La tecnologia laser è molto diffusa nelle realtà industriali odierne e viene impiegata per diverse lavorazioni quali, ad esempio, il taglio di lamiere metalliche e lastre polimeriche, l’indurimento, i trattamenti termici superficiali, la saldatura, i trattamenti superficiali di incisione e di marcatura, l’additive manufacturing e i sistemi di misura ottici.

Taglio laser di lamiere metalliche

Il taglio laser di lamiere metalliche è un processo di separazione termica senza asportazione di truciolo. Il calore necessario viene apportato da un fascio di luce coerente, cioè caratterizzato da radiazioni aventi tutte la stessa lunghezza d’onda, la stessa direzione e la stessa fase. Tale fascio viene focalizzato da una lente sulla superficie della lamiera da tagliare. Quando il raggio colpisce la superficie, l’energia luminosa concentrandosi in un punto piccolissimo, si converte in calore portando rapidamente a fusione o a evaporazione il metallo. Un flusso di gas, spesso inerte come l’azoto, viene insufflato nella zona di taglio ed esegue l’evacuazione dei residui di metallo fusi e protegge il metallo durante il raffreddamento.

La sorgente laser, in funzione della tecnologia impiegata, può essere classificata come:

• Ad anidride carbonica (CO₂): il laser a CO₂ ha un buon rendimento e garantisce un’eccellente qualità del taglio laser, anche su lamiere spesse di acciaio.
• A fibra: i laser a fibra sono più efficienti e veloci della versione a CO₂ di pari potenza, e rispetto a questi ultimi permettono un taglio di qualità anche su materiali come ottone e rame.
• A diodo: il laser a diodo associa i benefici delle due categorie precedenti, in quanto assicura minori consumi energetici e maggiore capacità di taglio, sia rispetto al taglio ad anidride carbonica che rispetto a quello a fibra, se utilizzato su materiali riflettenti.

La struttura delle soluzioni di taglio laser può assumere diverse morfologie in funzione del tipo di oggetto da lavorare:

• Laser piano 2D: è usato per il taglio di lamiere piane di medio-basso spessore. La testa di taglio si muove nel piano X-Y al di sopra della lamiera che viene sostenuta da sotto tramite delle doghe di rame o ferro, il cui insieme è detto “letto di fachiro”.
• Laser tridimensionale 3D: questa famiglia di laser è impiegata per il taglio di oggetti già lavorati per piegatura o imbutitura che si sviluppano nello spazio. La testa laser si deve muovere e orientare nello spazio. Spesso la testa può anche ruotare su due assi per eseguire lavorazioni inclinate.
• Taglio di tubi: il taglio di tubi tramite laser è molto impiegato nella carpenteria e permette la lavorazione di forme complesse che poi spesso vengono accoppiate tra loro tramite saldatura.

Tramite il taglio laser è possibile lavorare: acciai dolci e inox, alluminio, rame e altre leghe.

Taglio laser di materiali polimerici

I materiali polimerici sono facilmente lavorabili alle macchine utensili ad asportazione di truciolo, ma il vantaggio del taglio laser è il fatto che durante il taglio non si generano trucioli e non ci sono elevate forze di taglio. Inoltre, il taglio è netto e non ci sono segni o graffi di lavorazione.

Sebbene in generale i polimeri siano ben lavorabili tramite laser, il materiale preferito per il taglio laser è sicuramente il PMMA (detto comunemente plexiglass).

Le macchine impiegate per tale scopo sono laser a bassa potenza (tra i 20 e 300W) con tecnologia a CO₂ e tipicamente con struttura cartesiana 2D (in piano).

Durante la fase di taglio è comune aggiungere anche delle lavorazioni superficiali quali marcature di scritte o simboli, in modo da non dover ricorrere successivamente all’incollaggio di targhe o adesivi.

Additive manufacturing

L’additive manufacturing (A.M.) è una tecnologia che sta diventando molto usata nelle moderne industrie. L’uso del laser è principalmente adottato nella tecnologia di A.M. a deposizione metallica per la creazione di prototipazioni rapide usando stampanti 3D, oppure anche per la riparazione di componenti già esistenti tramite la tecnica del laser cladding, anche se in tempi recenti iniziano a svilupparsi applicazioni legate alle produzioni di piccole serie.

Nel caso di stampa 3D a deposizione metallica, inizialmente viene disteso un sottile layer di polvere metallica. Successivamente, il laser fonde localmente la polvere dove effettivamente si vuole aggiungere materiale. Infine, la tavola su cui è distesa la polvere si abbassa di un piccolo step per la deposizione di un ulteriore layer di polvere.

