Laser a fibra - funzionalità e campi di applicazione

• Definizione: Laser a stato solido che guidano la luce all'interno di fibre ottiche di vetro, tipicamente drogate con elementi delle terre rare. 

• Punti di forza principali: Eccezionale precisione, elevata efficienza, versatilità e robustezza. 

• Applicazioni: Incisione/marcatura complessa 

• Vantaggi: Design compatto, efficienza energetica, lunga durata, bassa manutenzione, processo senza contatto 

• Limitazioni: Non è ideale per i materiali organici come il legno o i materiali trasparenti (vetro trasparente),  o alcune materie plastiche 

Nella produzione e nella progettazione, la tecnologia laser nel suo complesso ha rivoluzionato la lavorazione dei materiali. Tra tutti i laser, quelli a fibra si distinguono per la loro precisione, efficienza e versatilità nelle applicazioni di marcatura. Questa guida illustra i laser a fibra, i loro vantaggi, le applicazioni più comuni e importanti considerazioni sulla sicurezza, rilevanti nella scelta di un nuovo laser. 

Esplorate le macchine laser

Il laser a fibra è un laser a stato solido in cui sia la luce laser che la luce di pompaggio sono guidate all'interno di fibre di vetro ottico. Il mezzo attivo del laser è l'area della sezione trasversale interna della fibra di vetro, spesso drogata con un elemento delle terre rare come l'itterbio. 

Più in dettaglio, i diodi laser forniscono energia, erogando luce (ad esempio, a 915 nm, 977 nm o 1064 nm) alla fibra di vetro drogata tramite le fibre ottiche. Queste fibre ottiche si connettono tramite splicing, un processo di saldatura del vetro che elimina i percorsi a fascio libero per la luce di pompaggio o la luce laser. Ciò rende i laser a fibra eccezionalmente resistenti alla contaminazione e alle vibrazioni. 

La maggior parte dei laser a fibra per la marcatura e l'incisione sono laser a fibre ottiche pulsati, che spesso utilizzano un design MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Questa amplificazione a passaggio singolo in una fibra avvolta consente un largo intervallo di amplificazione e un elevato guadagno all’interno di un volume compatto. 

I laser a fibra pulsati hanno in genere una potenza di picco dell'impulso di 10 kW - 20 kW e una potenza media di uscita di 10 W - 100 W, che li rende adatti a diversi lavori di precisione. L'elevata qualità del fascio e l'eccellente messa a fuoco consentono diverse applicazioni: 

• Incisione e marcatura complesse: I laser a fibra eccellono nella realizzazione di marcature permanenti e ad alto contrasto su metalli, alcune materie plastiche e ceramiche. L'incisione e la marcatura di modelli dettagliati ad alta risoluzione sono facilmente realizzabili, il che li rende perfetti per l'incisione di disegni, testi, loghi o numeri di serie. Inoltre, l'incisione profonda non è un problema per i laser a fibra grazie alla loro particolare densità di potenza. Pertanto, le applicazioni dei laser a fibra prodotti da Trotec spaziano dalla gioielleria all'industria automobilistica.    
• Ulteriori applicazioni dei laser a fibra in generale: Inoltre, alcuni laser a fibra possono essere utilizzati anche per la saldatura o la pulizia delle superfici e trovano sempre più applicazioni in altri settori. 

Quando si sceglie un sistema laser, si incontrano diverse tecnologie e scegliere quella giusta per il proprio caso può essere difficoltoso. Il seguente confronto può fornire una panoramica delle differenze tra i vari tipi di laser. 

Laser a fibra vs. laser a CO2: 

• Velocità e materiali: Con una lunghezza d'onda di 1,064 micrometri, i laser a fibra producono un diametro focale estremamente ridotto. Di conseguenza, la loro intensità è fino a 100 volte superiore rispetto a quella dei laser a CO2 con la stessa potenza media emessa. Pertanto, i laser a fibra sono particolarmente adatti per la marcatura dei metalli mediante ricottura, per l'incisione dei metalli e per la marcatura ad alto contrasto delle materie plastiche.  

•  D'altra parte, i laser a CO2, con la loro lunghezza d'onda maggiore, sono ideali per tagliare, incidere e marcare materiali non metallici come legno, acrilico, pelle, carta, tessuti e vetro. 

• Precisione e qualità del fascio: In confronto, i laser a fibra offrono in genere una maggiore precisione e una qualità del fascio più fine, che si traduce in bordi di taglio più lisci sui metalli. 

• Manutenzione e durata di vita: I laser a fibra hanno generalmente una durata maggiore e richiedono poca manutenzione grazie alla marcatura e all'incisione senza contatto e all'assenza di parti soggette a usura.

