1. Principio e classificazione del taglio laser

● Principio del taglio laser

IL taglio laser utilizza un fascio focalizzato ad alta densità di potenza per funzionare, in modo che il materiale irradiato venga rapidamente fuso, vaporizzato, ablato o infiammato, e il materiale fuso venga soffiato via da un flusso d'aria ad alta velocità coassiale al fascio, tagliando così il pezzo in lavorazione.

Quando il raggio laser interagisce con il materiale, si verificano diversi processi. L'intenso calore generato dal raggio laser aumenta rapidamente la temperatura del materiale, provocandone la fusione, la vaporizzazione o una reazione chimica. L'interazione specifica dipende dalle proprietà del materiale, come il coefficiente di assorbimento e il punto di fusione, nonché dai parametri laser, come la densità di potenza e la durata dell'impulso.

Per materiali con basso punto di fusione, come la plastica, il raggio laser può fondere il materiale durante il taglio. Il materiale fuso viene quindi soffiato via da un getto di gas, creando un solco di taglio (la larghezza di taglio). Nel caso di materiali con punto di fusione più elevato, come i metalli, il raggio laser vaporizza direttamente il materiale, creando un taglio stretto e preciso.

L'assistenza gassosa è comunemente utilizzata nel taglio laser per migliorare il processo di taglio. Un gas, come ossigeno o azoto, viene soffiato attraverso l'ugello della testa di taglio sulla superficie del materiale. Il gas aiuta a rimuovere il materiale fuso o vaporizzato dalla zona di taglio, raffredda il materiale e previene la formazione di bave o scorie. La scelta del gas dipende dal materiale da tagliare e dalla qualità di taglio desiderata.

La larghezza del taglio, o larghezza del kerf, è determinata da diversi fattori, tra cui la potenza del laser, la dimensione del punto focale, lo spessore del materiale e la velocità di taglio. La larghezza del taglio può essere controllata regolando questi parametri per ottenere la precisione di taglio desiderata. Inoltre, il taglio laser può dare origine a un fenomeno chiamato conicità, in cui il taglio assume una leggera forma conica. L'angolo di conicità dipende dalle proprietà del materiale e dai parametri laser e può essere ridotto al minimo ottimizzando le condizioni di taglio.

●Nozioni di base sul laser:

Un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è un dispositivo che produce un fascio concentrato di luce coerente. È costituito da tre componenti principali: un mezzo attivo, una sorgente di energia e un risonatore ottico. Il mezzo attivo, che può essere solido, liquido o gassoso, emette fotoni quando viene eccitato dalla sorgente di energia. Il risonatore ottico riflette i fotoni avanti e indietro attraverso il mezzo attivo, amplificando e allineando le onde luminose. Questo processo porta alla formazione di un fascio laser potente e coerente.

● Taglio laser classificazione

Esistono diversi tipi di laser utilizzati nelle macchine per il taglio laser, tra cui laser a CO2, laser Nd:YAG e laser a fibra. I laser a CO2 sono i più comuni e utilizzano una miscela di anidride carbonica, azoto ed elio come mezzo attivo. I laser Nd:YAG utilizzano un cristallo allo stato solido, come il granato di ittrio e alluminio drogato al neodimio, come mezzo attivo. I laser a fibra, invece, utilizzano una fibra ottica drogata con elementi di terre rare come mezzo attivo. Ogni tipo di laser ha le sue proprietà uniche ed è adatto a specifiche applicazioni di taglio.

1) Laser a CO2

Comunemente utilizzato per tagliare materiali non metallici come legno, plastica, vetro e tessuti. Può anche tagliare metalli come acciaio dolce, acciaio inossidabile e alluminio con la giusta configurazione.

2) Taglio laser a vaporizzazione

Il pezzo viene riscaldato da un raggio laser ad alta densità di energia, la temperatura aumenta rapidamente, il punto di ebollizione del materiale viene raggiunto in brevissimo tempo e il materiale inizia a vaporizzare formando vapore. Questi vapori vengono espulsi ad alta velocità e, durante l'espulsione, si forma una fessura nel materiale. Il calore di vaporizzazione del materiale è generalmente elevato, quindi per il taglio laser a gassificazione sono necessarie potenza e densità di potenza elevate.

