Evoluzione dei processi di laser cleaning

La migrazione tecnologica, dettata dalla spinta di efficienza delle tecniche produttive e dalla necessità di un maggiore controllo di processo, sta progressivamente introducendo nuovi usi della tecnologia laser a fibra in diverse industry. Settori come il finishing, la ristrutturazione selettiva di aree di lavoro, il decapaggio e la rimozione di contaminanti, storicamente risolte con le tecniche tradizionali meccaniche e chimiche, sono infatti in profonda fase di upgrade di processo. Diventa quindi fondamentale favorire questa evoluzione attraverso un approccio metodologico scientifico, in grado di scalare e integrare i processi legacy nella nuova tecnologia. Procedere con analisi di fattibilità includendo solide competenze in materia di scienza dei materiali, progettazione ottica, test di interazione laser-materia rappresenta un approccio multidisciplinare necessario per affiancare questo importante percorso di migrazione tecnologica.

La necessità di applicarsi in modo proattivo e risolutivo al nuovo percorso tecnologico che sta accompagnando la riqualificazione di molti processi industriali ha spinto Fujikura Ltd a creare un nuovo modello di lavoro e di struttura dedicato al mercato EMEA. La nuova piattaforma dell’EEC (European Engineering Centre) di Fujikura Ltd, con sede presso Tecnosens SpA a Brescia, rappresenta un’eccellente convergenza di tecnologia e competenze scientifico-applicative nel  dominio delle sorgenti laser a fibra dopate con itterbio. Fujikura è una public company con un consolidato annuo di circa sette miliardi di dollari, quotata alla Borsa di Tokyo e con oltre 58.000 dipendenti. Con 135 anni di storia produttiva si è progressivamente specializzata nella progettazione e manifattura di tecnologie basate su fibra ottica, nel campo della trasmissione dati e di potenza, mantenendo nei decenni un posizionamento da leader di mercato.

La caratura scientifica e la total governance produttiva 100% Made in Japan di Fujikura ha consentito in questi anni di investire risorse e ricerca di base nell’implementazione e caratterizzazione della propria tecnologia a favore dei nuovi processi di finitura delle superfici, nei settori tradizionali e high-tech. Oltre a realizzare sorgenti a fibra per alcuni settori tradizionali come la marcatura, il taglio, la saldatura e il micromachining, la multinazionale ha deciso di promuovere la propria tecnologia attraverso canali qualificati e poli di ingegneria industriale come quello creato a Brescia per il mercato EMEA.

All’interno dell’EEC di Fujikura si qualificano i nuovi processi industriali legati all’ultimo stato dell’arte in materia di saldature evolute e ibride di materiali high-tech, ma anche tecniche laser per qualificazione, processamento selettivo e microristrutturazione di superfici. Il mercato dell’e-mobility (elettrico) ma anche la miglior tecnica di trattamento delle superfici e di produzione delle leghe leggere convergono verso una crescente richiesta di selettività e controllo nei pre-post process primari, come per esempio il taglio, la saldatura o l’incisione in profondità.

Anche l’adozione combinata di processi tradizionali accompagnati dall’implementazione di tecnologia laser per garantire una sistematica preparazione delle superfici ha acquisito un modus operandi ormai consolidato e in continua crescita. È infatti molto frequente qualificare e risolvere processi ibridi integrati dove si effettua un’azione di laser cleaning selettivo dei giunti di saldatura, sia prima di processi tradizionali come MIG o TIG che dopo come decapaggio laser, per deossidare e stabilizzare la superficie del cordone di saldatura. Oppure, in molte industry come il comparto dell’acciaio per costruzioni o nell’industria pesante, molto di frequente viene richiesta la rimozione dello strato di primer sulle aree e superfici destinate al taglio e alla saldatura, in modo da rendere efficiente e stabile l’azione di sfondamento nel kerf di taglio o la deposizione di materiale d’apporto o distribuzione del bagno fusorio. È importante anche evidenziare come la spinta all’automazione integrata e il controllo totale dei processi-sistemi aziendali di Manufacturing attraverso l’innovazione del paradigma fondante dell’Industria 4.0 abbiano trasformato molti processi labor intensive in capital intensive. Questo ha comportato una migrazione di molti processi manuali, discrezionali, costosi e senza uno standard di total quality integrato verso le nuove tecnologie laser di trattamento delle superfici. Possiamo anche citare la spinta green o ecosostenibile di molte realtà produttive che intendono sostituire processi a forte impatto ambientale e di sicurezza come per esempio la sabbiatura, il decapaggio chimico o i processi meccanici di spazzolatura a favore di tecniche produttive a ridottissimo impatto come l’utilizzo di laser a fibra.