Nel caso di riparazione tramite laser cladding, si ha inizialmente un pezzo da riparare che è corroso, parzialmente danneggiato oppure spezzato. Da un ugello viene diretta polvere ad alta pressione nella zona in cui si vuole aggiungere nuovo materiale. Nella stessa zona, un laser concentra il suo fascio e fonde localmente il materiale d’apporto. Esempi di manufatti lavorati con questa tecnica sono: turbine ad alta e a bassa pressione prodotte in leghe di nichel, pale in titanio o, più in generale, parti ad alta complessità e ad alto valore aggiunto in cui la riparazione è più conveniente della totale sostituzione.

Marcatura e incisione laser

Il laser, oltre che per il taglio, è usato anche per lavorazioni di finitura superficiali quali la marcatura e l’incisione. Tali operazioni sono utili per facilitare la tracciabilità dei pezzi e/o per migliorare l’estetica e la funzionalità dei pezzi stessi.

Per marcatura laser si intende un processo di trasformazione della colorazione superficiale a causa dell’azione di un fascio laser che riscalda il materiale. Per incisione laser invece si intende un processo di rimozione dello strato superficiale a causa dell’azione di un fascio laser che vaporizza il materiale in superficie. Durante la rimozione dello strato, cambia anche l’aspetto della zona lavorata, in quanto il materiale raggiunge notevoli temperature.

Esempi di marcatura e incisione laser sono:

• caratteri alfanumerici scritti con il font desiderato;
• codici a barre e QR-code;
• grafiche di abbellimento e disegni a proprio piacimento;
• loghi e simboli.

Sistemi di misura laser

Il laser, per sua natura, è un fascio quasi esente da imperfezioni e per tale ragione, con le dovute accortezze, si può sfruttarne la precisione anche in ambito metrologico. Uno dei principali vantaggi di questi sistemi di misura ottici basati sui laser è che garantiscono elevatissime precisioni. Inoltre, i laser per scopi metrologici sono dispositivi di misura che non perturbano il sistema con forze esterne perché sono senza contatto, vantaggio non indifferente specialmente quando bisogna eseguire misure di grande precisione.

I principali sistemi di misura laser sono:

• I triangolatori laser: questi sistemi sfruttano un principio geometrico per ricavare indirettamente la distanza del target da misurare. Si tratta di sistemi di misura estremamente precisi (range submicrometrico) ed accurati. La frequenza di campionamento può raggiungere anche alcune centinaia di kHz. Si tratta di dispositivi costosi ma con performance molto elevate.
• Il calibro laser: si tratta di un sistema basato sulla misura del tempo di ombra del pezzo che passa davanti al fascio laser per ricavare indirettamente la dimensione del pezzo stesso. Questo sistema è usato, ad esempio, nei sistemi di misura a valle delle rettifiche senza centri per monitorare il processo in real time.
• Laser scanner: i laser scanner sono sistemi per il rilevamento di geometrie complesse. Permettono di acquisire con precisione la posizione di tutta la superficie del pezzo sotto analisi. È poi possibile ricostruire la superficie del pezzo per confrontarlo con la geometria “nominale” del CAD e determinarne gli scostamenti.
• Telemetri: i telemetri (o distanziometri) sono apparecchi usati tipicamente in edilizia per il rilievo di grandi distanze (anche centinaia di metri). Il principio di funzionamento è basato sul tempo di volo (o sullo sfasamento) del fascio laser che impatta contro il target e rimbalza indietro verso la sorgente.

Saldatura laser

La saldatura laser sfrutta la potenza luminosa di un fascio di luce concentrato in un punto estremamente piccolo. L’energia scaricata su pezzo lo fa scaldare fino a portarlo localmente alla fusione in pochissimo tempo. La zona termicamente alterata in questi casi è molto piccola in quanto il processo non fa in tempo a scaldare le zone limitrofe al giunto, di conseguenza la resistenza meccanica della connessione è eccellente. Un altro vantaggio è la velocità: questo processo permette velocità di esecuzione molto elevate se comparate con altre tecnologie (esempio saldatura TIG).

D’altro canto, questo tipo di saldatura richiede una preparazione estremamente precisa dei lembi che si ripercuote in attrezzature di staffaggio complesse e talvolta costose.

I materiali adatti alla saldatura laser sono acciaio e acciaio inox, alluminio, o altri materiali metallici.