1 Prefazione
Tra la fine degli anni '70 e l'inizio degli anni '80, una nuovissima-tecnologia di applicazione laser-tecnologia di marcatura laser- emerse silenziosamente sulla scena internazionale. La macchina per marcatura laser rappresenta un'applicazione significativa dei principi di lavorazione laser; nello specifico, utilizza un raggio laser elaborato per irradiare la superficie di un materiale. L'energia luminosa viene istantaneamente convertita in energia termica, provocando la fusione o addirittura la vaporizzazione del materiale superficiale in un istante, creando così segni composti da testo, motivi e altri elementi.
2 Campi di applicazione e vantaggi della marcatura laser
Nel settore industriale si è assistito ad un graduale passaggio dalle lavorazioni elettriche all'era delle lavorazioni ottiche. Le macchine per marcatura laser sono altamente versatili, offrono risultati e stabilità eccellenti e di conseguenza hanno trovato ampia applicazione in numerosi campi. Sono in grado di incidere vari materiali metallici-così come alcuni-materiali non metallici-o di creare contrassegni permanenti e anti-contraffazione estremamente difficili da replicare. Facilitate da sistemi di input e output del computer e utilizzando un meccanismo di scansione galvanometrica, queste macchine raggiungono velocità di elaborazione elevate. Il loro sistema di guida della luce completamente chiuso-dimostra una forte adattabilità alle diverse condizioni ambientali, mentre la loro struttura interna modulare semplifica la manutenzione e l'assistenza; sono particolarmente-adatti per l'integrazione nei flussi di lavoro di produzione "on-line". Le macchine per marcatura laser sono ora ampiamente utilizzate per applicare marchi, numeri di lotto, date, codici a barre e altri identificatori a un'ampia gamma di prodotti, inclusi vari articoli hardware, recipienti metallici, strumenti di precisione, componenti automobilistici, parti elettroniche, utensili da taglio, articoli da regalo, orologi, impianti idraulici, montature per occhiali, fibbie per bagagli, cerniere, bottoni, fibbie per scarpe e tastiere di computer. Le figure 1 e 2, rispettivamente, illustrano modelli creati tramite marcatura laser su un disco magnetico e una gomma. Sottoponendosi alla lavorazione di marcatura laser, i prodotti possono essere elevati in termini di qualità e migliorati in termini di competitività sul mercato.
La marcatura laser presenta vantaggi praticamente ineguagliabili rispetto ai metodi tradizionali (come l'incisione chimica, la lavorazione con elettroerosione, l'incisione meccanica e la stampa). In primo luogo, utilizza la tecnologia di controllo numerico (NC)-o il controllo diretto del computer-rendendo estremamente semplice alterare il contenuto della marcatura; questa funzionalità si allinea perfettamente con le esigenze di alta-efficienza e di ritmo{{4}rapido della produzione moderna. In secondo luogo, utilizzando un laser come mezzo di lavorazione, raggiunge una precisione di incisione straordinaria dimostrando al tempo stesso un’ampia compatibilità con vari materiali, consentendo la creazione di marcature altamente complesse ed eccezionalmente durevoli su un’ampia gamma di superfici. Infine, poiché il processo non comporta alcun contatto fisico o forza meccanica esercitata sul pezzo, garantisce che la precisione e l'integrità originali del pezzo siano completamente preservate. Può fungere da fase finale del processo di produzione, eliminando così la necessità di operazioni di finitura post-marcatura. Il suo metodo di lavorazione è altamente flessibile, in grado di soddisfare i requisiti sia della produzione in-laboratorio, sia della produzione in piccoli-lotti sia della produzione industriale su-scala su larga scala. Inoltre, non genera sostanze inquinanti e non provoca contaminazione ambientale-un fattore di particolare importanza nel mondo di oggi, dove la protezione dell'ambiente è sempre più una priorità. Ancora più importante, i contrassegni creati utilizzando la tecnologia di marcatura laser sono estremamente difficili da contraffare o alterare, offrendo quindi solide funzionalità anti-contraffazione. A partire dagli anni '90,-sulla spinta della crescente maturità della tecnologia di marcatura laser, del continuo perfezionamento delle apparecchiature di marcatura laser e della comprensione sempre più approfondita di questa nuova tecnica da parte del mercato-e in gran parte grazie ai suoi distinti vantaggi, la tecnologia di marcatura laser ha ottenuto un'applicazione sempre più diffusa a livello internazionale. In particolare, quando la rinomata società americana Intel ha lanciato la sua nuova generazione di chip CPU per computer-Pentium, Pentium Pro e Pentium MMX-ha utilizzato la tecnologia di marcatura laser per incidere segni sulla superficie di ogni singolo chip.
3 Classificazione delle macchine per marcatura laser
Come si ottiene la marcatura laser? In generale, la marcatura laser viene eseguita sotto il controllo del computer creando un movimento relativo tra il pezzo e il raggio laser; ciò fa sì che il raggio laser ablasca i simboli e i motivi desiderati sulla superficie del pezzo. In teoria, purché sia possibile stabilire un movimento relativo controllato tra il laser e il pezzo in lavorazione, è possibile realizzare la marcatura laser. Di conseguenza, l’attuale campo della marcatura laser presenta un’ampia varietà di macchine per marcatura laser.