Dalla sabbiatura al derusting laser

Negli ultimi anni, l’EEC di Fujikura ha svolto una importante qualifica di processo per una corporation internazionale che si poneva l’obiettivo di eliminare la sabbiatura in buona parte del proprio flusso produttivo di componenti metallici. Le reali motivazioni risiedevano nella volontà di effettuare un redesign delle proprie linee di Manufacturing e di limitare progressivamente tutti i processi energivori a forte incidenza economica su operatività e consumi. Si è infatti identificato come l’adozione della tecnologia laser per la rimozione di ossido e residuo prima della verniciatura abbia consentito un’ulteriore razionalizzazione della linea dei compressori destinati ai processi di sabbiatura. In questo modo, la conversione dei vecchi impianti permetterà di evitare progressivamente costose manutenzioni sulle linee compressori e di ridurre il consumo e anche le perdite occulte di carico. Man mano che le vecchie stazioni di sabbiatura saranno sostituite con nuove stazioni di derusting laser (rimozione ossido), si affiancherà un’azione di smantellamento della rete di compressori ad alta portata volumetrica. Ambienti di lavoro meno rumorosi, meno perdite di efficienza, assenza di sabbia e polveri in produzione e la trasformazione di un processo impattante ed energivoro, in un processo efficiente a basso fabbisogno di consumi, sono stati solo alcuni degli obiettivi raggiunti con successo.

Entrando nella fisica del processo di cleaning laser, si utilizza una radiazione elettromagnetica coerente di fotoni, collimata e focalizzata per rimuovere i contaminanti solidi principalmente per sublimazione. Indichiamo con ablazione laser una serie di processi di rimozione del materiale dalle superfici accompagnata da un’onda d’urto che si propaga verso l’esterno, interessando le aree circostanti. L’energia del laser viene assorbita dal materiale di superficie producendo un “plume” di plasma costituito dagli stessi prodotti di ablazione. Sono stati sviluppati vari approcci teorici per descrivere il processo di rimozione e sono stati eseguiti numerosi studi per misurarne i parametri in diverse condizioni. Le soglie di ablazione sono state misurate anche per una varietà di metalli che vanno da qualche decimo a qualche centinaio di J/cmq e si è verificato che questi valori dipendono dalla lunghezza d’onda del raggio laser, dalla durata dell’impulso e dallo spessore del materiale. Il tasso di ablazione, o la quantità di materiale rimosso, è proporzionale al lavoro per superficie e può avvenire per rimozione fotomeccanica (nel caso dei laser pulsati) oppure fototermica (per le versioni a onda continua). L’efficienza dell’assorbimento del raggio laser dipende dalla riflettività del materiale, dalla qualità della superficie e dalle proprietà chimico-fisiche del materiale target. Quando i materiali vengono lavorati con un raggio laser, le loro proprietà superficiali potrebbero cambiare, così come potrebbero verificarsi dei passaggi di fase. Questo è il caso delle applicazioni di finitura microrestructuring dove per esempio viene effettuata una rifusione superficiale per eliminare o rendere sistematicamente costanti le asperità medie superficiali e rugosità, oppure per incrementale la “readability”, ovvero la lettura automatica di marcature profonde regolamentate. In alcune applicazioni si potrebbero perseguire obiettivi diversi sullo stesso materiale e contaminante, per esempio una superficie potrebbe rimanere finemente levigata, mentre in altre aree la superficie potrebbe essere ruvida o diversamente alterata. Pertanto, per una finitura di successo le tecniche di pulizia laser dovrebbero tenere conto delle proprietà sia del materiale da pulire che del materiale, la qualità della superficie e le proprietà del contaminante sulla superficie stessa.

Alcune industry come il settore dell’arredamento metallico o l’industria pesante stanno progressivamente avvicinandosi alla tecnologia laser a fibra per risolvere alcune rimozioni di trattamenti superficiali (decoating) o strati di vernice (depainting) al fine di limitare l’impatto della mascheratura nell’ingegneria dei sistemi. Molte formulazioni di coating sono assimilabili a composti organici a base di zinco, un elemento particolarmente ostico quando occorre processare l’acciaio con la tecnologia laser. Il punto di fusione inferiore, la dinamica di sublimazione, rendono lo zinco un attivatore di spatter e instabilità complessiva durante i processi fisici di transizione di modo tramite sorgente laser. Per tutte queste caratteristiche, all’interno dell’EEC di Fujikura sono state eseguite qualifiche di laser cleaning utilizzando anche delle tecniche e soluzioni di monitoraggio dello spettro emissivo caratteristico per bande di energia del rivestimento rimosso. Questo ha consentito di associare alla tecnica di rimozione laser anche un sistema di controllo e logging del processo ablativo, rendendo tracciabile ogni parametro esecutivo.

L’EEC di Fujikura a Brescia rimane quindi un interlocutore qualificato per supportare l’analisi di processi basati sulla tecnologia laser a fibra o per il design di nuove applicazioni da integrare nei sistemi esistenti.