Dove va il laser?

Per la prima volta era esposto alla fiera Laser di Monaco un sistema operativo cinese per il taglio di lamiere con sorgente in fibra.

Molto volte ci si è posti questa domanda nel corso degli anni e sempre sono state date risposte diverse, in dipendenza dei vari sviluppi tecnologici del momento, ma sempre molto positive, presentando in ogni caso possibilità positive di sviluppo. Anche durante l’ultima edizione della fiera Laser (svoltasi a Monaco il 13-16 maggio scorso) molti si sono posti questa domanda riguardo alle applicazioni industriali delle sorgenti laser, considerando che questa volta essa aveva una motivazione in più data dalla recessione che sta da tempo colpendo, in misura e forma diversa, quasi tutte le zone industrializzate o emergenti del mondo. Gli osservatori neutrali volevano vedere da questa manifestazione se alcune applicazioni del laser fossero giunte a un punto di saturazione e quindi fosse iniziata per loro la fase discendente, dopo una crescita che, pur con ritmi medi diversi nel tempo (con indici CAGR del +12% fino all’anno 2000 e di +9% successivamente) è sempre stata registrata. Questa volta poi vi era anche una domanda in più volta ad analizzare una possibile diversa evoluzione tra le varie tipologie di sorgenti che negli ultimi anni si sono via via proposte e, in molti casi, affermate sul mercato (i «vecchi» laser a CO2, le nuove sorgenti in fibra o a disco, le sempre annunciate e mai effettivamente esplose sorgenti a diodi, per non parlare dei recenti laser a impulsi ultracorti). La fiera Laser di Monaco (assieme ai Convegni associati) ha dato chiare risposte a tutte queste domande, mettendo in evidenza che la tecnologia laser rimane in continuo sviluppo, con sempre nuove proposte di successo.

Lo sviluppo di nuovi mercati

Esempio di come le nuove sorgenti in fibra possano aprire nuovi mercati: nella foto si ha un esempio della nuova tecnologia di “Additive Manufacturing” per cui un pezzo di elicottero (in Aisi 316L) ha ridotto il suo peso di circa il 50% grazie all’inserimento di una fine struttura reticolare realizzata con il laser.