Laser a fibra vs. laser Nd:YAG: 

• Casi d'uso: I laser a fibra pulsati hanno parzialmente sostituito i tradizionali laser YAG per molte applicazioni, in particolare per la marcatura e l'incisione. I laser a fibra sono generalmente più adatti alla lavorazione industriale dei metalli e alla produzione ad alta velocità. 

• Impulso: I laser YAG possono avere una potenza di picco degli impulsi più elevata (30 - 100 kW), rispetto ai 10 kW - 20 kW dei laser a fibra. 

• Usabilità: I laser a fibra offrono vantaggi significativi in termini di compattezza del design, robustezza, longevità ed economicità complessiva. 

Laser a fibra vs. Laser a diodi  

• Versatilità dei materiali e delle applicazioni: I laser a fibra funzionano in genere a 1064 nm. Questa lunghezza d'onda è altamente assorbita dai metalli e rende quindi i laser a fibra ideali per la marcatura dei metalli e di alcune materie plastiche. I laser a diodi funzionano comunemente a 450 nm (luce blu) o talvolta a 808 - 980 nm (infrarossi), a seconda del tipo di diodo. I diodi blu (450 nm) sono ben assorbiti dai materiali organici come il legno, il cuoio e alcune plastiche, oltre a permettere la marcatura di alcuni metalli. Pertanto, i laser a fibra sono utilizzati principalmente per scopi speciali nella marcatura di metalli e plastica, mentre i laser a diodi offrono una maggiore versatilità su diversi materiali. 

• Incisione profonda di metalli: I laser a fibra sono adatti per l’incisione profonda dei metalli, mentre i laser a diodi non possono raggiungere la stessa profondità nella marcatura di questi materiali. 

• Budget: Una macchina laser a diodi (come il modello Speedy 100 cross ) spesso offre un'area di marcatura più ampia a un costo inferiore rispetto a una macchina laser a fibra galvo.  

L'energia è fornita dai diodi laser, la cui luce (spesso 915 nm o 977 nm) viene portata alla fibra di vetro drogata tramite fibre ottiche. Le fibre ottiche sono interconnesse tramite splicing (saldature del vetro), il che significa che spesso non ci sono percorsi a fascio libero per la luce di pompaggio o la luce laser (vedi Figura 1). Di conseguenza, il laser a fibra è relativamente insensibile alla contaminazione e alle vibrazioni. Poiché i diodi di pompaggio sono spazialmente separati l'uno dall'altro, e ciascuno dispone di un proprio dissipatore di calore, la loro vita utile è elevata. Finché la potenza di picco degli impulsi laser viene mantenuta al di sotto di circa 10 - 20 kW, si ottiene un'elevata durata complessiva di diverse decine di migliaia di ore. Esistono laser a fibra con emissione continua ("cw" = continuous wave) e laser a fibra pulsati. Di seguito verranno trattati solo i laser a fibra pulsati, che sono molto più adatti per le applicazioni di marcatura e incisione. La durata degli impulsi è tipicamente di circa 100 nanosecondi - si possono ottenere impulsi più brevi di pochi nanosecondi, ma solo con un'energia d'impulso significativamente inferiore.

I laser a fibra pulsati con design "MOPA" sono costituiti da un "oscillatore master" (anche "laser seme") e da un "amplificatore di potenza" accoppiato alla fibra. Il primo è un laser a diodi o un "laser su chip" con una potenza media di pochi milliwatt fino a un massimo di circa 150 mW. Il laser emette impulsi con un profilo d’impulso definito. Il "laser su chip" ospita un laser su un singolo chip - il mezzo attivo del laser, i riflettori e gli altri componenti ottici sono spesso non solo integrati ma costruiti in modo monolitico. L'amplificatore è costituito da una fibra di vetro drogata con itterbio, che viene alimentata con energia tramite diodi di pompaggio accoppiati alla fibra. Se si deve generare un impulso laser, i diodi di pompaggio caricano (inversione di popolazione) per prima cosa la fibra di amplificazione. Prima di scaricarsi per emissione spontanea, il laser seme emette un impulso che viene amplificato da alcune centinaia a migliaia di volte durante il passaggio attraverso la fibra. L'amplificazione avviene in un unico passaggio ("amplificatore a singolo passaggio"). La fibra è spesso a forma di bobina (o avvolta); pertanto, in un piccolo volume si possono ottenere un ampio intervallo di amplificazione e, di conseguenza, un guadagno elevato.

Un vantaggio significativo dei laser a fibra è la loro notevole longevità. I diodi di pompaggio, separati spazialmente e dotati di un proprio dissipatore di calore, contribuiscono a garantire un'elevata durata di questi componenti critici. I laser a fibra vantano generalmente una durata complessiva di 50.000 - 100.000 ore di funzionamento prima di una manutenzione importante o di un deterioramento significativo. Questa durata prolungata li rende un investimento intelligente a lungo termine. 

