Nel mondo del taglio laser in fibra, la dimensione del punto gioca un ruolo fondamentale per ottenere risultati ottimali: dalla precisione all'efficienza, influisce in modo significativo su vari aspetti del processo di taglio laser.
Che cos'è la dimensione spot?
Prima di approfondire i motivi per cui la dimensione dello spot è così importante, stabiliamo che cos'è la dimensione dello spot. La dimensione dello spot si riferisce al diametro del raggio laser nel suo punto di fuoco. In altre parole, è l'area in cui l'energia del laser si concentra sulla superficie del materiale. Una parte dell'energia viene assorbita dal materiale e porta a una fusione localizzata. Nel taglio laser in fibra dei metalli, il gas di assistenza ad alta pressione erogato da una testa di taglio viene utilizzato per espellere il metallo liquido, creando un taglio mentre il raggio si muove attraverso il pezzo, con la "larghezza del taglio" in funzione della dimensione del punto.
Cosa influisce sulla dimensione degli spot?
La dimensione del punto è influenzata da diversi parametri, tra cui la lunghezza d'onda del laser, la dimensione del fascio sulla lente e la lunghezza focale della lente di messa a fuoco, che hanno tutti un effetto profondo sul processo di taglio. Lunghezze d'onda maggiori portano a spot di dimensioni maggiori per configurazioni ottiche identiche. I laser a fibra di itterbio con una lunghezza d'onda di 1070 nm hanno dimensioni di spot minori rispetto ai lasera CO2 che operano a lunghezze d'onda maggiori, intorno ai 10.600 nm, e portano a dimensioni di spot corrispondentemente maggiori.
Quando si utilizza l'erogazione del fascio in fibra, la dimensione dello spot può essere calcolata in base al diametro della fibra e alla lunghezza focale del collimatore (entrambi definiscono la dimensione del fascio all'ottica di focalizzazione) e alla lunghezza focale dell'ottica di focalizzazione (vedere Figura 1). Aumentando la lunghezza focale dell'obiettivo di messa a fuoco si ottengono spot di dimensioni maggiori, mentre aumentando la dimensione del fascio all'obiettivo si ottengono spot di dimensioni minori (purché il fascio sia mantenuto entro una dimensione all'obiettivo che consenta prestazioni limitate dalla diffrazione).
Figura 1: Calcolo delle dimensioni dello spot per l'erogazione del fascio di fibre ottiche
Precisione di taglio: più piccolo è meglio
Le dimensioni ridotte dei punti nelle operazioni di taglio laser offrono una maggiore precisione e risoluzione grazie alla focalizzazione dell'energia laser in una regione più piccola, che facilita la rimozione precisa del materiale. Ciò consente di realizzare progetti intricati, dettagli più fini e tolleranze più strette. Inoltre, i kerf più piccoli risultanti dalle dimensioni ridotte degli spot consentono un nesting più ravvicinato dei pezzi, ottimizzando così l'utilizzo del materiale e riducendo al minimo gli scarti nel processo di produzione.
Velocità di taglio e qualità: Trovare l'equilibrio
Nella ricerca del perfetto equilibrio tra velocità di taglio e qualità, l'interazione tra i parametri del laser diventa cruciale. La densità di energia gioca un ruolo fondamentale, con spot di dimensioni ridotte che consentono di consolidare l'energia laser in un'area più piccola. Ciò consente di ottenere la stessa densità energetica con laser di potenza inferiore.
Tuttavia, la relazione tra la dimensione del punto e lo spessore del materiale è complessa. Se da un lato è necessaria una densità di energia minima per ottenere la fusione sull'intero spessore del materiale, dall'altro la dimensione del punto deve essere sufficientemente grande da consentire l'espulsione efficiente del materiale fuso. All'aumentare dello spessore del materiale, sono necessarie dimensioni del punto maggiori per mantenere la qualità e la velocità del taglio. Inoltre, la dimensione ottimale del punto dipende anche dalle proprietà del materiale, come la conduttività termica e la viscosità.
Anche la profondità di fuoco, correlata alle dimensioni dello spot, richiede attenzione. Le dimensioni ridotte dei punti sono correlate a una minore profondità di fuoco, definita in genere come la distanza dalla vita del fascio in cui l'area del fascio raddoppia. A distanze superiori alla profondità di fuoco, la qualità del taglio inizia a risentirne. Pertanto, trovare il delicato equilibrio tra dimensione del punto, densità di energia e profondità di fuoco è indispensabile per ottenere i risultati di taglio desiderati senza compromettere la velocità o la qualità.
Trovare un equilibrio per un taglio laser ottimale
Tutto sommato, i produttori devono trovare un equilibrio. Per i materiali più spessi, può essere preferibile una dimensione del punto più grande per mantenere la qualità e la velocità di taglio. Tuttavia, per lavori intricati o materiali sottili, sono preferibili dimensioni di spot più piccole. In genere, i produttori scelgono una configurazione ottimale per l'erogazione del fascio, che determina una dimensione dello spot più adeguata alla potenza laser disponibile e ai materiali e agli spessori da tagliare, con l'obiettivo di raggiungere il perfetto equilibrio tra precisione, qualità del taglio e produttività.
