Guida alla lavorazione assistita da laser: Processi, ottimizzazione e applicazioni

Questa guida illustra la tecnologia della lavorazione assistita da laser e il modo in cui l'incorporazione del laser nella lavorazione tradizionale migliora le capacità. Tratta i principi dell'interazione tra laser e materiali e come vengono ottimizzati i parametri di processo. Vengono inoltre esaminate le applicazioni reali nei vari settori e le prospettive future della produzione laser di precisione.

Fabbricazione di metalli assistita dal laser: Taglio di precisione e trattamento superficiale

I processi di lavorazione ibridi basati sul laser hanno rivoluzionato la produzione di precisione negli ultimi decenni. Incorporando una sorgente laser ad alta potenza in utensili sottrattivi convenzionali, queste tecnologie sbloccano nuove capacità di lavorazione dei materiali, ben oltre i limiti dei soli metodi tradizionali.

Con le interazioni laser-materia regolate dalle proprietà e dalle impostazioni del laser, questi processi ingegnerizzano gli effetti termici, fisici e chimici per un'efficiente rimozione, modifica e strutturazione dei materiali. Il controllo accurato dei parametri laser in base alle caratteristiche del materiale di lavoro ottimizza i risultati del processo.

Questa flessibilità consente alla lavorazione assistita dal laser di affrontare metalli, leghe, ceramiche e compositi altrimenti problematici, precedentemente ritenuti difficili da tagliare con mezzi esclusivamente meccanici. Al di là del taglio e della foratura di base, questi sistemi ibridi consentono funzioni innovative che spaziano dalle superfici indurite alle topografie micro-formate.

In tutti i settori industriali, l'ibridazione laser migliora significativamente l'efficienza del processo, la qualità e la precisione dei prodotti di alta precisione. Anche se si sta lavorando ancora molto sul miglioramento della tecnologia, la convenienza dell'applicazione produttiva ha già ricevuto un'ampia accettazione nella maggior parte delle industrie, con una preferenza per la produzione di automobili, aerospaziale e industrie mediche. Questo articolo ha l'obiettivo di presentare un'introduzione generale del campo relativamente nuovo della lavorazione assistita da laser. Riassume i principi chiave, passa in rassegna gli studi di ottimizzazione dei processi e mette in evidenza le applicazioni che utilizzano questa tecnologia emergente. Vengono inoltre esaminate le prospettive future della produzione laser di precisione.

Parametri del processo laser

I parametri laser chiave che influenzano il processo di lavorazione laser sono la potenza laser, la lunghezza d'onda, la frequenza degli impulsi, ecc. La potenza laser determina la quantità di energia erogata al pezzo. Una potenza più elevata consente una rimozione più rapida del materiale, ma può causare zone termicamente alterate. Anche la lunghezza d'onda influisce sulla lavorazione - Le lunghezze d'onda più corte vengono assorbite meglio in superficie, mentre quelle più lunghe penetrano in profondità.

La frequenza dell'impulso è importante per i laser pulsati. Le frequenze più alte consentono potenze di picco più elevate per una rimozione più rapida, ma le frequenze più basse aiutano a minimizzare la zona colpita dal calore. L'ottimizzazione corretta di questi parametri è necessaria in base al materiale e al risultato desiderato.

Considerazioni sui materiali

Anche le proprietà del materiale, come la conducibilità termica, la durezza, il comportamento di incrudimento, ecc. hanno un impatto significativo sulla lavorazione laser. I materiali con una conducibilità termica più elevata consentono al calore di dissiparsi più velocemente, riducendo le sollecitazioni termiche. Ma sono anche più difficili da lavorare. I materiali più duri richiedono una densità di energia più elevata per la rimozione.

I materiali che si induriscono fortemente, come l'acciaio, fanno sì che la superficie si indurisca man mano che si riscalda, richiedendo densità energetiche ancora più elevate. La comprensione di queste interazioni tra i parametri laser e le caratteristiche del materiale aiuta a personalizzare il processo per ottenere risultati ottimali per ogni applicazione. I parametri di processo devono essere adattati in base al materiale del pezzo, per una lavorazione efficiente con una buona finitura superficiale e precisione dimensionale.

