La lavorazione dei metalli mediante taglio laser prevede generalmente un processo in quattro fasi che diventa piuttosto affascinante quando lo analizziamo passo dopo passo. L'intero processo inizia con un risonatore laser che genera un fascio potente, il quale viene successivamente amplificato attraverso miscele di gas CO2 oppure particolari cavi a fibra ottica. Quello che accade dopo è davvero notevole. Lenti estremamente precise concentrano il fascio fino a ridurlo a dimensioni inferiori a quelle di un capello, circa 0,1 mm di diametro. A queste intensità, la densità di potenza raggiunge oltre 10 milioni di watt per centimetro quadrato, sufficienti per fondere l'acciaio al carbonio entro mezzo millisecondo, come indicato da recenti ricerche pubblicate sul Journal of Manufacturing Processes. Per completare l'operazione, gas ausiliari come l'ossigeno o l'azoto rimuovono il metallo fuso, permettendo di ottenere tagli estremamente precisi. Parliamo di larghezze di taglio (kerf) ridotte fino a 0,15 mm anche su lamiere di acciaio inox spesse 3 mm.
Cinque sistemi principali lavorano in sinergia per garantire precisione ed efficienza:
Questa integrazione permette velocità di taglio fino a 60 m/minuto su acciaio dolce da 1 mm mantenendo tolleranze di ±0,05 mm—fondamentale per componenti automobilistici e aerospaziali ad alta precisione.
Oggi l'industria della lavorazione dei metalli utilizza principalmente tre tecnologie laser: sistemi basati su CO2, fibra e cristallo. I laser a CO2 tendono a lavorare bene metalli non ferrosi più spessi, poiché utilizzano gas per l'eccitazione. I laser a fibra hanno conquistato gran parte del mercato per lamiere sottili e di spessore medio, poiché amplificano la luce del diodo attraverso fibre ottiche. Secondo i dati più recenti del rapporto Industrial Laser 2024, i laser a fibra possono tagliare acciaio inossidabile da 3 mm a una velocità pari a due o tre volte quella dei tradizionali sistemi a CO2. I laser a cristallo, tra cui i modelli Nd:YAG, si trovano relegati in nicchie molto specifiche, come il taglio del titanio; tuttavia, questi sistemi non stanno registrando una crescita significativa soprattutto per via dei frequenti interventi di manutenzione e assistenza richiesti.
I laser a fibra offrono vantaggi distinti:
| Misura delle prestazioni | Laser a fibra | Laser CO2 |
|---|---|---|
| Velocità di taglio (acciaio 1 mm) | 25 m/min | 8 m/min |
| Costo dell'Energia/Mese* | $1,200 | $3.500 |
| Consumo Assistenza Gas | 15% in meno | Standard |
*Basato su un sistema da 500 kW, funzionamento 24/5
Per i produttori che lavorano metalli inferiori a 20 mm, i laser a fibra garantiscono un ritorno sull'investimento di 18-24 mesi grazie alla riduzione dei consumabili e al 94% di disponibilità (Studio sull'Economia della Metallurgia 2024). Sebbene i sistemi a CO2 rimangano validi per officine che lavorano materiali misti come acrilico o legno, essi consumano il 50-70% in più di energia per taglio metallico.
La lavorazione con laser funziona meglio con metalli che conducono il calore in modo uniforme e assorbono l'energia laser a tassi prevedibili. Materiali come acciaio inossidabile, alluminio, acciaio dolce, ottone e rame rientrano in questa categoria. L'acciaio inossidabile si distingue perché non si corrode facilmente, motivo per cui è molto utilizzato nei dispositivi medici e nelle attrezzature per l'elaborazione degli alimenti, dove l'igiene è importante. Il peso ridotto dell'alluminio lo ha reso il materiale preferito per aerei e automobili, dove il risparmio di pochi grammi si traduce in effettivi miglioramenti delle prestazioni. L'ottone e il rame non vengono utilizzati altrettanto frequentemente per il taglio laser, ma svolgono ruoli importanti nei sistemi elettrici nonostante le difficoltà che comportano. Questi metalli tendono a riflettere il raggio laser, per cui gli operatori necessitano di attrezzature e tecniche speciali per ottenere tagli precisi senza danneggiare le aree circostanti.