Nell’importante Convegno “11th International Laser Marketplace 2013” svoltosi durante la fiera, l’organizzatore dello stesso, Dr. Arnold Mayer, dopo aver presentato i dati di tendenza del mercato dei sistemi laser per applicazioni industriali che ci aveva concesso di pubblicare in anteprima (in forma ridotta) su questa rivista, ha presentato una interessante diapositiva che qui riproduciamo (fig. 1). In essa viene rappresentata graficamente la tendenza per le diverse tipologie di sorgenti a creare nuove possibilità di mercato, partendo dalla semplice sostituzione delle ormai tradizionali sorgenti a CO2. Come si nota, le sorgenti sono suddivise in quattro diverse categorie: laser in fibra, laser a disco, laser a diodi, laser a impulsi ultra corti. Da questo grafico notiamo subito che l’ultima classe, quella delle sorgenti a impulsi ultra corti, presenta le maggiori possibilità per aprire nuovi mercati. In misura molto più limitata, anche le sorgenti a diodi sembrano in grado di operare in questo senso. Da ultimo vengono i laser in fibra e quelli a disco che sono visti dalle indagini del Dr. Mayer più vicine a essere importanti elementi che possono attivamente sostituire le sorgenti a CO2, piuttosto che creare nuovi mercati. Cerchiamo di analizzare criticamente questo grafico. Indubbiamente lo sviluppo di sorgenti laser a impulsi ultracorti (pico o anche femtosecondi, con elevate potenze di picco) con buona efficienza industriale sta aprendo nuovi interessanti mercati per quanto riguarda l’utilizzo della tecnologia laser nelle microlavorazioni, aprendo nuove possibilità per l’esecuzione di lavorazioni cosiddette “a freddo” (cioè senza alcun rimarcabile effetto termico sul materiale circostante) e la loro grande precisione, consentendo la realizzazione di componenti sempre maggiormente miniaturizzati e integrati (pensiamo all’evoluzione che si sta manifestando non solo nei telefoni cellulari tradizionali, ma nei cosiddetti “smartphone” e nei nuovi tablet). Dobbiamo infatti considerare che il poter disporre di impulsi laser sempre più corti implica la possibilità di realizzare dispositivi elettronici di dimensioni più contenute andando sempre più verso la loro miniaturizzazione. Non è per questo sorprendente che il settore delle sorgenti a impulsi ultracorti sia stato quello di gran lunga più importante e quasi ugualmente distribuito nei quattro padiglioni in cui si svolgeva la fiera. Occorre precisare che queste presentazioni hanno avuto maggiormente un impatto scientifico oltre che industriale (la proporzione tra questi due settori è stata sicuramente del tipo 8-10% rispetto a 90-92% del secondo, però occorre considerare che gli sviluppi scientifici possono essere lo stimolo per nuove soluzioni e applicazioni industriali, come ha ben capito Trumpf che ha voluto presentare in fiera la sorgente Ti-saphire con impulsi di durata di 1.7 ps, sviluppata dalla sua consociata Trumpf Scientific Lasers o come ha opportunamente visto la società americana Coherent che (come meglio vedremo) sta facendo il percorso inverso, dal mondo scientifico a quello delle sorgenti industriali). Non siamo rimasti sorpresi dal fatto che il Dr. Mayer abbia considerato i laser a diodi più vicini allo sviluppo di nuovi mercati che alla semplice sostituzione di sorgenti più tradizionali (con questo termine si considerano fondamentalmente i laser a CO2, ma anche quelli a stato solido Nd:YAG). A nostro avviso questa configurazione è esatta solo se si considera l’utilizzo industriale di queste sorgenti che hanno, di fatto, aperto nuove possibilità applicative non solo nel settore dei trattamenti superficiali (riporto, brasatura e tempra superficiale), ma anche in molte applicazioni di saldatura e taglio. Questo posizionamento diventa molto limitativo se si considera che lo sviluppo delle nuove sorgenti in fibra e a disco è stato possibile solo mediante l’impiego di laser a diodi di buona qualità e di grande affidabilità (alcuni utilizzatori propongono una vita di 100.000 ore, un numero in ogni caso troppo superiore a quello della sorgente di cui sono gli elementi di pompa).

Sorgenti a diodi per il taglio

A questo punto dobbiamo considerare il capitolo dedicato alle cosiddette sorgenti a diodi per applicazione diretta per il taglio. Dobbiamo considerare che, al momento attuale, questo argomento è solamente di ricerca speculativa, non essendoci ancora alcun laser di questo tipo effettivamente disponibile sul mercato. Non è sorprendente che l’ampio settore italiano produttore di sistemi di taglio (che è sempre molto attento a quanto viene proposto dall’estero riguardo nuovi “possibili” sviluppi laser) sia molto interessato a queste nuove sorgenti che, al momento, non sembrano presentare grandi vantaggi applicativi se non quello di una maggiore efficienza (rispetto anche a quanto possibile con le nuove sorgenti in fibra) e quello di una assenza dei problemi di riflessione dal pezzo in lavorazione. Abbiamo seguito attentamente questo argomento: rispetto a quanto è stato registrato a EuroBlech 2012 non si è visto alcun miglioramento. Nella migliore delle ipotesi si è rimasti fermi alle sorgenti prototipali da 2 kW presentate da LIMO (unica che ha dato anche risultati applicativi di taglio) e Teradiode. Abbiamo chiesto il perché di questo a due aziende nel settore: Laserline, importante costruttore di laser a diodi e leader mondiale in questo settore (avendo deciso di operare solo in esso) e Trumpf che in fiera ha presentato la nuova serie di sorgenti TruDiode con potenza fino a 6 kW, alcune delle quali (come l’unità TruDiode 903) sviluppate prevalentemente per sostituire gli impieghi delle vecchie sorgenti Nd:YAG pompate da lampade nelle applicazioni di saldatura e, soprattutto, di taglio, in particolare per i componenti idroformati. La loro risposta, venendo da due prospettive industriali diverse, è stata concorde, che qui riassumiamo: «Coloro che propongono nuove soluzioni di laser a diodi diretti per il taglio stanno utilizzando attualmente nei loro prototipi diodi “single emitter” molto costosi, cosa che rende non solo difficile una proposizione industriale, ma crea difficoltà pratiche di costo nel salire a quei livelli di potenza utili per le applicazioni industriali, oltre a dare problemi di affidabilità. Quando, tra 5-8 anni, la tecnologia costruttiva dei diodi sarà stata adeguatamente migliorata e resa meno costosa, ne riparleremo». Un interessante avvertimento ai tanti interessati a queste evoluzioni.