Vantaggi della lavorazione assistita da laser

La lavorazione assistita dal laser offre diversi vantaggi rispetto ai processi di lavorazione convenzionali non assistiti dal laser. Alcuni dei principali vantaggi sono la riduzione delle forze di taglio, la diminuzione della rugosità superficiale, la diminuzione dell'usura degli utensili e l'alterazione della microstruttura e delle proprietà del materiale.

Il trattamento termico localizzato causato dal laser riduce significativamente le forze di taglio sull'utensile, ammorbidendo e indebolendo il materiale di lavoro davanti all'utensile. Questo riduce il carico meccanico e termico sull'utensile. Il materiale ammorbidito produce anche una finitura superficiale migliore, con una rugosità superficiale ridotta rispetto alla lavorazione convenzionale.

I carichi e le temperature più bassi dell'utensile portano a una minore usura e a una maggiore durata dell'utensile. Gli esperimenti dimostrano un aumento significativo della durata degli utensili, fino a 10 volte rispetto ai processi non laser. Il ciclo termico laser modifica anche la microstruttura e la durezza dei materiali a livello molto localizzato. Ciò consente applicazioni come la tempra delle superfici.

In generale, l'incorporazione del laser migliora la produttività, consentendo tassi di rimozione del materiale più elevati e una migliore qualità della superficie. In combinazione con la riduzione dei costi degli utensili grazie alla minore usura, la lavorazione assistita dal laser offre una migliore economia dei pezzi rispetto ai metodi tradizionali, soprattutto per i materiali difficili da tagliare.

Ricerca sulla lavorazione laser di materiali specifici

Leghe di nichel

Le leghe di nichel sono ampiamente utilizzate nell'industria aerospaziale e medica, grazie alla loro elevata forza e resistenza alla corrosione. Tuttavia, la loro microstruttura densa le rende difficili da lavorare. Gli studi dimostrano che i laser Nd:YAG con potenze comprese tra 150-300W e velocità di avanzamento di 2-4 mm/min ottimizzano la qualità del taglio nell'Inconel 718. La tornitura assistita dal laser riduce le forze di spinta di 40%, la temperatura di taglio di 30°C e raggiunge una rugosità superficiale di 0,4μm rispetto alla tornitura convenzionale.

Leghe di titanio

Le leghe di titanio come il Ti6Al4V sono comunemente utilizzate nelle turbine degli aerei, grazie alla loro elevata forza e resistenza alla corrosione. Ma la loro reattività chimica pone problemi di lavorazione. Gli studi ottimizzano la fresatura di Ti6Al4V con il laser a fibra 1070nm a 3kW di potenza e 500mm/min di avanzamento. Questo dimezza le forze di taglio e l'energia di taglio specifica, mentre produce una rugosità superficiale di 0,8μm rispetto a 2,5μm senza assistenza laser.

Ceramica

Le ceramiche di nitruro di silicio e di allumina trovano applicazioni che richiedono elevata durezza e resistenza. Tuttavia, la loro fragilità le rende inclini alle cricche nei processi non laser. I laser consentono processi simili alla micro-EDM a energie inferiori, per lavorare la ceramica senza cricche. L'ottimizzazione della fresatura laser Nd:YAG del nitruro di silicio, con una potenza di 200W e un avanzamento di 50 mm/min, ha prodotto superfici con una rugosità di 0,2μm senza cricche.

Materiali compositi

L'EPRI afferma che i compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio e fibra di vetro continuano ad essere ampiamente utilizzati, in quanto possiedono elevati rapporti di rigidità e resistenza rispetto al peso. Il laser rimuove solo la matrice polimerica e, grazie alla sua elevata resistenza, le fibre complete offrono una finitura pulita dei bordi. Gli studi dimostrano che la CO2 taglio laser di compositi in fibra di carbonio con una potenza di 3 kW e una velocità di avanzamento di 300 mm/min, produce superfici di taglio con rugosità <1μm senza delaminazione.

In sintesi, l'ottimizzazione dei parametri laser in base alle proprietà dei materiali consente una lavorazione efficiente e senza danni di leghe, ceramiche e compositi altrimenti difficili da tagliare. Questo migliora la produttività e soddisfa i severi requisiti delle applicazioni aerospaziali e mediche. Ulteriori ricerche possono aiutare ad espandere le capacità di lavorazione laser ad altri materiali.