| Tipo di Metallo | Gamma di spessore tipica | Principali Aree di Applicazione |
|---|---|---|
| Acciaio inossidabile | 0,5–25 mm | Dispositivi medici, attrezzature per la lavorazione alimentare |
| Alluminio | 0,5–20 mm | Pannelli automobilistici, dissipatori di calore |
| Rame | 0,5–8 mm | Schede circuiti, scambiatori di calore |
Quando si lavorano materiali come rame e ottone, si presenta un grosso problema perché questi materiali riflettono indietro oltre il 90 percento dell'energia laser infrarossa. Questa riflessione può effettivamente danneggiare il laser stesso, se non viene gestita correttamente. È in questo contesto che entrano in gioco i laser a fibra, che funzionano meglio in questo caso specifico poiché operano a una lunghezza d'onda più corta, intorno ai 1.060 nanometri, e dispongono di una funzione detta modulazione adattativa della potenza, che aiuta a controllare il processo. Consideriamo ad esempio il taglio di lastre di rame con uno spessore di 2 mm. Questo processo richiede frequenze d'impulso superiori a 500 Hz e l'ausilio di gas azoto per evitare l'ossidazione durante il taglio. Sebbene tutti questi passaggi aggiuntivi comportino un consumo di energia circa il 15-20 percento superiore rispetto al taglio dell'acciaio, la maggior parte dei produttori ritiene che il compromesso sia accettabile per mantenere i livelli di precisione richiesti e proteggere i loro costosi investimenti in attrezzature.
Lo spessore del materiale su cui si lavora ha un grande impatto sulla velocità con cui possiamo tagliarlo e sulla quantità di energia utilizzata nel processo. Ad esempio, quando si lavora acciaio dolce da 5 mm, velocità intorno agli 8 metri al minuto danno buoni risultati. Tuttavia, con acciaio più spesso da 20 mm, gli operatori devono ridurre considerevolmente la velocità a circa 1,2 m/min, solo per evitare quelle fastidiose deformazioni ai bordi. Ciò che spesso si trascura è la preparazione della superficie. Macchie di ruggine o rivestimenti irregolari possono effettivamente deviare il fascio laser fino a mezzo millimetro, causando problemi di dimensione successivi. Pulire le superfici rivestite prima di iniziare fa davvero una grande differenza. Dati del settore mostrano che questo semplice passaggio aumenta la coerenza del taglio di circa il 30 percento, riducendo inoltre l'accumulo di scorie che complicano il post-trattamento.
I laser a fibra possono tagliare materiali a velocità circa tre volte superiori rispetto ai tradizionali sistemi a CO2, mantenendo tolleranze entro circa 0,1 mm su materiali difficili come l'acciaio inossidabile e le lamiere di alluminio. La costruzione a stato solido alla base di questi laser consente di risparmiare circa il 30 percento in termini di consumo energetico. Questa efficienza si traduce in tagli più puliti, dove il materiale praticamente si scioglie invece di bruciare, con molto meno calore che influenza le aree circostanti. Analizzando dati reali provenienti da stabilimenti produttivi in tutto il paese, le aziende riportano un risparmio tra 18 e 22 centesimi per parte prodotta da metalli con spessore inferiore ai 25 mm. Non sorprende che così tante aziende metallurgiche stiano passando alla tecnologia laser a fibra per le loro esigenze di produzione su larga scala.
Un importante produttore di componenti automobilistici è riuscito a ridurre di quasi la metà il tempo di produzione dei componenti del telaio passando a laser a fibra da 6 kW per lavorare lamiere di acciaio al carbonio spesse tra 2 e 8 mm. Ciò che colpisce è come questi nuovi sistemi abbiano praticamente eliminato la necessità di ulteriore lavoro di sbarbatura, grazie a tagli puliti e privi di colature. La finitura superficiale raggiunta è di circa Ra 3,2 micron, una superficie molto liscia. Per i produttori che devono rispettare scadenze strette, una precisione del genere fa tutta la differenza, soprattutto considerando la crescente richiesta da parte dei costruttori di automobili di rispettare specifiche rigorose per veicoli elettrici, dove ogni grammo è importante e le tolleranze minime.
