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.  

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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