Sorgenti ad alta brillanza

L’ultima parte del grafico di evoluzione del Dr. Mayer riguarda le cosiddette “sorgenti ad 1 μm, ad alta brillanza” in cui sono compresi i laser in fibra e quelli a disco. Siamo rimasti sorpresi del loro diverso trattamento nella prospettiva di creare nuovi mercati. Ne abbiamo parlato con il Dr. Mayer. A suo parere questa differenza risulta essere principalmente legata al fatto che mentre per le prime si ha, in un certo senso, un libero mercato con molti potenziali interlocutori, per le seconde Trumpf vanta per un po’ di anni, per quanto riguarda le soluzioni multichilowatt, un diritto di esclusiva sul brevetto dell’Università di Stoccarda. A nostro avviso questo non può essere una spiegazione, poiché, anche nel primo caso, al momento attuale, siamo di fatto in una situazione di monopolio da parte di IPG Photonics, la prima società che ha creduto in questa soluzione, peraltro esistente da 50 anni. È indubbio che gli sviluppi applicativi dei molti utilizzatori di laser in fibra sono maggiormente numerosi rispetto a quelli che possono essere sviluppati solamente da Trumpf, ma ciò non comporta che, almeno potenzialmente e con le dovute variazioni tecnologiche, le soluzioni applicative non possano che essere, alla fine, del tutto paragonabili.

Le proposte

In questa breve rassegna di quanto presentato di nuove nel settore alla fiera Laser 2013 di Monaco dovremo essere molto stringati e quindi ci scusiamo in anticipo per tutte quelle aziende che non saranno menzionate, ma che avranno la possibilità di presentare successivamente i loro prodotti nella parte merceologica della stessa. Dopo questa analisi generale allargata, ci limiteremo qui alle due classi di prodotti che risultano essere maggiormente venduti in Italia e maggiormente interessanti per gli operatori della lamiera: laser in fibra e sorgenti a CO2.

Laser in fibra

Questo è stato naturalmente il laser in cui si sono registrati i maggiori sviluppi, anche in settori diversi dalle tradizionali applicazioni industriali. Per vedere le evoluzioni in questo settore, a nostro avviso, riteniamo che il punto di osservazione migliore sia quello di considerare quanto presentato non dalle singole società, ma dai diversi Gruppi a cui esse appartengono (il lettore capirà i motivi di questo nello scritto che segue).

Gruppo Trumpf: di esso fanno parte sostanzialmente due società: la Divisione laser di Trumpf stessa e l’azienda inglese SPI Lasers. Confermando quanto il vicepresidente del Gruppo (Dr. Peter Leibinger) ha sempre detto, in fiera è stato affermato che le sorgenti laser in fibra sono un prodotto che viene progettato e realizzato dalla consociata SPI Lasers. Ciò nonostante, nello stand Trumpf vi era il modello TruFiber 1000 con potenza d’uscita di 1 kW. Klaus Löffler, responsabile vendite internazionali della Divisione Laser di Trumpf, ci dice in proposito: «Questa presenza non è in contraddizione con la nostra filosofia. Abbiamo sempre detto che ritenevamo maggiormente utili le sorgenti in fibra rispetto alla nostra soluzione a disco per potenze fino a 1 kW per questioni di qualità del fascio. Confermiamo questa affermazione dicendo che Trumpf utilizzerà sorgenti di questo tipo fino a questa potenza nei suoi sistemi per le microlavorazioni. Oltre a questa potenza offriamo i nostri laser a disco». Occorre dire che la versione 1 kW è disponibile sia nel funzionamento a modo singolo (con fibra di lunghezza fissa fino a 10 m), che in versione multi modo con un accoppiatore fibra-fibra per impieghi fino a 50 m dalla sorgente.