Tecniche di taglio avanzate nella lavorazione assistita dal laser

Tornitura e fresatura assistite dai laser

Di seguito sono riportati alcuni dei processi di rimozione dei metalli più frequentemente utilizzati; svolta e la fresatura. Nella tornitura, un utensile da taglio ruota mentre il pezzo ruota e con l'operazione di taglio vengono prodotte entrambe le superfici cilindriche. Nella fresatura, una fresa con un numero multiplo di denti ruota per tagliare il materiale mentre viene alimentata sulla superficie del pezzo.

L'integrazione del laser in queste operazioni aiuta a lavorare materiali difficili. Nella tornitura, un laser focalizzato preriscalda il materiale prima dell'utensile, abbassando le forze di taglio e la temperatura. Questo riduce lo stress dell'utensile e ne prolunga la durata nella lavorazione delle leghe. Nella fresatura, un laser a scansione ammorbidisce in modo selettivo il materiale da lavorare da rimuovere successivamente, migliorando la qualità della superficie e consentendo tassi di rimozione del materiale più elevati.

Gli studi hanno dimostrato un aumento di 40-60% della durata dell'utensile e una riduzione delle forze quando i laser vengono utilizzati nella tornitura di superleghe di titanio e nichel. La fresatura di Inconel 718 con laser a fibra di itterbio ha mostrato tassi di rimozione del materiale 3 volte superiori rispetto ai metodi convenzionali.

Effetto dei laser pulsati sul taglio

I laser pulsati, a differenza di quelli a onda continua, offrono un maggiore controllo sull'elaborazione termica durante il taglio. Le elevate potenze di picco dei laser pulsati consentono un rapido riscaldamento localizzato, mentre il ritardo tra gli impulsi aiuta a dissipare il calore tra le esposizioni.

La ricerca dimostra che l'ottimizzazione della durata dell'impulso laser e della frequenza di ripetizione mantiene la temperatura della zona di taglio al di sotto dei livelli critici per evitare danni all'utensile. Impulsi più brevi con ritardi interimpulsivi più ampi generano zone termicamente influenzate minime. I laser CO2 pulsati riducono l'ossidazione superficiale nella fresatura del titanio rispetto ai laser continui.

I laser a fibra pulsata massimizzano il tasso di rimozione del materiale nella tornitura di acciai duri per la loro capacità di preriscaldare e tagliare con spot individuali di dimensioni micron. Questo riscaldamento localizzato consente ai laser pulsati di minimizzare gli impatti termici sugli utensili e sulle superfici rispetto ai laser continui.

Testurizzazione della superficie con la lavorazione laser

Tempra superficiale al laser

La tempra superficiale laser utilizza l'alta densità energetica dei raggi laser per trattare rapidamente strati superficiali sottili, senza influire sulle proprietà interne del materiale di base. In questo modo si crea un involucro duro sulle superfici esterne, per resistere all'usura e alla corrosione.

La ricerca dimostra che la tempra laser, utilizzando parametri laser adeguati, aumenta in modo significativo la durezza, l'usura e le prestazioni di corrosione delle superfici trattate. Ad esempio, il trattamento laser Nd:YAG dell'acciaio AISI 4340 con una potenza di 1,5 kW crea uno strato temprato di 0,5 mm con un aumento della durezza di 50-60% rispetto al materiale di base.

Allo stesso modo, la tempra laser delle leghe di titanio aumenta la durezza superficiale di 30-40% e triplica la resistenza all'usura. Le rapide velocità di riscaldamento e raffreddamento del trattamento laser, superiori a 105 K/s, promuovono le fasi di non equilibrio responsabili della tempra. I cicli più rapidi riducono inoltre al minimo le zone colpite dal calore.

La tempra laser è molto efficace su ingranaggi, stampi e altri componenti soggetti ad attrito e usura. Il processo migliora la durata funzionale e riduce le esigenze di manutenzione dei componenti industriali. Offre un'alternativa ecologica e versatile ad altre tecniche di tempra superficiale.

Modellazione laser della superficie

La testurizzazione precisa della superficie mediante laser consente una serie di applicazioni che richiedono proprietà superficiali migliorate o personalizzate. Le micro/nanostrutture generate dal laser alterano gli attributi di bagnatura, adesione, tribologici e ottici.

