23.09.2005

Le tecnologie laser. LA MARCATURA LASER (2^ parte)

SEIMY
Uno sguardo attento alle tecnologie laser che possono coinvolgere aziende che operano nel campo della comunicazione pubblicitaria. Dagli insegnisti. ai serigrafi, agli stampatori in genere e a tutti aziende che, per i loro prodotti, ricorrono alla marcatura ed al taglio laser. Per la realizzazione di questa serie di lavori ci siamo valsi della cortese collaborazione della SEI di Curno (Bergamo), un'azienda leader del settore.
A cura di Nino Fichera
Fisica della marcatura laser
Il processo di marcatura di materiali con utilizzo di luce laser rientra nell'ambito dei fenomeni correlati all'interazione della radiazione luminosa con la materia.
Si può definire marcatura superficiale con luce laser un processo che, tramite rilascio calore localizzato sulla superficie di un materiale, ne altera l'aspetto in modo permanente. Sono diversi i fenomeni che causano la marcatura, trattamenti termici superficiali, fusione, vaporizzazione, bruciatura la cui azione può evidenziare effetti meccanici (asportazione di materiale), fisici (variazione dello stato cristallino superficiale) e chimici (combustione, reazioni varie).
L'assorbimento della luce laser dai materiali
Ogni materiale è in grado di assorbire in maniera più o meno efficiente luce laser caratterizzata da una data lunghezza d'onda, a seconda della struttura atomico/molecolare, della finitura superficiale, e della temperatura. Maggiore è la capacità  di assorbire una radiazione luminosa in un dato volume, maggiore risulta la lavorabilità . La maggior parte dei materiali utilizzabili risultano essere sensibili alle lunghezze d'onda tipiche di due tipologie di sorgenti laser convenzionalmente chiamati Nd:YAG e CO2, caratterizzati da lunghezze d'onda di 1,064 ym e 10,600 ym
Un discorso a parte meritano alcuni materiali plastici polimeri. Sono stati sviluppati da note aziende chimiche additivi termosensibili che, pur non alterando le proprietà  chimico fisiche e di isolamento elettrico, permettono la marcatura laser (laserazione) di plastiche altrimenti poco sensibili o tendenti alla carbonizzazione. Nel caso di metalli, in dipendenza dal materiale, una marcatura contrastata può essere creata usando essenzialmente tre tecniche differenti. Ogni metodo si differenzia per la temperatura ed il gradiente termico raggiunto sulla superficie del materiale irradiato: 1) brunitura superficiale, fusione localizzata, vaporizzazione di materiale. Nel caso di trattamenti superficiali quali cromature, anodizzazioni, depositi superficiali, la marcatura, portando alla vaporizzazione di strati superficiali fino a 10 ym per passata, determina effetti di elevata visibilità  per contrasto unita ad elevata velocità  di processo.
Una analisi quantitativa del fenomeno non è di facile determinazione, a causa dei molteplici aspetti termodinamici che si possono verificare, o meno, nell'azione di marcatura.
L'irradianza
La grandezza di interesse per classificare gli effetti dell'interazione tra luce laser e materia è la potenza per unità  di area, detta irradianza, che colpisce la superficie del materiale e che si misura in W/cm2. Nel caso in cui il livello di irradianza sia dell'ordine di 105 W/cm2 si può considerare l'evaporazione un effetto di rilievo. Il valore di irradianza in questo caso deve anche garantire una velocità  di riscaldamento superficiale nell'ordine di 109 K/s. Per questo scopo si utilizzano tipicamente impulsi di breve durata temporale ed il gradiente risulta tanto maggiore quanto maggiore è il coefficiente di assorbimento del materiale.
Il materiale viene asportato sotto forma di vapore nell'area su cui viene focalizzato il fascio laser. Si può individuare un limite superiore alla profondità  della marcatura considerando che tutto il calore ceduto venga destinato al riscaldamento ed alla successiva vaporizzazione del materiale. In questo caso la profondità  di marcatura risulta limitata, ogni punto marcato presenta un aspetto circolare con assenza di riporto di materiale sui bordi. Analogamente risulta limitata la velocità  del fronte di perforazione di ogni singolo punto marcato.
