Introduzione
Il produttore deve essere consapevole che i laser a fibra stanno inaugurando una nuova era nella rivoluzione della produzione moderna. Grazie alle loro capacità di taglio, marcatura e incisione ultraprecise, ad alta velocità e senza contatto, stanno trasformando il panorama manifatturiero. Tra i vari settori che stanno traendo vantaggio da questa tecnologia figurano quello automobilistico, aerospaziale, elettronico e dei dispositivi medici. I laser a fibra e i laser a CO₂ sono considerati due dei laser più diffusi negli ambienti industriali, ciascuno con i propri punti di forza e di debolezza.
- Un raggio laser utilizza una lunghezza d'onda di 1.060 nm, mentre la tecnologia laser a CO₂ utilizza un intervallo di lunghezze d'onda di 10.600 nm.
- Per generare un raggio laser ad alta potenza, i laser a fibra utilizzano una fibra ottica allo stato solido drogata con un elemento delle terre rare, come l'erbio o l'itterbio.
- I laser a CO₂ sono costituiti da una miscela gassosa di azoto, anidride carbonica ed elio, utilizzata per generare luce.
Questo articolo presenta un confronto esaustivo tra i laser a fibra e i laser a CO₂, analizzandone le differenze strutturali, i meccanismi di funzionamento, l’efficienza, i requisiti di manutenzione e le applicazioni. Al termine della lettura, saprete quale tecnologia utilizzare per soddisfare le esigenze del vostro settore.
Che cos’è un laser a fibra?
La tecnologia laser a fibra utilizza un laser a stato solido con una fibra ottica come mezzo di guadagno. La sostanza di drogaggio del nucleo della fibra è composta da elementi delle terre rare come l’itterbio (Yb), l’erbio (Er) o il neodimio (Nd), che potenziano il raggio laser. Il diodo convoglia la luce in un raggio laser ben definito che viene utilizzato per l'intaglio e l'incisione su metallo, plastica e molti altri materiali.
· Principio di funzionamento
Un laser a fibra segue una serie specifica di fasi durante il suo funzionamento. Ecco queste quattro fasi.
- Un diodo di pompaggio emette luce che si propaga nel nucleo della fibra, completando così il processo di pompaggio ottico.
- Il nucleo della fibra drogata amplifica questa luce mentre rimbalza all’interno della fibra, garantendo risultati migliori.
- La luce viene amplificata e si presenta sotto forma di un fascio luminoso focalizzato e coerente pronto per essere emesso.
- Il raggio viene convogliato attraverso un cavo in fibra ottica flessibile direttamente alla testa di taglio o di marcatura per l'emissione del raggio.
· Componenti
Un laser a fibra è costituito dai seguenti componenti. Di seguito è riportato l'elenco di tali componenti, la cui funzione combinata consente di eseguire correttamente l'operazione.
- Per la generazione e l'amplificazione della luce viene utilizzata una fibra di vetro drogata con un materiale delle terre rare.
- La sorgente di luce iniziale derivante dall'elemento delle terre rare viene attivata dal diodo di pompaggio.
- L'azione del laser ha inizio non appena il diodo di pompaggio genera luce.
- In questo processo, il nucleo della fibra drogata può fungere da mezzo di guadagno del laser.
- Infine, la lente del laser a fibra devia il raggio per tagliare o incidere.
· Vantaggi dei laser a fibra
I laser a fibra hanno rivoluzionato il mondo della lavorazione dei metalli, consentendo il taglio, l'incisione e la lavorazione su un'ampia gamma di materiali.
- Efficienza di conversione da elettrico a ottico stabile fino a 90%.
- Non ha specchi né tubi del gas pesanti, ed è di dimensioni ridotte.
- Non presenta parti ottiche mobili e il laser a fibra è dotato di un sistema completamente sigillato.
- Un laser a fibra può raggiungere oltre 100.000 ore di funzionamento.
- L'uso di un laser a fibra consente di ottenere una precisione millimetrica, con un punto di incisione che può essere ridotto fino a 90% rispetto a quello del laser a CO₂, garantendo dettagli ancora più nitidi.
- Ideale per l'uso con metalli riflettenti, tra cui alluminio, rame e ottone.
Conosci i laser a CO₂?