Gli studi dimostrano che la strutturazione superficiale con laser a femtosecondi dei metalli con geometrie submicroniche migliora la resistenza alla corrosione, interrompendo la diffusione degli agenti ossidanti. Autopulizia superidrofobico vengono create superfici su metalli come il titanio, attraverso la formazione laser di strutture gerarchiche che imitano le foglie di loto. Queste superfici presentano angoli di contatto con l'acqua >160° e angoli di scorrimento <10°.

I nanograttamenti antiriflesso e anti-sudore su vetro utilizzano la litografia a interferenza laser per gli array di creste di lunghezza inferiore all'onda. Gli impianti biomedici dimostrano una maggiore osteointegrazione grazie a topografie microscanalate al laser simili all'architettura ossea trabecolare.

I laser possono elaborare rapidamente modelli uniformi e lisci su grandi aree, con dimensioni controllate delle caratteristiche. La nanopatternatura 3D consente di ottenere proprietà superficiali sfumate e multifunzionalità. Il processo laser senza contatto evita i problemi di contaminazione.

Nel complesso, l'ingegneria laser delle superfici apre nuove strade per la progettazione intelligente delle superfici in settori come quello automobilistico, dei prodotti di consumo e degli impianti biomedici, attraverso la regolazione della microstruttura e delle proprietà.

Conclusione

La lavorazione assistita da laser è emersa come una tecnologia di produzione molto efficace, che offre vantaggi significativi rispetto ai metodi convenzionali. Gli effetti di riscaldamento di precisione dei laser consentono di migliorare le capacità di lavorazione di un'ampia gamma di materiali precedentemente considerati difficili da tagliare.

Ottimizzando i parametri laser insieme a quelli di taglio, in base alle proprietà del materiale di lavoro, si possono ottenere i massimi miglioramenti nella produttività del processo, nella qualità del pezzo e nella durata dell'utensile. I laser pulsati, in particolare, offrono un controllo eccellente sugli effetti termici per ridurre al minimo i danni al pezzo e l'usura dell'utensile.

Oltre alle operazioni di taglio di base, l'integrazione dei laser apre nuove possibilità, come i trattamenti di durezza e le texture superficiali personalizzate. Questo espande le applicazioni a componenti funzionalizzati in molti settori industriali. Mentre la ricerca continua, le implementazioni industriali delle tecnologie laser hanno già dimostrato i loro vantaggi tecnici ed economici, soprattutto per le applicazioni esigenti di alto valore.

Con ulteriori progressi, la lavorazione laser è destinata ad aumentare e persino a sostituire i processi sottrattivi tradizionali. La sua flessibilità e la natura senza contatto continueranno a sviluppare vie di produzione avanzate. Nel complesso, i processi ibridi basati sul laser mostrano un enorme potenziale per il futuro, nella fabbricazione efficiente di pezzi funzionali di alta precisione e di superfici ingegnerizzate.

Domande frequenti

Q. Come funziona una macchina laser per i metalli?

A. Un laser ad alta potenza viene diretto sul pezzo di metallo, utilizzando così l'energia laser per fondere, evaporare o rimuovere il materiale. Al di sotto è possibile scolpire varie forme, grazie a sistemi di posizionamento precisi:

Q. Quali tecnologie laser vengono impiegate per la lavorazione?

A. I tipi più comuni sono quelli a CO2, a stato solido (Nd:I generatori laser disponibili comprendono i laser a coloranti, i laser a eccimeri, i laser YAG e i laser a fibra; funzionano nelle regioni dall'infrarosso all'ultravioletto. I laser a fibra multikilowatt sono portatili e offrono prestazioni elevate.

Q. Che tipo di materiali possono essere lavorati al laser?

A. Si può lavorare qualsiasi cosa, dai metalli e non metalli, all'acciaio, alla plastica, al legno, alla ceramica e ai compositi di grafite.

Q. Quali sono i vantaggi della lavorazione laser?

A. Offre una lavorazione non termica senza contatto, alta precisione e accuratezza. Altri vantaggi sono la riduzione delle vibrazioni della macchina, l'assenza di usura degli utensili e la possibilità di lavorare pezzi 3D intricati senza fissaggio dei pezzi.