Un numero sempre maggiore di aziende aerospaziali ha iniziato a utilizzare i laser a fibra quando lavorano parti strutturali in alluminio, come quelle impiegate per costole alari e sezioni di fusoliere realizzate in lega 7075-T6. Perché? Questi laser operano a una lunghezza d'onda di circa 1.070 nm, il che aiuta a ridurre i problemi di riflettività del materiale. Questo significa che possono tagliare lastre spesse 10 mm in modo costante a velocità di circa 15 metri al minuto, mantenendo le variazioni di spessore sotto lo 0,5%. Analizzando le tendenze recenti, si nota che quasi 9 progetti di aerei su 10 attuali includono effettivamente qualche tipo di componente in alluminio tagliato con laser. Di conseguenza, disporre di buoni sistemi a laser a fibra è diventato essenziale per i produttori che desiderano rispettare le rigorose normative di qualità AS9100, standard nel settore aerospaziale.
L'azoto funge da gas ausiliario inerte a pressioni comprese tra 12 e 20 bar per preservare la resistenza del materiale contro la corrosione. Quando ciò avviene, si previene l'ossidazione e si formano bordi puliti, rendendo queste parti ideali per utilizzi come dispositivi medici o componenti impiegati nell'industria alimentare. Prendiamo ad esempio l'acciaio inossidabile di grado 304 con uno spessore di 6 mm. Con un laser a fibra da 2 kW che lavora a una velocità di circa 10-12 metri al minuto, solitamente si osserva una zona termicamente alterata (HAZ) non superiore a 0,1 mm. Secondo una ricerca recentemente pubblicata nel rapporto Metal Fabrication 2024, passando da metodi basati sull'ossigeno a quelli assistiti con azoto, è possibile ridurre i costi aggiuntivi di finitura di circa un terzo. Alcuni parametri importanti da notare sono:
La elevata riflettività dell'alluminio (85–92% a una lunghezza d'onda di 1µm) richiede l'utilizzo di modalità laser a impulsi per evitare la deviazione del fascio. Un laser a fibra da 4kW taglia alluminio 6061-T6 da 8mm a 15 m/min utilizzando aria compressa a 6–8 bar. Per gestire la conducibilità termica:
Questo approccio garantisce una precisione di ±0,05mm, ideale per componenti di precisione come i vassoi per batterie automobilistiche.
Il taglio assistito dall'ossigeno è lo standard per l'acciaio al carbonio superiore ai 3mm, dove la reazione esotermica aumenta la velocità di taglio fino al 40%. Per acciaio S355JR da 10mm con laser da 3kW, le velocità raggiungono 8–10 m/min. Tuttavia, un'eccessiva ossidazione può creare scorie sul lato inferiore. Le soluzioni efficaci includono:
Per componenti strutturali come travi a I, l'utilizzo di metodi ibridi che combinano il taglio con ossigeno e passaggi di finitura con azoto aiuta a rispettare gli standard ISO 9013 per precisione dimensionale e qualità del bordo.
Il taglio laser è un processo preciso in cui un fascio laser potente viene utilizzato per fondere, bruciare o vaporizzare il materiale da tagliare.
I laser a fibra offrono una maggiore precisione, migliore efficienza energetica e minori costi di manutenzione rispetto ai laser CO2.
Metalli come acciaio inossidabile, alluminio, acciaio dolce, ottone e rame sono adatti al taglio laser grazie alla loro conducibilità termica e alla capacità di assorbire l'energia laser.
Lo spessore del materiale influisce sulla velocità di taglio e sul consumo di energia. Materiali più spessi richiedono spesso velocità di taglio più lente per evitare la deformazione dei bordi.
EN
Hot News
