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Customized photonic devices for defectless laser based manufacturing

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Cicli termici personalizzati stanno scaldando la produzione basata sui laser

La modellazione del raggio laser su misura che si avvale della conversione della luce multi-piano affronta le sfide attuali, aprendo la strada alla lavorazione laser di materiali in precedenza inaccessibili.

Tecnologie industriali

I laser sono diventati uno degli strumenti più importanti della produzione industriale. Sono infatti in grado di realizzare particolari minuziosi, difficili o impossibili da conseguire utilizzando le apparecchiature di lavorazione tradizionali. Inoltre, tagliano i materiali senza quasi lasciare traccia su quello circostante, riducendo al minimo la post-lavorazione. La modellazione del raggio laser per controllare l’intensità, ovvero l’energia per unità di superficie, può superare le difficoltà odierne delle applicazioni laser industriali, permettendo la messa a punto della microstruttura e delle proprietà finali di un componente. Il progetto CUSTODIAN, finanziato dall’UE, ha sviluppato una tecnologia di modellazione del raggio laser basata sulla fotonica, ad hoc per applicazioni e materiali specifici, al fine di controllare in tempo reale i processi laser.

Esperimenti e simulazioni al servizio dello sviluppo della tecnologia di conversione della luce multi-piano

Il gruppo si è concentrato sulla saldatura a raggio laser di componenti automobilistici in acciaio inox, sulla fusione laser a letto di polvere per il settore aeronautico, sui settori di produzione di energia e sul taglio laser di acciai spessi per vari settori. Tre fasi preliminari determinanti hanno gettato le basi per la tecnologia di modellazione del raggio laser: 1) la definizione del ciclo termico ottimale tramite lo studio di processi e materiali; 2) la simulazione multifisica per stabilire la forma ideale del raggio allo scopo di ottenere il ciclo termico desiderato e 3) il calcolo dell’assorbimento migliore sulla base delle equazioni di Fresnel, che descrivono la riflessione e la trasmissione della luce in prossimità di un’interfaccia, per rendere uniforme la distribuzione dell’energia. Le conoscenze specialistiche, la collaborazione proficua e l’impegno dei partner di CUSTODIAN hanno fornito spunti straordinari e cruciali su questi ambiti. Seguendo tale scia, il partner del progetto Cailabs ha elaborato la tecnologia di conversione della luce multi-piano (MPLC, Multi-Plane Light Conversion) per la modellazione del raggio basata sulla modifica iterativa del suo profilo trasversale dopo successive riflessioni su una piastra di fase. «La tecnologia MPLC proviene dal settore delle telecomunicazioni e, infatti, adattarla alle apparecchiature laser industriali non si è rivelato banale. Abbiamo dovuto eseguire regolazioni notevoli negli ultimi mesi del progetto e, inoltre, disponevamo di una finestra piuttosto stretta per il collaudo e la convalida dei risultati», spiega il responsabile del progetto CUSTODIAN, Daniel Gesto, del Centro tecnologico AIMEN.

Monitoraggio e controllo in tempo reale sfruttano l’immaginografia a infrarossi ad alta velocità

La capacità tecnica di cambiare la forma del raggio deve essere corredata di algoritmi che ne permettono il funzionamento. CUSTODIAN ha messo a punto sistemi di monitoraggio e controllo in tempo reale basandosi sull’immaginografia a infrarossi ad alta velocità. I riproduttori di immagini a infrarossi ad alta velocità del progetto sono stati integrati coassialmente per cogliere in tempo reale le dinamiche del bagno fuso. Gli algoritmi sono stati sviluppati e collaudati sulla base delle informazioni estrapolate per adeguare i parametri di processo in tempo reale e ottimizzare il ciclo termico per ogni materiale.

Risolvere i problemi laser esistenti e spalancare la porta a nuove applicazioni

I risultati scaturiti da CUSTODIAN hanno comprovato il proprio potenziale nel far fronte e ovviare alle sfide del settore che attualmente non è possibile superare nell’ambito delle applicazioni laser. Questi risultati concorreranno all’affermarsi di una migliore qualità e di una maggiore produttività pur abbassando i costi di produzione, migliorando l’efficienza energetica e riducendo nettamente gli sfridi. Inoltre, spianano la strada alla lavorazione laser di materiali tuttora inaccessibili a causa della loro composizione chimica e microstruttura. «La metodologia di CUSTODIAN, che nasce dalla combinazione di simulazione multifisica e tecnologia di modellazione del raggio laser flessibile, è l’unico modo per valutare e regolare i numerosi parametri di input in maniera sensata. Il progetto ha innescato una rivoluzione in uno degli ambiti odierni più scottanti nel settore della lavorazione laser dei materiali, ossia la distribuzione dell’intensità flessibile e specifica per l’applicazione», conclude Gesto. Nella metodologia di CUSTODIAN, è possibile scorgere le forme del futuro.

Parole chiave

CUSTODIAN, laser, modellazione del raggio laser, MPLC, conversione della luce multi-piano, simulazione multifisica, saldatura a raggio laser, fusione laser a letto di polvere

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