Taglio laser: caratteristiche e proprietà

Il laser è un fascio di luce coerente, cioè caratterizzato da radiazioni aventi tutte la stessa lunghezza d’onda, la stessa direzione e la stessa fase. Tale fascio viene focalizzato da una lente sulla superficie della lamiera da tagliare. Quando il raggio colpisce la superficie, l’energia luminosa si converte in calore portando rapidamente a fusione o evaporazione il metallo. Una volta che il raggio laser è penetrato completamente nel materiale in un determinato punto, ha inizio il processo di taglio vero e proprio. Un flusso di gas coassiale al fascio laser impatta nella zona di taglio ed esegue l’evacuazione dei residui ancora fusi generando il solco di taglio.

I vantaggi del taglio laser rispetto ad altre tecnologie di taglio sono molteplici:

• Materiali lavorabili: sia metalli che polimeri e materiali organici;
• Qualità dei bordi: i bordi sono tagliati in modo molto netto, accurato e privo di bave;
• Geometrie lavorabili: a seconda della tipologia di macchina utensile, è possibile tagliare lamiere (con un laser cartesiano 2D, il più diffuso), tubi (con una macchina simile ad un tornio a fantina mobile), geometrie arbitrarie (con laser con 3 o più assi).

Classificazione delle macchine a taglio laser

Esistono diverse tipologie di macchine a taglio laser, classificate secondo diverse categorie. Vediamo qui di seguito in dettaglio ciascuna di esse.

Tipologia di gas adottato

La classificazione in base al gas può avere principalmente due macrocategorie: gas inerti (principalmente azoto, oppure elio o argon) e gas attivi (ossigeno).

Laser a gas inerte (azoto) – Come detto, questo è il sistema più usato nell’ambito industriale e impiega bombole di azoto. Il gas inerte aiuta nell’evacuazione del metallo fuso dalla zona di taglio. È la soluzione più economica vista la facilità di estrazione dell’azoto.

Gas attivo (ossigeno) – Questo tipo di tecnologia è più rapida grazie al maggiore rilascio di energia nel corso della reazione fisica con il metallo in questione (ossidazione). La maggior parte del calore apportato è fornito dall’ossigeno e non dal laser stesso, che invece è usato solo per una funzione di preriscaldamento. Per tale ragione è indicata per alti spessori. Di contro, il taglio sarà meno netto e le zone di taglio saranno coperte da una patina ossidata.

Tipologia di sorgente laser

La classificazione in base alla sorgente invece prevede che le macchine laser siano divise in:

Laser ad anidride carbonica – Si tratta di una tecnologia caratterizzata dall’impiego di una miscela gassosa di biossido di carbonio (CO₂) eccitato elettricamente. Il laser che ne scaturisce ha lunghezza d’onda di 10 micrometri. Il laser a CO₂ ha un buon rendimento e garantisce un’eccellente qualità del taglio laser, anche su lamiere spesse di acciaio.

Laser a fibra – Il taglio a fibra viene effettuato mediante il cosiddetto “laser seed” ed è amplificato attraverso fibre di vetro a cui viene indirizzata energia con speciali diodi di pompaggio. Il laser che ne scaturisce ha lunghezza d’onda di 1 micrometro. Rispetto al laser a CO₂ ha il vantaggio di poter tagliare anche metalli non conduttivi come ottone e rame, ha una maggiore velocità e una minore manutenzione.

Laser a diodo – Il taglio laser a diodo, invece, associa i benefici delle due categorie precedenti, in quanto assicura minori consumi energetici e maggiore capacità di taglio, sia rispetto al taglio ad anidride carbonica che rispetto a quello a fibra, se utilizzato su materiali riflettenti. Il rendimento del processo (chiamato “rapporto di conversione”, cioè la potenza assorbita e la potenza impiegata nel taglio) è pari a circa il 50%. Anche il laser a diodo permette un’elevata velocità di lavorazione, in media il 15% in più rispetto al laser in fibra.

