L’alta brillanza per gli alti spessori

Vi presentiamo una delle più interessanti innovazioni dal punto di vista applicativo nell’ambito del taglio laser: la tecnologia Brightline.

BrightlineLa tecnologia BrightLine fiber di Trumpf è sicuramente l’innovazione maggiormente interessante dal punto di vista applicativo degli ultimi tempi poiché consente di superare la limitazione più volte segnalata, e sino a ora esistente, nell’utilizzo di sorgenti a elevata brillanza (in questo caso laser a disco) nel taglio di elevati spessori di acciai legati in cui si ottenevano bordi maggiormente rugosi e con presenza di bave (senza alcun vantaggio nella velocità di lavoro) rispetto a quanto invece possibile impiegando le tradizionali sorgenti a CO2. Trumpf stessa, quando alcuni anni fa ha presentato i suoi primi impianti di taglio con laser a disco precisava che questi avevano un deciso vantaggio solamente nel taglio di piccoli spessori (fino a circa 4 mm) in cui riuscivano a dare maggiori velocità di taglio, con la stessa qualità dei bordi. Questa soluzione deriva, in linea di principio, dall’innovazione BrightLine presentata a EuroBlech 2011 relativa all’impiego di sorgenti a CO2 di alta potenza (i risultati, che abbiamo presentato ai lettori di questa rivista nel numero di dicembre 2012, erano riferiti all’impiego di potenze laser di 6 e 8 kW) ma, come è naturale pensare, l’impiego di fasci ad alta focalizzabilità (come quelli emessi dai laser a disco anche a potenze di 5 kW) dovevano comportare variazioni maggiori di quelle che abbiamo visto allora in opera che, ci risulta, erano dettate principalmente dall’impiego di ugelli tipo Laval per dare un flusso di gas maggiormente omogeneo che fluisce molto vicino alla superficie del materiale per non allargarsi e ridurre la sua forza espulsiva. Nel caso dell’impiego di sorgenti ad alta brillanza questo naturalmente non è più l’unica cosa necessaria, poiché, riteniamo, si debba avere anche una macchia focale di dimensioni maggiori rispetto ai tradizionali 100 μm impiegati normalmente nel taglio di piccoli spessori e, soprattutto, si debba avere anche un profilo del fascio non gaussiano (come quello sviluppato dalle sorgenti a CO2 citate in precedenza) in modo da avere un solco di taglio allargato che favorisca l’espulsione violenta del materiale fuso spinto dal flusso di gas supersonico (queste indicazioni sono arrivate, assieme ad alcune altre, da una presentazione molto interessante fatta da un brillante tecnico Trumpf durante la fiera americana Fabtech. Possiamo immaginare come Trumpf abbia potuto fare tutto questo, ma non ne abbiamo la certezza, per cui aspettiamo di avere maggiori dettagli certi dalla casa tedesca. Nel frattempo però possiamo raccontare ai lettori quali sono i risultati pratici di questa innovazione.

Partiamo riassumendo i risultati che erano noti agli utilizzatori a settembre 2013; con le sorgenti ad alta brillanza con emissione a 1 μm era possibile ottenere:

-taglio di ferro dolce possibile fino a 25 mm di spessore, ma con risultati molto dipendenti dalla qualità del materiale;

-taglio di acciaio inossidabile e leghe di alluminio possibile fino a 20 mm di spessore, ma con presenza di forti rugosità dei bordi, con superfici irregolari e con bave, già per spessori superiori a 5-6 mm;

-difficoltà nell’esecuzione dei fori iniziali (piercing) su acciai legati a causa della grande quantità di materiale fuso che viene espulsa dalla forte interazione con il fascio laser;

-difficoltà a eseguire contorni un po’ complessi (fori con diametro inferiore a circa 10 mm) per acciai legati con spessori superiori a circa 12 mm.

Quali sono ora le possibilità che vengono aperte dalla nuova tecnica:

-per il taglio dell’acciaio dolce la nuova tecnica BrightLine fiber offre notevoli vantaggi (parliamo sempre della lavorazione assistita da ossigeno, per quella assistita da azoto non abbiamo ancora dati a sufficienza per esprimerci compiutamente): migliori qualità dei bordi fino a spessori di 25 mm (del tutto equivalenti con quanto può essere ottenuto con le sorgenti a CO2 di potenza equivalente, senza richiedere l’impiego di materiale adatto alla lavorazione laser (quindi con notevoli risparmi); maggiori velocità per spessori superiori a 6 mm rispetto all’uso del laser a disco con la stessa potenza, in assenza della innovazione BrightLine fiber; nel caso di taglio con assistenza di azoto (risultati preliminari) bave molto più ridotte sopra spessori di 8 mm rispetto a quanto ottenibile senza l’impiego di questa innovazione.

-per il taglio di acciai legati e leghe di alluminio la nuova tecnica BrightLine fiber offre la possibilità di tagliare con buona qualità spessori fino a 25 mm, con minime bave sopra i 12 mm; maggiori velocità di taglio (rispetto a quanto ottenibile con un laser a CO2 con potenza di 5 kW-questo è stato il termine di paragone utilizzato negli USA) per spessori inferiori a 10 mm (dati preliminari danno gli stessi risultati anche nel caso di taglio assistito da azoto); esecuzione di fori di piercing senza spruzzi e con diametro dei fori di circa 1 mm per spessori di 12 mm (naturalmente i tempi di piercing risultano essere in questo caso leggermente allungati); questo consente la possibilità di eseguire contorni complessi anche in spessori superiori a 10 mm;

-in tutti i materiali, grazie all’impiego di fasci con maggiori dimensioni focali, risulta essere facilitato il prelievo dei pezzi tagliati anche da lamiere spesse.

