Daniele Colombo, Ph.D. student Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano

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1 Laser ad elevata brillanza: la nuova frontiera dei laser di potenza Daniele Colombo, Ph.D. student Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano Innovazione delle tecnologie di produzione come leva strategica per la competitività Assolombarda Our competencies: Laser welding; Laser cutting and drilling; Laser hardening; Laser cladding; Laser microprocessing; Monitoring and control of laser processes. Our laser sources: Fiberlaser, 1000W cw; Fiberlaser, 50W pw; Diode laser, 2200W, 6300W; Nd-Yag,120W pw, 500W pw. - via La Masa, Milano Bovisa (Mi) ITALY Tel Fax

2 Brevi cenni storici 1917, A.Einstein Zur Quantentheorie der Strahlung Physik Annalen , A.Schawlow, C.Townes (Bell Labs) Infrared and Optical Masers Physical Review Maser = Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1960, T.Maiman ( ) (Hughes Research Labs) "Stimulated Optical Radiation in Ruby Nature Laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Una brillante soluzione in cerca di un problema Fonte: Carl Haas GmbH Fonte: Philips AG Fonte: Alessi Spa Fonte: Alias Srl Fonte: Idealclima Spa Saldatura molle per orologeria Taglio laser di vassoi Saldatura testina per rasoio elettrico Fonte: Audi AG Fonte: Motorola Saldatura porte blindate Fonte: Technogym Spa Saldatura carrozzerie automobilistiche Fonte: Idealclima Spa Saldatura struttura cellulare Marcatura circuiti integrati Fonte: Ideal Standard Fonte: Liebherr AG Fonte: Ideal Standard Saldatura e taglio laser del tubo Saldatura caloriferi tubolari Lavorazione completa dell acciaio inossidabile Marcatura rubinetto 2

3 Il laser 5 caratteristiche che la rendono unico: monocromatica unica fase bassa divergenza Queste caratteristiche portano alle seguenti proprietà: elevata focalizzabilità (Irradianza > 10 6 W/cm 2 ) elevata efficienza di interazione con la materia alta brillanza Definizione di brillanza Federal Standard 1037C Telecommunications: Glossary of Telecommunication Terms Radiance: Radiant power, in a given direction, per unit solid angle per unit of projected area of the source, as viewed from the given direction. Note: Radiance is usually expressed in watts per steradian per square meter. 3

4 Definizione di brillanza! approssimazione parassiale! fascio limitato in difrazione (fascio gaussiano) Brillanza e Qualita del fascio M 2 : fattore di qualità BPP: Beam Parameter Product (d 0 e θ piccolo) 4

5 Effetto della qualità del fascio sulla focalizzazione Fasci ad elevata qualità (BPP basso) presentano: - Diametro di spot piccolo - Profondità di campo elevata Effetto della qualità del fascio nei processi di taglio Taglio veloce di spessori sottili " Dinamiche dei sistemi 5

6 Effetto della qualità del fascio nei processi di saldatura Saldatura in keyhole " Copertura gas " Sezione resistente " Accostamento dei lembi Fasci laser per elevate performance 12 La produttività di un sistema laser è direttamente proporzionale alla brillanza del fascio impiegato. Brillanza elevata è sinonimo di qualità del fascio elevata A pari potenza installata, l elevata qualità del fascio è ottenibile per bassi valori di BPP (o M 2 ) 6

7 Le sorgenti laser 13 Le sorgenti commerciali CO2 (!=10600nm) 14 Pmax = 16 kw BPP elevati Applicazioni di potenza tipiche: Saldatura Taglio Microlavorazioni Marcatura Cortesia ROFIN Sinar Laser GmbH 7

8 Le sorgenti commerciali Nd:YAG (!=1064nm) 15 Pmax < 10 kw BPP elevati, inferiori però ai CO 2 Cortesia Trumpf GmbH + Co KG Applicazioni di potenza tipiche: Saldatura Taglio Trattamento termico Microlavorazioni Riporto laser Marcatura Le sorgenti commerciali a diodi (!=808 e 940nm) 16 Pmax < 10 kw BPP non applicabile Applicazioni di potenza tipiche: Saldatura Trattamento termico Riporto laser 8

9 Sorgenti ad elevata brillanza La rivoluzione itterbio (Yb) : può essere efficacemente pompato con diodi laser! prossima al neodimio (Nd)!=1070 nm 2 tipologie: a disco o in fibra (i più diffusi) Sorgenti laser a disco 9