Per valori di irradianza più elevati, dell'ordine di 106 W/cm2, la velocità  di perforazione aumenta di un fattore compreso tra 2 e 5. La causa di questo comportamento si individua nella formazione di materiale fuso. Questo si forma sull'area irradiata; l'interfaccia tra materiale fuso ed aria assiste al fenomeno dell'evaporazione, mentre l'interfaccia col materiale solido si propaga in profondità . La conoscenza delle caratteristiche termodinamiche del materiale, e delle proprietà  dell'impulso di luce laser, permette di stimare la velocità  di avanzamento del fronte di fusione e la profondità  massima raggiunta dallo stato fuso.
Per ottenere una marcatura efficace è tuttavia importante che le caratteristiche dell'irraggiamento assicurino una copiosa evaporazione. La risolidificazione del materiale fuso, pur cambiando alcune proprietà  strutturali, può lasciare evidenze visibili.
Le particelle che si staccano sotto forma di vapore, benchà© inizialmente abbiano tutte direzione e verso che le allontana dalla superficie, dopo pochi ym assumono direzioni di propagazione casuali a causa degli urti. Questo fenomeno provoca una pressione sulla superficie del materiale fuso. La pressione esercitata dal vapore può essere dell'ordine di 107 Pa e la velocità  del materiale fuso espulso di circa 50 m/s. Il materiale fuso raggiunge una profondità  tale per cui l'espulsione del liquido lascia tracce sulle pareti del foro. I numeri riportati successivamente sono funzione di una interazione fra un laser Nd:YAG emettente a 1064 nm con durate di impulso dell'ordine dei 100 ns e metalli, il ragionamento è comunque valido per generiche interazioni fra fasci laser focalizzati su differenti materiali . Per valori di irradianza di circa 106 W/cm2 il vapore è rarefatto ed essenzialmente trasparente alla radiazione. Per irradianze crescenti tende a diventare opaco, la radiazione incidente subisce una diffusione, distorsione e risulta in generale ostacolata la propagazione. Nel range di irradianza 106¸1010 W/cm2 il vapore si ionizza ed assorbe una frazione sempre più significativa di energia irradiata. Il vapore ionizzato è comunemente identificato come plasma. Questo si forma vicino alla superficie e si propaga allontanandosi da questa, rimanendo essenzialmente confinato nel volume racchiuso dal fascio incidente. Parte dell'energia assorbita viene convertita in energia interna, energia meccanica, ed in radiazione termica, ossia il plasma emette come un corpo nero. Nel caso in cui il plasma si trovi vicino alla superficie questa viene irraggiata intensamente, permettendo la nuova formazione di plasma, mentre man mano che la nuvola di plasma si allontana nella direzione di provenienza del raggio il materiale viene sempre più schermato, fino alla quasi totale interruzione di scambio energetico tra radiazione incidente e materiale. Nel caso in cui infine si raggiungano valori di irradianza superiori a 1010 W/cm2 il plasma ridiviene trasparente alla radiazione che può quindi essere assorbita dalla superficie densa. Risulta pertanto evidente che maggiore è l'irradianza, maggiore è l'efficacia della interazione laser. E' evidente che sono preferibili sorgenti laser con qualità  di fascio elevata(M2 basso), energia d'impulso elevata, impulsi sufficientemente corti. I parametri di dimensione di pupilla di ingresso e di distanza focale sono invece strettamente legati a parametri di lavorazione quali l'area marcabile, la velocità  di posizionamento del fascio laser da parte della movimentazione meccanica.
Il tratto di marcatura fisicamente realizzato non è solamente determinato dalla dimensione del waist del fascio focalizzato, ma da altri parametri che rendono conto delle caratteristiche di lavorabilità  del materiale, dalla presenza o meno di riporti di materiale fuso, dalla finitura superficiale, dalla conducibilità  termica genericamente raccolti in un indicatore denominato soglia di irradianza.
Da ultimo, considerata l'esigenza dei marcatori laser di produttività  elevate, è una figura di merito la possibilità  di ottenere rapide accensioni e spegnimenti della sorgente, e la possibilità  di raggiungimento di frequenze di ripetizione degli impulsi fino a oltre 50KHz.
(fine 2^ parte)
Per maggiori informazioni: SEI - tel. 0354376016
L'articolo, nelle sue quattro parti, è stato realizzato per Graph Executive ed è stato inserito sui numeri di giugno - luglio/agosto - settembre - ottobre della stessa rivista.

Per ragioni di "peso" non è stato possibile inserire nel testo le tabelle che dovrebbero corredare da questa seconda parte del lavoro, tabelle, comunque, presenti nel testo inserito in Graph Executive.

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