Laser ad alte prestazioni per una lavorazione dei materiali precisa ed economica
La microlavorazione, ovvero la meccanica di precisione di micro componenti, mantiene la promessa di una maggiore produttività a minori costi, in molte industrie. La sua adozione è stata facilitata dai progressi del laser a impulsi ultracorti (USP, ultrashort pulse) e dalla tecnologia fotonica. Tuttavia, rimangono delle difficoltà per quanto riguarda la combinazione economicamente conveniente dell’alta precisione al rendimento/produttività e all’alta qualità. Il progetto HIPERDIAS è stato istituito per dimostrare la lavorazione di materiale basata su laser USP a livelli inesplorati di produttività (ad alte prestazioni), precisione e qualità. Il supporto dell’UE ha permesso al progetto di integrare tutte le componenti necessarie in un basamento di macchina stabile, flessibile e versatile per un laser al femtosecondo ad alta potenza e di sviluppare un sistema dimostrativo da 1 kW, testato e validato dagli utenti finali. Grazie alla tecnologia, il progetto ha superato il tasso di ablazione desiderato per la lavorazione del silicio e raggiunto la maggior parte degli indicatori chiave di prestazione per il taglio preciso di metalli e per la levigatura dei diamanti.
Un sistema di lavorazione altamente avanzato
L’obiettivo è quello di avere un’alta percentuale di produttività senza compromettere la precisione, insieme all’alta qualità senza compromettere la velocità. Ciò richiede un laser al femtosecondo con una potenza media davvero elevata e parametri di fascio adattati di conseguenza. Il laser deve adattarsi alla durata dell’impulso, all’energia dell’impulso, al profilo di intensità e alla polarizzazione, nonché fornire un’emissione di fascio flessibile. Il fascio deve essere applicato al pezzo da lavorare in maniera ben definita, specifica per l’applicazione, che gli permetta di essere diviso da un elemento di diffrazione o di essere spostato rapidamente da uno scanner o da modulatori ultraveloci, necessari per evitare l’accumulo di calore che danneggerebbe la qualità della lavorazione. A tal fine il progetto HIPERDIAS ha combinato un MOPA (Master Oscillator Power Amplifier, ossia oscillatore e amplificatore di potenza), un sistema laser ultraveloce e ad alta potenza, con un macchinario specificatamente adattato alla lavorazione di diamanti, alla strutturazione del silicio in 3D e al taglio preciso di metalli. Il sistema è stato testato per tre applicazioni specifiche e si è constatato che era più veloce rispetto allo stato attuale dell’arte: ha lavorato il silicio 3D e levigato diamanti sintetici 50/60 volte più rapidamente e ha tagliato con precisione il metallo 20/25 volte più velocemente.
Per applicazioni multiple
I risultati di HIPERDIAS possono essere adottati in tutti i settori in cui la tecnologia laser può migliorare la qualità del prodotto, offrendo benefici in termini di costi e nuove soluzioni di produzione. «Il sistema HIPERDIAS avrà un impatto duplice: creare una supremazia in questo stimolante settore e rafforzare così le imprese in Europa, e al contempo ridurre il costo di molti componenti diffusi oggigiorno, come gli schermi dei cellulari per i consumatori», spiega il coordinatore del progetto, Marwan Abdou-Ahmed. La tecnologia può essere applicata a una vasta gamma di applicazioni tra cui i dispositivi di sistemi microelettromeccanici, i picoproiettori e i dispositivi medici. Sarà altresì utile in vari settori per la microlavorazione di materiali trasparenti, la perforazione di ugelli e la strutturazione di superfici di grandi dimensioni per applicazioni super idrorepellenti. Dall’orologeria all’aeronautica e alla produzione automobilistica, il progetto HIPERDIAS ha sviluppato un sistema che potrebbe consentire di produrre in modo più efficace. Ci sono anche molte applicazioni scientifiche, come la spettroscopia e la terapia protonica che potrebbero beneficiare del potenziamento della tecnologia a un maggiore livello di energia e potenza di picco. Il team prevede di poter disporre del sistema laser industriale al femtosecondo da 1 kW fra 3/5 anni. «HIPERDIAS ha spianato la via per rendere possibile questa tecnologia, ma per essere più veloci e in grado di sopportare le maggiori potenze richieste, il sistema deve essere ulteriormente sviluppato. Ad esempio, dobbiamo mettere a punto vari componenti come l’emissione del fascio di fibra e gli scanner», conclude Abdou-Ahmed.
Parole chiave
HIPERDIAS, microlavorazione, femtosecondo, laser, fotonico, silicio, diamante, metalli, impulso, ottico
