da piccoli fori e angoli precisi su alti spessori.
Successivamente alle prove sopra descritte, sono state anche condotte prove di taglio assistito in azoto di MS, acciao inossidabile, alluminio e rame utilizzando un laser in fibra Corona™ da 4 kW. Nella maggior parte dei casi, l’impostazione dell’indice più piccolo offre le migliori prestazioni con velocità di taglio e qualità dei bordi simili a quelle di un laser in fibra standard da 4 kW.
Questo risultato è prevedibile in quanto l’indice 0 del laser in fibra Corona™ fornisce la massima densità di potenza sul pezzo da lavorare, la stessa di un laser standard. Per il taglio in azoto di alcuni dei materiali più spessi, tuttavia, le impostazioni di indice più elevate offrono una migliore qualità del bordo, con una riduzione di velocità a causa della minore densità di potenza. In questi casi, l’impostazione dell’indice ottimale (forma del fascio) è specifica per l’applicazione e il Laser Corona™ consente all’integratore o all’utente finale di adattare le caratteristiche di qualità del bordo all’applicazione.

Affidabilità, leader nel settore
Sin dal primo laser in fibra, nLIGHT ha introdotto una protezione hardware contro le retroriflessioni in fase di processo (Back-Reflection), consentendo la lavorazione ininterrotta di materiali altamente riflettenti. I laser Corona™ mantengono questa elevata tolleranza al Back-Reflection e sono già stati utilizzati per il taglio e la saldatura di rame e altri materiali riflettenti.
Per essere consistenti nella qualità della produzione dei laser, in nLIGHT sono stati condotti severi stress test per valutare la robustezza delle sorgenti Corona™. Una serie di laser in fibra Corona™ sono stati “ciclati” tra tutti gli indici di configurazione disponibili con una sosta di 100 ms tra un’impostazione e l’altra per oltre 13,4 milioni di cicli su singolo laser. Il diametro del raggio è stato misurato periodicamente per cercare di rilevare la deriva e l’eventuale degrado delle prestazioni. Il risultato di tale test è stato più che positivo infatti, il diametro del raggio, per tutte le impostazioni dell’indice è rimasto entro il 4% senza cambiamenti sistematici o di deriva.
I laser in fibra Corona™ offrono così una lunga durata e un funzionamento senza manutenzione caratteristico di tutti in laser in fibra ad alte prestazioni.
I laser in fibra nLIGHT sono stati progettati per poter essere riparati sul campo anche in ambienti di produzione. Inoltre, gli integratori possono essere istruiti per diagnosticare e riparare i laser, garantendo il massimo tempo di attività delle loro macchine e ridurre il downtime dell’impianto. I laser in fibra CoronaTM mantengono questi vantaggi di praticabilità, consentendo un’ulteriore differenziazione dagli altri laser in fibra.

Conclusioni
Il laser in fibra CoronaTM rappresenta un importante progresso rispetto ai laser in fibra standard e alle tecnologie precedenti per variare la qualità/forma del fascio.
I principali vantaggi includono:
• Design Innovativo “All-Fiber”, tutto in fibra, che mantiene le caratteristiche di affidabilità e qualità dei laser in fibra, senza introdurre le complicazioni di un Sistema in “Free-Space”.
• Il laser in fibra CoronaTM elimina la necessità di accoppiatori e Switch esterni fibra-fibra, ottiche motorizzate o teste di processo zoom.
• La variazione degli indici e molto rapida (<30msec) e il laser può restare acceso durante la variazione della forma del fascio.
• Non è richiesta nessuna manutenzione o calibrazione, anche dopo milioni di cambi d’indice.
• In più la tecnologia CoronaTM non aumenta il consumo di corrente, non riduce l’efficienza e non aumenta la dimensione del laser. Le procedure di installazione sono le medesime di un laser in fibra standard.
• La tecnologia CoronaTM è molto ampia ed è applicabile a diverse forme del fascio e a diversi livelli di potenza.
La qualità del fascio configurabile con la tecnologia CoronaTM, consente ora lo sviluppo di strumenti “universali” per il taglio ottimizzato, consentendo la lavorazione di un’ampia gamma di metalli e spessori.
La piccola officina o la grande fabbrica non sono più costrette a scegliere tra prestazioni compromesse, acquisto di più macchine e/o l’uso di tecnologie ottiche complesse, costose e poco molto robuste.