I sistemi con laser a CO2

Naturalmente i tradizionali sistemi di taglio 2D alimentati da laser a CO2 non potevano essere trascurati da Trumpf. Anche in questo caso le innovazioni al riguardo sono state interessanti, anche se non così rilevanti rispetto a quanto abbiamo già descritto. In questo caso vengono riproposti, in forma tecnologicamente aggiornata, i risultati già visti a EuroBlech 2012 con la tecnica BrightLine che consente il taglio di acciai legati fino a spessori di 25 mm (con l’impiego sul sistema TruLaser 5030 di un laser da 6 kW, presente in Fiera) o 50 mm (utilizzando potenze di 8 kW). Abbiamo visto il taglio di un pezzo avente spessore di 12 mm a una velocità di 0.8 m/min con un bordo di taglio quasi speculare, come potesse essere eseguito con macchina utensile. Quello che ci viene detto dai tecnici addetti alla macchina è che, senza il dispositivo BrightLine (che in questo caso crediamo che si restringa al solo utilizzo di un ugello supersonico e a un aumento della lunghezza focale utilizzata) la velocità sarebbe stata poco inferiore (0.7 m/min), ma con una minore qualità dei bordi. Riteniamo che, per chiarezza, possa essere interessante per i lettori fare a questo punto una breve digressione su questo dispositivo BrightLine così sin qui lungamente discusso, esprimendo le nostre impressioni al riguardo, in maniera schematica:

-non riteniamo che questa tecnica possa avere grandi implicazioni connessa con l’utilizzo di laser a CO2 poiché la qualità di taglio che in ogni caso verrebbe prodotta è già ottimale e solamente in alcune applicazioni particolari potrebbe essere richiesta una finitura migliore. In ogni caso l’incremento di velocità che si potrebbe avere non risulta essere di interesse pratico;

-completamente diversa è la questione riguardante l’impiego di sorgenti a elevata brillanza (per ora questa tecnica BrihghtLine è utilizzabile solamente con i laser a disco per la possibilità che questi offrono di modificare le caratteristiche di propagazione del fascio direttamente nel risonatore. Con questa tecnica si possono qui avere migliori qualità di taglio e un aumento degli spessori lavorabili.

Raffreddamento più efficiente

Particolarmente interessante in questo caso è stata invece la considerazione sul minore costo di esercizio delle sorgenti a CO2 per effetto di una minore richiesta energetica in connessione con il chiller necessario per il raffreddamento della miscela laser. Ci viene detto che, per la sorgente da 6 kW abbinata all’impianto TruLaser 5030 presente in fiera il massimo assorbimento di energia elettrica risulta essere di 65 kW contro gli 89 kW precedentemente richiesti: con un risparmio del 27%. Questo dato risulta essere estremamente interessante poiché, a nostro avviso, è un primo passo verso un progressivo miglioramento delle condizioni operative di questa importante classe di sorgenti che detiene ancora la maggioranza nelle percentuali di utilizzo nelle applicazioni di taglio 2D e in saldatura. Sulle condizioni attraverso le quali Trumpf ha potuto conseguire questo interessante risparmio le informazioni che siamo riusciti a strappare ci dicono che la nuova tecnica di raffreddamento risulta essere del tutto equivalente a quella che viene utilizzata per la stessa azione nelle moderne automobili, per cui sembra che lo scambio avvenga tra un’acqua portata alla temperatura di circa 70°C e l’ambiente, senza intervento completo dei compressori. Per ora limitiamoci a osservare che l’uso delle sorgenti a CO2 realizzate da Trumpf risulta essere contenuto di circa il 30%. Questa però non è stata la sola innovazione presente connessa al sistema di taglio TruLaser 5030. Un importante passo del comunicato stampa di Trumpf era intitolato «Massima affidabilità di processo e minimizzazione dei tempi non produttivi». Mr. Kammüller nella conferenza stampa era stato ancora più esplicito: «Non serve che si abbiano macchine ultra veloci, ma sistemi che siano in grado di operare, con buone tempistiche di lavoro, in condizioni di grande affidabilità 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana». Queste erano frasi che erano state dette in maniera isolata oltre 15 anni or sono e che finalmente venivano raccolte (naturalmente in un altro contesto che, in ogni caso, richiede una “buona” produttività oraria anche dall’importante Gruppo Trumpf. Non vogliamo insistere qui sul dispositivo di raccolta e scarico dei pezzi tagliati (se non per dire che con la nuova versione del dispositivo Sort Master risultava possibile la raccolta di componenti tagliati, con peso sempre inferiore a 100 Kg, ma con dimensioni fino a 1000 x 1500 mm grazie alla possibilità di aggancio del dispositivo di presa di una unità di ventose adatte alla maggiore dimensione), ma illustrare brevemente i vantaggi del nuovo dispositivo Smart Nozzle Automation, per il controllo automatico del processo di taglio. Questa unità dispone ora, oltre al cambio ugelli, all’allineamento automatico del fascio e al dispositivo LensLine che rileva in continuità lo stato di pulizia della lente di focalizzazione, anche il controllo automatico dello stato dell’ugello. Con una telecamera, posta nel gruppo di ugelli disponibili, è infatti controllare lo stato dell’apertura dell’ugello dopo un certo numero di perforazioni effettuate. L’immagine di questa visione viene presentata sul display del controllo e l’operatore ha tutte le segnalazioni se procedere al cambio ugello o meno. Osservando tutte queste innovazioni si può giungere alla conclusione che il taglio laser è un processo sempre in evoluzione in cui si ha la possibilità di registrare nuovi salti di sviluppo tecnico.

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