Il taglio mediante vaporizzazione laser viene spesso utilizzato per tagliare materiali metallici e non metallici molto sottili.

3) Taglio laser a fusione

Quando il laser viene fuso e tagliato, il materiale metallico viene fuso dal riscaldamento laser, quindi il gas non ossidante viene spruzzato attraverso un ugello coassiale al fascio di luce e il metallo liquido viene scaricato dalla forte pressione del gas formando una fessura. La fusione e il taglio laser non richiedono la vaporizzazione completa del metallo e l'energia richiesta è solo 1/10 di quella necessaria per il taglio per vaporizzazione.

Il taglio laser a fusione viene utilizzato principalmente per il taglio di alcuni materiali non ossidabili o metalli attivi.

4) Taglio laser all'ossigeno

Il principio del taglio laser a ossigeno è simile a quello del taglio ossiacetilenico. Utilizza un laser come fonte di calore di preriscaldamento e un gas attivo come l'ossigeno come gas di taglio. Da un lato, il gas iniettato agisce sul metallo da tagliare innescando una reazione di ossidazione che rilascia una grande quantità di calore; dall'altro, l'ossido fuso e la massa fusa vengono espulsi dalla zona di reazione formando una fessura nel metallo.

Poiché la reazione di ossidazione durante il processo di taglio genera una grande quantità di calore, l'energia richiesta per il taglio laser per ossidazione è solo la metà di quella richiesta per il taglio per fusione e la velocità di taglio è molto maggiore rispetto al taglio laser per vaporizzazione e al taglio per fusione.

Il taglio laser all'ossigeno viene utilizzato principalmente per acciaio al carbonio, acciaio al titanio e materiali metallici trattati termicamente, come il trattamento termico.

5) Taglio laser e controllo della frattura

Il laser dicing consiste nello scansionare la superficie del materiale fragile con un laser ad alta densità di energia, in modo che il materiale venga evaporato tramite calore fino a formare una piccola scanalatura. Successivamente, viene applicata una certa pressione e il materiale fragile viene incrinato in corrispondenza della piccola scanalatura. I laser per il laser scribing sono generalmente laser Q-switched e laser a CO2.

Il controllo della frattura avviene tramite una distribuzione di temperatura elevata generata dall'incisione laser, che genera uno stress termico locale nel materiale fragile, causandone l'interruzione.

●Processo di taglio laser

Il processo di taglio laser prevede diverse fasi. Innanzitutto, il raggio laser viene generato dalla sorgente laser e guidato attraverso una serie di specchi e lenti fino alla testa di taglio. La testa di taglio contiene un'ottica di focalizzazione che concentra il raggio laser in uno spot di piccole dimensioni. Il raggio laser focalizzato viene quindi indirizzato sul materiale da tagliare.

2. Caratteristiche del taglio laser

● Vantaggio

1) Buona qualità di taglio

Il taglio laser consente di ottenere una migliore qualità di taglio grazie al piccolo spot laser, all'elevata densità di energia e alla rapida velocità di taglio.

2) Elevata efficienza di taglio

Grazie alle caratteristiche di trasmissione del laser, la macchina per il taglio laser è generalmente dotata di più tavoli di lavoro a controllo numerico e l'intero processo di taglio può essere realizzato a controllo numerico. Durante il funzionamento, è sufficiente modificare il programma NC per applicare il taglio a diverse forme di componenti, eseguire tagli bidimensionali e realizzare tagli tridimensionali.

3) Alta velocità di taglio

Il taglio laser non richiede materiali di fissaggio, il che consente di risparmiare sui dispositivi di fissaggio e sui tempi ausiliari per il carico e lo scarico.

4) Taglio senza contatto

Durante il taglio laser non c'è contatto tra la torcia e il pezzo in lavorazione e non c'è usura dell'utensile. Per lavorare pezzi di forme diverse, non è necessario cambiare "utensile", basta modificare i parametri di uscita del laser. Il processo di taglio laser è silenzioso, con poche vibrazioni e non inquina.

● Svantaggio

Taglio laser A causa della potenza limitata del laser e del volume dell'attrezzatura, il taglio laser può tagliare solo piastre e tubi di spessore medio e piccolo e la velocità di taglio diminuisce significativamente all'aumentare dello spessore del pezzo.

Le attrezzature per il taglio laser sono costose e richiedono un investimento una tantum.