10 Sorgenti laser in fibra Architettura delle sorgenti laser in fibra 20 Potenze superiori si ottengono sommando più moduli: " elevate potenze " elevata affidabilità " raffreddamento ad acqua " qualità del fascio più bassa 10 kw 10

11 Confronto tecnico 21 Confronto attraverso la potenza massima: Confronto tra sorgenti Industrial Laser Solutions, Fiber laser welding, Eckhard Beye Volume: 21, 7,

12 Confronto economico: sistema di taglio laser Salvagnini Potenza elettrica richiesta: L1X 3kW CO 2 aspiratore refrigeratore sorgente macchina L1Xe 2kW fibra aspiratore refrigeratore sorgente macchina WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 Consumo di energia su 7 nesting campione -70% con tutti i materiali e gli spessori WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 12

13 Costi di esercizio -45% L1Xe 2kW fibra L1X 3kW CO 2 WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 Velocità di taglio su 7 nesting campione CUTTING SPEED (m/min) +120% +80% +180% WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 13

14 Costo d esercizio per pezzo Spessore: 0,6mm Mat: Inox 2kW FIBRA 3kW CO 2 Slab Tempo ciclo -13% 200mm Costo esercizio per pezzo 2kW FIBRA 3kW CO 2 Slab -55% WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 Costo d esercizio per pezzo Spessore: 3mm Mat: Rame 2kW FIBRA Tempo ciclo Water JET 6000bar -50% 100mm Costo esercizio per pezzo 2kW FIBRA Water JET 6000bar -85% WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 14

15 Confronto tecnologico in processo di saldatura 29 CO 2 Fibra 30 Confronto tra tecnologie 15

16 Le nuove opportunità dell elevata brillanza 31 Incisione laser ad elevata risoluzione DS4 Technology Sistema Laser utilizzato DS4 Robot Compact Esempio di Scavo Bascula di fucile da caccia in ERGAL 65 WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 32 WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 16

17 Le nuove opportunità dell elevata brillanza 33 La saldatura remota (cortesia COMAU) WS alta brillanza, PoliMi, 17 /09/08 Le nuove opportunità dell elevata brillanza 34 La saldatura remota (cortesia IPG Photonics Italy) WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 17

18 Le nuove opportunità dell elevata brillanza 35 Il taglio remoto (cortesia Fraunhofer IWS) WS alta brillanza, PoliMi, 24 /09/09 CONCLUSIONI 36 Le sorgenti laser in fibra rappresentano un salto generazionale nel settore. Le caratteristiche delle sorgenti in fibra che le rendono estremamente interessanti per il mondo industriale sono: " elevata qualità del fascio " elevate potenze raggiungibili " elevata velocità di processo " bassi costi di esercizio " elevata affidabilità. Le sorgenti laser in fibra avranno un posto di riguardo nel panorama futuro delle sorgenti laser di potenza. 18

19 Il Dip.to di Meccanica e l elevata brillanza 37 Sistemi disponibili: - Laser in fibra da 1000W (saldatura e taglio di materiali metallici) - Laser in fibra da 50W pulsato (microlavorazioni) Il Dip.to di Meccanica e l elevata brillanza 38 Attività di ricerca: - Sviluppo e caratterizzazione di processi con sorgenti ad elevata brillanza - Monitoraggio di processo ottimizzato per sorgenti ad elevata brillanza Future expansion input Future expansion input 19

20 Il Dip.to di Meccanica e l elevata brillanza 39 Workshop sulle applicazioni industriali dei laser ad elevata brillanza Il Dip.to di Meccanica e l elevata brillanza 40 Proposta Industria 2015 Made in Italy Nome progetto: SYBILLA INNOVATIVE SOLUTIONS FOR MANUFACTURING SYSTEMS EQUIPPED WITH HIGH BRILLANCE LASERS Produttori di sistemi laser: Università: Prima Industrie Politecnico di Milano Adige CNR ITIA Comau Politecnico di Bari Ficep Università di Bologna Laserpoint Università di Roma TorVergata RTM Università di Napoli Salvagnini Produttori di componentistica laser: Centri di ricerca: Actis ElEn Centro Laser di Bari Elfim Centro Ricerche Fiat Optec Centro Sviluppo Materiali Scimex Electrolux MelSystem Olivetti IJ 20

21 41 grazie per l attenzione! Per ulteriori informazioni 21

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