I laser a CO₂, un tipo di laser a gas che utilizza un raggio laser ad alta potenza ottenuto dalla combinazione di diversi gas, con l'anidride carbonica come componente di base, sono uno strumento affidabile nell'industria manifatturiera sin dagli anni '70. Il loro impiego di lunga data e i risultati comprovati li rendono particolarmente adatti ai materiali non metallici.
· Principio di funzionamento
- Nella fase iniziale, le molecole di azoto della miscela gassosa vengono eccitate da una corrente elettrica.
- L'energia viene trasferita alle molecole di CO₂ dalle molecole di azoto eccitate.
- Le molecole di CO₂ emettono fotoni, e questo fenomeno dà origine al raggio laser.
- All'interno del tubo, la luce viene riflessa da una serie di specchi in successione fino a quando, grazie alla risonanza ottica, viene emesso un raggio laser stabile attraverso uno specchio parziale.
· Componenti
- I componenti principali del sistema sono un tubo a gas riempito con anidride carbonica, azoto ed elio.
- Gli elettrodi presenti nel sistema fanno sì che le molecole di gas si carichino elettricamente.
- Un laser a CO₂ è dotato di uno specchio che focalizza e amplifica il raggio laser.
- Il sistema è dotato di un sistema di raffreddamento integrato che espelle il calore generato durante l'uso.
· Vantaggi dei laser a CO₂
- È possibile utilizzare la CO₂ su diversi materiali come legno, acrilico, vetro, tessuto e plastica, che sono esempi di materiali non metallici adatti a questo processo.
- L'uso di un laser a CO₂ consente di ottenere tagli più puliti e regolari su materiali più spessi.
- Collaudato e utilizzato da molto tempo.
- Rispetto a un laser a fibra, richiede una manutenzione minore per il suo funzionamento.
- Ha un costo iniziale contenuto, solitamente inferiore a quello dei laser a fibra.
Differenze tra i laser a fibra e i laser a CO₂
Sia i laser a fibra che quelli a CO₂ presentano vantaggi e campi di applicazione. Tuttavia, vi sono anche alcuni ambiti in cui queste due tecnologie differiscono.
Lunghezza d'onda e assorbimento
Un laser a gas e un laser a fibra hanno lunghezze d'onda e tassi di assorbimento diversi. Ecco la differenza tra i due:
| Tipo di laser | Lunghezza d'onda | Caratteristiche di assorbimento dei materiali |
| Laser a fibra | 1,06 µm | Il laser a fibra è ideale per i metalli; i materiali riflettenti lo assorbono in misura elevata. |
| Laser a CO₂ | 10,6 µm | L'uso di un laser a CO₂ è particolarmente indicato per i materiali organici, come il legno e la plastica, mentre non è adatto alle superfici riflettenti. |
- L'uso del laser a fibra, che presenta una lunghezza d'onda più corta, per ottenere un migliore assorbimento sulle superfici metalliche.
- Le lunghezze d'onda più lunghe del laser a CO₂ lo rendono poco adatto all'uso su superfici riflettenti.
Materiali da taglio
I laser a fibra e i laser a CO₂ trovano applicazione nel taglio dei materiali; i diversi materiali presentano livelli di compatibilità variabili con entrambe le tecnologie. Il produttore riconosce che il laser a fibra è più efficace per il taglio di superfici metalliche riflettenti, mentre il laser a CO₂ è più adatto al taglio di materiali organici, come il legno e i tessuti.
| Materiali | Laser a fibra | Laser a CO₂ |
| Acciaio inossidabile | Efficace | Meno efficace |
| Alluminio | Efficace | Meno efficace |
| Rame | Efficace | Non efficace |
| Ottone | Efficace | Non efficace |
| Tessile | Non efficace | Efficace |
| Legno | Non efficace | Efficace |
| Plastica | Non efficace | Efficace |
| Vetro | Non efficace | Efficace |
Efficienza energetica e consumo energetico
Entrambe le tecnologie presentano livelli diversi di efficienza energetica e consumo energetico. Ecco i dettagli:
- L'efficienza dei connettori a spina per i laser a fibra è compresa tra 30% e 40%.
- Al contrario, i laser a CO₂ raggiungono un’efficienza di soli 5–10%.
Di conseguenza, i laser a fibra consumano circa 70% di energia in meno rispetto ai laser a CO₂ con le stesse capacità di potenza in uscita. Ad esempio, un laser a CO₂ da 6 kW richiede circa 70 kW di potenza, mentre un laser a fibra da 6 kW ne richiede solo 18-20 kW. Di conseguenza, i costi operativi risultano quasi 50% più convenienti quando si utilizzano sistemi laser a fibra.