Classificazione in base alla tipologia del pezzo

Le macchine di taglio laser possono assumere diverse configurazioni, in base al pezzo da tagliare. In ogni caso tutte sono accumunate da una testa di taglio, da un sistema di assi (sia lineari che rotativi se presenti), dal relativo sistema CN che controlla la posizione degli assi e coordina l’accensione/spegnimento della sorgente laser e da una pannellatura esterna usata per confinare la zona di taglio ed evitare che porzioni di fascio possano colpire le persone circostanti. Le tre famiglie di laser, in questo caso, sono:

Laser piano 2D – Il laser piano è il più diffuso e permette di lavorare lamiere che successivamente subiscono lavorazioni quali ad esempio piegatura, imbutitura e saldatura TIG. Anche se di fatto il taglio viene eseguito sul piano (da due assi perpendicolari x e y), la testa è dotata di un terzo asse z che permette piccole regolazioni per lavorare alla corretta distanza dalla lamiera, in base allo spessore del pezzo. Queste macchine possono essere dotate anche di un sistema di carico lamiere grezze prelevate direttamente da pallet, scarico sfridi e sistemi di scarico automatici tramite ventose con relativo impilamento in zone di scarico con pallet.

Laser tridimensionale 3D – Il laser tridimensionale è utile per lavorare lamiere già precedentemente imbutite e/o piegate. Queste macchine sono dotate di tre assi lineari e, in aggiunta a questi, uno o più assi rotativi che permettono la rotazione nello spazio della testa laser. Il volume di lavoro di queste macchine può essere piuttosto notevole.

Un’altra configurazione di laser tridimensionale prevede l’uso di robot antropomorfi alla cui estremità viene montata la testa di taglio.

Taglio laser di tubi – Nel taglio laser di tubi questi ultimi vengono serrati in un mandrino. La testa laser si muove radialmente. Il moto assiale può essere sia del pezzo (come nei torni a fantina mobile) che della testa stessa. Il pezzo serrato nel mandrino autocentrante ruota su sé stesso coordinando il moto assiale e quello angolare del mandrino. È possibile anche lavorare tubi di sezione non circolare (come ad esempio tubi a sezione quadrata).

Combinata laser punzonatrice

Una variante dei laser piani è la macchina combinata laser/punzonatrice. Questa macchina utensile, come dice il nome stesso, sfrutta l’efficienza della punzonatura e la flessibilità del laser.

Con la punzonatrice, infatti, è possibile eseguire molteplici piccole forature che altrimenti richiederebbero un maggiore tempo di esecuzione da parte del laser. Inoltre, la testa a punzonare permette di eseguire anche piccole imbutiture.

Con la testa laser, invece, si eseguono tutte le altre lavorazioni di taglio per le quali il laser è la tecnologia più opportuna da usare.

La preparazione al taglio laser

Per arrivare all’effettivo taglio laser è importante la preparazione iniziale. Per ridurre gli sprechi è utile cercare di ottimizzare il posizionamento dei pezzi in modo da ridurre la massa dello sfrido. L’operazione di posizionamento dei pezzi nel foglio si chiama nesting ed è in genere assistita dal PC in modo da trovare la disposizione ottimale di pezzi che minimizza lo scarto. Da notare che non sempre è possibile orientare i pezzi in modo generico perché nel caso di lamiere satinate spesso i pezzi devono avere un senso di satinatura ben definito.

Inoltre, nelle lamiere non satinate (ad esempio finitura 2B) cambiare l’orientamento del pezzo per lo stesso lotto produttivo introduce grandi problemi nella successiva fase di piegatura in quanto cambia anche il senso di laminazione e quindi le pieghe avranno un comportamento diverso a seconda che siano parallele o perpendicolari al senso di laminazione. È importante quindi che ci sia uniformità nella produzione per facilitare le fasi a valle del taglio laser.

Tramite il taglio laser moderno è anche possibile eseguire:

• Vaporizzazione del film protettivo: tipica delle lamiere satinate (che verrà poi rimossa dall’operatore). In tal modo le fasi di assemblaggio o saldatura saranno più agevolate avendo direttamente il metallo nudo. La vaporizzazione brucia solamente il film protettivo senza ledere la lamiera sottostante.
• Tracciatura: nella tracciatura il laser agisce con una potenza ridotta in modo da annerire leggermente la lamiera, ma senza scalfirne effettivamente il metallo. La tracciatura è usata o per indicare il posizionamento di prigionieri elettrosaldati o per riportare delle scritte sulla lamiera.
• Microgiunzioni: molto usate per fori da aprire manualmente solo in determinate condizioni. In tal caso al montaggio si usa una mazzetta e si spacca la microgiunzione rimuovendo lo sfrido.

Per la stesura di questo articolo sono state consultate le seguenti fonti:

Pasquinelli M., “Tecnologia meccanica e laboratorio tecnologico”, Giunti editore.