I laser a fibra offrono diversi vantaggi convincenti: 

• Marcature rapide e di alta qualità, in particolare su metalli e materie plastiche 
• Alta precisione anche su marcature delicate e dettagliate 
• Design compatto e senza manutenzione: L'ampia superficie e il basso volume delle fibre di vetro consentono un raffreddamento efficace, permettendo un design compatto, robusto e praticamente privo di manutenzione. 
• Efficienza energetica: Vantano un'elevata efficienza elettro-ottica (oltre il 20%), con conseguente riduzione dei costi energetici e del calore disperso durante il funzionamento. 
• Riduzione dei costi complessivi: Rispetto ai vecchi laser YAG, i laser a fibra hanno costi complessivi durante il ciclo di vita significativamente inferiori per applicazioni analoghe, il che li rende una scelta più economica nel lungo periodo. 
• Resilienza alla contaminazione: La guida interna della luce di pompaggio e della luce laser all'interno delle fibre ottiche, ottenuta tramite uno splicing di precisione, elimina i percorsi a fascio libero, rendendoli altamente resistenti alla polvere e ad altri contaminanti. 

Nonostante le loro immense capacità, i laser a fibra hanno dei limiti per quanto riguarda la compatibilità dei materiali: 

• Materiali trasparenti: Materiali come il vetro trasparente rappresentano una sfida per i laser a fibra. La lunghezza d'onda dei laser a fibra non è facilmente assorbita dai materiali trasparenti, il che porta a risultati di incisione/taglio scarsi o assenti.  
• Legno: I laser a fibra non sono ideali per il taglio o l'incisione profonda del legno. La struttura organica e irregolare del legno spesso porta a risultati assenti o irregolari. In questo caso i laser a CO2 sono generalmente la scelta da preferire per il taglio o l'incisione. 
• Alcune materie plastiche: In generale, con il laser a fibra è possibile ottenere buoni risultati di marcatura sulle materie plastiche. I pigmenti nella plastica creano una colorazione più chiara o più scura: i pigmenti scuri determinano una colorazione più chiara e le plastiche più chiare ottengono una colorazione più scura. D'altra parte, alcune materie plastiche non possono essere marcate a causa della loro sensibilità al calore, che dipende molto dalla loro composizione.   
• Materiali con rischio di danno alle fibre: La generazione di impulsi di durata molto breve e alta energia può creare intensità di picco estremamente elevate all'interno della sezione trasversale ridotta della fibra di vetro, danneggiando potenzialmente la fibra attraverso la formazione di "centri di colore". 
• Altri materiali non idonei: I materiali contenenti cromo (VI), come alcune pelli, le fibre di carbonio, il PVC, il PVB, il PTFE (Teflon) e l'ossido di berillio, non dovrebbero mai essere lavorati con il laser a causa del rilascio di fumi tossici.

I laser a fibra emettono radiazioni intense che possono essere dannose. Pertanto, la sicurezza è fondamentale quando si utilizza una qualsiasi macchina laser. I punti chiave per la sicurezza includono: 

• Protezione della pelle e degli occhi: L'esposizione diretta al raggio laser può causare danni gravi e permanenti agli occhi o provocare ustioni alla pelle. Tuttavia, non sono necessari ulteriori requisiti di protezione come occhiali di sicurezza laser specifici con i laser Trotec, poiché vengono forniti solo laser di classe 2..  
• Fumi e particolati: Il taglio laser a fibra, soprattutto dei metalli, genera fumi, polveri e particolati. Per questo motivo, un'adeguata ventilazione e sistemi di aspirazione sono essenziali per prevenire il rischio di inalazione e mantenere un ambiente di lavoro sicuro. 
• Pericolo d'incendio: Il calore intenso può incendiare i materiali infiammabili. È quindi necessario assicurarsi che l'area di lavoro sia libera da materiali combustibili. 

L'osservanza di queste precauzioni e di rigorosi protocolli di sicurezza è fondamentale per proteggere sia gli operatori che le persone vicine. 

Considerando l'elevata efficienza, la lunga durata e l'eccezionale precisione su metalli e plastiche, i laser a fibra sono spesso una scelta valida. I vantaggi in termini di velocità, qualità e versatilità giustificano spesso l'investimento in un laser a fibra di alta qualità, soprattutto per le aziende che si dedicano alla lavorazione dei metalli e alle applicazioni di alta precisione. 

Se le vostre esigenze principali riguardano l'incisione o la marcatura dei metalli con una precisione e una velocità senza pari, o se avete bisogno di un sistema robusto con una manutenzione minima e una lunga durata operativa, un laser a fibra è adatto a voi. Tuttavia, bisogna sempre considerare i requisiti specifici del materiale e dell'applicazione. Inoltre, i nostri esperti sono sempre lieti di assistervi nel vostro processo decisionale o di rispondere a qualsiasi domanda. 

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