A seconda che il raggio laser sia stazionario o in movimento, le macchine per marcatura laser possono essere classificate in due tipi: sistemi a raggio-fisso e sistemi a raggio-mobile. Come suggerisce il nome, nel primo caso si tratta di un raggio laser stazionario con un pezzo in movimento, mentre nel secondo si tratta di un raggio laser in movimento con un pezzo fermo. Le macchine per marcatura laser a raggio fisso-in genere utilizzano un piano di lavoro bidimensionale-controllato da CNC per manipolare il pezzo da marcare. Il loro vantaggio principale è il costo relativamente basso; tuttavia, i loro svantaggi sono altrettanto evidenti: velocità di marcatura lente, precisione di marcatura inferiore, difficoltà nel marcare contenuti complessi come le fotografie e la sfida di integrarli nelle linee di produzione online. Le macchine per marcatura laser-a raggio mobile possono essere ulteriormente suddivise in vari tipi in base al metodo specifico di manipolazione del raggio; sebbene ciascuno di essi possieda vantaggi e svantaggi unici, i sistemi a travi mobili-generalmente superano i sistemi a travi fisse-. Tra i sistemi a raggio mobile, la macchina per marcatura laser basata su galvanometro si distingue come esempio principale. Attualmente, è ampiamente riconosciuto all'interno della comunità internazionale della marcatura laser che, tra la vasta gamma di macchine disponibili, il sistema-basato sul galvanometro-grazie ai suoi numerosi vantaggi intrinseci-è emerso come il prodotto principale ed è considerato la direzione definitiva per lo sviluppo futuro della tecnologia di marcatura laser.
In base al tipo di sorgente luminosa impiegata, le macchine per marcatura laser possono essere classificate anche in macchine per marcatura laser YAG e macchine per marcatura laser CO2; queste due distinte sorgenti luminose sono adatte alla marcatura di diverse tipologie di materiali. A causa delle differenze nella lunghezza d'onda, le macchine per marcatura laser a gas CO2 sono limitate alla marcatura di materiali non-metallici, mentre le macchine per marcatura laser a stato solido-YAG sono in grado di marcare sia materiali non-metallici che metallici. I principali materiali di consumo per una macchina per marcatura laser a gas CO2 sono la miscela di gas o i tubi laser sostitutivi; inoltre, le lenti in germanio sono componenti soggetti a usura-e-che comportano un costo relativamente elevato. Al contrario, il materiale di consumo principale di una macchina per marcatura laser a stato solido-YAG è la lampada a pompa (i laser pulsati utilizzano lampade allo xeno, mentre i laser a onda continua-utilizzano lampade al kripton), che è poco costosa. Negli ultimi anni, spinto da una diminuzione del costo dei laser a semiconduttore, è emerso un nuovo tipo di tecnologia laser: cristalli laser pompati a semiconduttore- (come YAG), che generano un raggio laser a una lunghezza d'onda di 1064 nm. Questi sistemi sono caratterizzati da una durata operativa-senza manutenzione di 10.000 ore, un ingombro compatto e-diversamente dai sistemi tradizionali-non richiedono un'infrastruttura di raffreddamento su larga-scala. Daheng Laser (Cina) è stato un pioniere nel mercato interno, sviluppando con successo la prima macchina per marcatura laser YVO4 pompata a semiconduttore-; questa tecnologia ha raggiunto uno standard internazionale avanzato e da allora è diventata un prodotto standardizzato e consolidato.
4 Selezione di macchine per marcatura laser
I sistemi di marcatura laser utilizzano l'energia laser per creare segni su un substrato; tuttavia, gli effetti effettivi prodotti possono variare drasticamente, a seconda di fattori quali il tipo di laser utilizzato e le proprietà intrinseche del materiale del substrato. Ad esempio, i laser a CO2 a onda-continua in genere creano segni attraverso l'ablazione della superficie (incisione); i laser a gas pulsati e eccitati trasversalmente a pressione atmosferica (TEA)- ottengono la marcatura attraverso la carbonizzazione; i laser ad eccimeri si basano su reazioni fotochimiche; mentre i laser Nd:YAG utilizzano metodi di reazione termochimica.
Ciascuna specifica applicazione presenta un insieme unico di requisiti prestazionali; di conseguenza la scelta di un sistema laser non può essere fatta in modo arbitrario. Per i progettisti di sistemi di marcatura laser, la sfida fondamentale consiste nel selezionare la lunghezza d'onda del laser e la configurazione ottica più appropriate per qualsiasi materiale di substrato per garantire la creazione di un marchio ideale e di alta-qualità. La chiave per una marcatura laser di successo risiede nella rigorosa applicazione della metodologia "6-Sigma". Ad esempio, nel contesto della marcatura della plastica, i progettisti devono analizzare attentamente sia la composizione chimica del materiale che il processo di stampaggio per garantire una dispersione uniforme degli additivi e facilitare l'integrazione completa delle tecnologie di controllo della qualità, come i sistemi di visione artificiale.
I sistemi laser Nd:YAG e CO2 a raggio orientabile rimangono, ad oggi, le soluzioni ideali per le applicazioni di marcatura laser. Un'illustrazione della configurazione fisica di una macchina per marcatura laser Nd:YAG è disponibile nella Figura 3. Un sistema tipico utilizza una coppia di specchi di scansione per orientare il raggio laser, dirigendolo attraverso un sistema di lenti obiettive per focalizzarlo con precisione sulla superficie target; questi specchi eseguono i loro movimenti di scansione in stretta conformità con i comandi impartiti dal computer di controllo. Altri laser-come i laser a gas atmosferico a eccitazione trasversale pulsata-a pressione-utilizzano la marcatura con maschera, mentre anche i sistemi di marcatura a matrice di punti con laser CO2- occupano un posto nel settore della marcatura.