La società SPI LASERS (caratterizzata dal quadratino rosso, anziché quello blu della casa madre) presentava anche i modelli successivi redPOWER K1 2000 (con potenza fio a 2 kW) e redPOWER K1 3000 (con potenza 3 kW), disponibili solo nella versione multi modo, con fibre di uscita aventi diametro variabile da 50 a 600 μm. Caratteristica di queste sorgenti è la possibilità di interconnettere facilmente tra loro le singole unità elementari costituenti la sorgente e alla fibra di processo d’uscita. «Andy Appleyard, product manager per queste sorgenti, ci dice: «La possibilità di avere un controllo in potenza continuo del fascio prodotto, la grande possibilità di modulazione dei fasci emessi (fino a 10 kHz) e l’ampia tolleranza ai problemi di riflessione del fascio dal pezzo in lavorazione all’interno della cavità, rendono queste sorgenti interessanti per i loro impieghi industriali».

Gruppo Rofin: la situazione in questo caso è diversa e, in un certo senso, più complicata. In fiera veniva presentata la nuova versione compatta della sorgente FL 020 (con potenza di 2 kW), disponibile, come tutti i precedenti modelli fino a quello FL 040 da 4 kW, per essere accoppiata con fibre di processo da 100 a 800 μm. La parte curiosa di quanto visto in fiera veniva però dalla visita allo stand Corelase, società finlandese del Gruppo Rofin, che realizza unicamente sorgenti in fibra e che conoscevamo sino a ora per le sue interessanti proposizioni nel settore delle microlavorazioni. Questa volta in fiera venivano presentati anche i moduli della serie H-LASE, con potenza da 500 W a 4,5 kW, che si mostravano interessanti per la loro facile integrazione in sistemi di taglio. Mr. Sillampaa, marketing manager dell’azienda, ci dice: «Con questi moduli diamo un’ampia possibilità ai clienti finali di integrare la sorgente nel loro sistema; è necessario aggiungere: l’alimentatore per i diodi, l’unità di raffreddamento, l’elettronica di controllo e l’interfaccia con il sistema (questo in ogni caso necessario)». Ci sono sembrate strane queste due diverse offerte all’interno di uno stesso gruppo che, in ogni caso, si trova a dover inseguire il leader del settore IPG Photonics.

Gruppo GSI: lo avevamo già visto nel Convegno ILAS 2013 dell’associazione inglese AILU (di cui abbiamo dato conto nel numero di maggio di questa rivista), la società inglese JK Lasers si è ritagliata una certa autonomia dalla casa madre americana ed è riuscita a rinverdire i suoi antichi fasti nel settore delle sorgenti a stato solido, proponendo alla fiera Laser le sue sorgenti in fibra con potenza fino a 4 kW. Il grande vantaggio di questa azienda deriva dalla lunga esperienza dimostrata nel realizzare unità per un vero impiego industriale (ricordiamo che fino agli anni 90, la gran parte dei laser Nd:YAG impulsati utilizzati in Italia erano realizzati da questa azienda) e con grande attenzione verso l’uso di dispositivi ausiliari estremamente efficienti (per queste sorgenti in fibra si ha l’unità brevettata PIPA per la protezione dalle retro riflessioni del fascio incidente). Un gradito ritorno.