Velocità e precisione di taglio
- Per i materiali sottili, i laser a fibra tagliano fino a 3-5 volte più velocemente dei laser a CO₂, 2,0 volte più velocemente dei laser a CO₂.
- Per i materiali con uno spessore superiore a venti centimetri, i laser a CO₂ garantiscono risultati migliori grazie a una finitura dei bordi più liscia.
I laser a fibra offrono inoltre:
- Maggiore precisione di taglio grazie alla minore larghezza del taglio.
- Taglio più preciso grazie alla riduzione delle dimensioni del punto.
- Maggiore uniformità per lavori complessi come l’incisione e il microtaglio.
| Materiale | Velocità del laser a fibra (mm/s) | Velocità del laser a CO₂ (mm/s) |
| 3 mm di acciaio inossidabile | 55 | 20 |
| alluminio da 10 mm | 25 | 10 |
| 6 mm di acciaio dolce | 40 | 15 |
Manutenzione e durata
Affinché qualsiasi macchinario funzioni correttamente, è fondamentale sottoporlo a ispezioni periodiche. Tuttavia, alcune macchine richiedono una manutenzione più frequente rispetto ad altre.
Laser a fibra:
- L'assenza di specchi o di ricariche di gas rende superflua la manutenzione.
- Il sistema laser a fibra presenta un vantaggio competitivo grazie a una durata utile superiore a 100.000 ore.
- Presenta un design sigillato e compatto che riduce al minimo il rischio di contaminazione.
Laser a CO₂:
- Per una corretta manutenzione, è necessario allineare e pulire regolarmente gli specchi.
- La ricarica del gas e la sostituzione delle ottiche comportano tempi di inattività superflui.
- Ha una durata di vita tipica compresa tra 20.000 e 30.000 ore.
Manutenzione
Ogni 6-12 mesi è necessario effettuare un controllo del laser a CO₂. Ciò rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai laser a CO₂, che richiedono l'allineamento e la pulizia ogni 3-6 mesi.
Analisi dei costi
| Categoria | Laser a fibra | Laser a CO₂ |
| Costo iniziale | Più alto | Inferiore |
| Costi operativi | Inferiore | Più alto |
| Costi di manutenzione | Minimo | Da moderato ad elevato |
| Costo di proprietà | Inferiore | Più alto |
Casi d'uso
· Applicazioni dei laser a fibra
- Può essere utilizzato per il taglio, la saldatura e l'incisione di acciaio inossidabile, alluminio e rame.
- Il taglio e la marcatura di componenti di precisione nell'industria automobilistica.
- Rifilatura dei circuiti stampati e marcatura dei codici seriali nella produzione elettronica.
- I laser a fibra possono essere utilizzati per il taglio di leghe leggere nel settore aerospaziale.
- Può essere utilizzato per incidere marcature identificative di precisione sui dispositivi medici.
· Applicazioni dei laser a CO₂
- Il laser a CO₂ viene utilizzato per incidere su cartone, plastica e vetro.
- I produttori lo utilizzano per il taglio e l'incisione dei componenti dei mobili.
- I laser a CO₂ vengono utilizzati per il taglio dei tessuti e la progettazione di motivi nell'industria tessile.
- Nell'incisione su acrilico e vetro nel settore della segnaletica e della pubblicità.
- Può essere utilizzato per incidere materiali organici a scopo decorativo.
Conclusione
Sia i laser a fibra che i laser a CO₂ presentano alcune caratteristiche comuni; tuttavia, esistono notevoli differenze tra le due tecnologie.
- In questa sede si spiega che, nei settori automobilistico, aerospaziale ed elettronico, i laser a fibra sono più veloci, più precisi e più efficienti nel taglio dei metalli.
- D'altra parte, i laser a CO₂ sono ancora efficaci per il taglio di materiali non metallici come il legno, l'acrilico e i tessuti, e garantiscono bordi fini e lisci.
Sebbene i laser a fibra siano più economici in termini di manutenzione e funzionamento, il laser a CO₂ presenta costi iniziali inferiori. In definitiva, la scelta dipenderà dal tipo di materiale, dalla qualità di taglio richiesta e dai volumi di produzione, al fine di garantire il processo produttivo più efficiente.