Gruppo IPG Photonics: questa azienda, più che gruppo, detiene la gran parte delle vendite in questo settore ed è decisa a non perderlo (aiutata anche, a nostro avviso, dai grandi ritardi delle aziende concorrenti). Alla fiera Laser 2013 ha voluto dimostrare tutta la sua grande potenza tecnologica e di sviluppo industriale. L’unità che ha richiamato il maggiore interesse nei visitatori è stata il modello YLS 100000, un laser in fibra con potenza continua di 100 kW che dovrà essere consegnato al centro di ricerca giapponese NADEX per prove di saldatura robotizzata su grandi spessori. Oltre a questa unità, la società con base principale negli USA, ha presentato nel suo stand una grande varietà di sorgenti continue e impulsate (alcune con impulsi nel campo dei picosecondi) a varie lunghezze d’onda. Tra queste ha destato interesse la sorgente GLS 500, con emissione nel verde e con potenza continua di 500 W (è già prevista l’unità da 1 kW). Questo laser (con una efficienza globale del 20%) è interessante per il taglio e la saldatura di materiali altamente riflettenti (alla lunghezza d’onda del tradizionale laser a CO2) e per la lavorazione ad alta produttività di celle solari. Un segno di una elevata capacità tecnologica.

Gruppo Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies: questa azienda (appartenente all’ampio gruppo di società nella Regione di Wuhan fortemente sovvenzionate dal governo cinese per dare maggiore robustezza tecnologica alle oltre 1000 aziende locali operanti nel settore del solo taglio laser) presentava a Laser 2013 sorgenti in fibra con potenza fino a 4 kW. Non siamo riusciti ad avere altre informazioni al riguardo stante lo scarso inglese della persona addetta allo stand. Lo segnaliamo per chi fosse interessato.

Laser a CO2

Abbiamo lasciato per ultimo questo vecchio mulo della tecnologia laser che si è posto principalmente sulle sue spalle lo sviluppo della tecnologia delle applicazioni industriali del laser degli ultimi 30 anni. Eravamo preoccupati per il suo futuro. Da Laser 2013 abbiamo ottenuto risposte che almeno rallentano il suo declino che, a nostro avviso, non sarà certamente prossimo.  Il lettore si chiederà su cosa si basi questa nostra certezza. Ecco le motivazioni che sono questa volta di carattere generale:

-innanzitutto la grande flessibilità d’uso del laser a CO2, non solo nel taglio di acciai legati di elevati spessori, ma anche in molte applicazioni di saldatura (sempre di grandi spessori) dove l’obiettivo è principalmente quello della qualità (dei bordi nel caso del taglio; della superficie in quello della saldatura);

-a Laser 2013, nel maggiore produttore di sorgenti di questa tipologia (Trumpf), abbiamo visto interessanti novità che proseguono quanto visto lo scorso anno a EuroBlech 2012: i produttori stanno cercando di ottimizzare le tecniche di eccitazione della miscela gassosa e del suo raffreddamento per contenere al massimo i costi operativi di queste sorgenti. Per rimanere a quanto visto alla fiera Laser, Trumpf, con l’eccitazione capacitiva ad alta frequenza, l’ottimizzazione della gestione della turbina e la compressione del chiller di raffreddamento, ha reso possibile un aumento di circa il 20% dell’efficienza di queste sorgenti. A Mr. Löffler di Trumpf abbiamo chiesto se, in base a quanto visto all’Università di Stoccarda, non sia già possibile l’utilizzo industriale della «polarizzazione radiale» (invece di quella casuale oggi utilizzata negli impianti di taglio) per migliorare di oltre il 15% le prestazioni di lavoro. La risposta è pronta: «È una soluzione che viene già fatta in alcune applicazioni speciali, ma vi sono ancora problemi per quanto riguarda la stabilità del dispositivo che è da mettere nella sorgente. Certamente sono allo studio dei miglioramenti più a breve tempo che consentiranno di ridurre ulteriormente il costo di funzionamento delle sorgenti a CO2. Uno di questi è nel modificare la temperatura operativa della sorgente a un valore maggiore, con la possibilità di recuperare l’acqua per il riscaldamento di altre parti della fabbrica. Siamo stati tra i primi a utilizzare queste sorgenti e, nonostante ora realizziamo altre tipologie di sorgenti, possiamo dire che i laser a CO2 avranno ancora una lunga vita».

 

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