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 ed a tutte le aziende che, per i loro prodotti, ricorrono al taglio ed alla marcatura laser. Per la realizzazione di questa serie di lavori ci siamo valsi della collaborazione dell'Ing. Giovanni Scotti della SEI di Curno (Bergamo), un'azienda leader del settore.
I COMPONENTI FONDAMENTALI DI UN APPARECCHIATURA PER LA MARCATURA LASER
Componenti fondamentali di una apparecchiatura per la marcatura laser sono, oltre alla sorgente, l'elettronica di controllo e potenza, e il sistema di posizionamento e focalizzazione del raggio.
I controlli elettronici più evoluti sono attualmente basati su schede a microprocessore autonome o su PC industriali, interfacciati al mondo esterno tramite comunicazioni seriali, ethernet, usb, porte I/O per interfaccia con PLC industriali, etc. Funzioni di settaggio dei parametri di controllo della sorgente (potenza, frequenza impulsi, energia impulsi) e del sistema di deflessione del fascio (velocità  di marcatura), sono effettuabili grazie all'ausilio applicativi in ambiente windows e driver di stampa utilizzabili con i più comuni CAD grafici.
Ciò che determina la velocità  massima di scrittura, la precisione di posizionamento, l'area di lavoro e la dimensione dello spot (o dell'utensile di lavoro) è il sistema di scansione e focalizzazione. La deflessione è effettuata utilizzando due motori galvanometrici sul cui albero sono montati due specchi per la deflessione del fascio laser lungo due direzioni perpendicolari. Caratteristiche peculiari di questi motori sono le estremamente rapide velocità  di posizionamento (risposte al gradino fino a 170 s), rotazioni tipiche di ±12° (a cui corrisponde una deflessione ottica doppia), robustezza e semplicità  di controllo. La figura 5 riporta uno schema di principio di una testa di scansione.
Si distinguono due tecnologie differenti, i relativi dispositivi sono chiamati teste di scansione tre assi o due assi.
a) Focalizzazione prima della scansione. Il raggio laser viene dinamicamente focalizzato sulla superficie di lavoro in funzione dell'angolo di deflessione degli specchi. Tecnica tipicamente utilizzata qualora si necessiti di aree di lavoro grandi (>200x200 mm2), in cui l'ottenimento di spot laser accettabili rende necessario l'utilizzo di specchi di dimensioni elevate (aperture >20 mm). Sistemi di focalizzazione curati permettono l'ottenimento di aree di lavoro / distanze di lavoro che possono variare notevolmente (es. da 200x200 mm2 a 500x500 mm2). Per questa caratteristica sono solitamente chiamate "teste 3 assi".
b) Focalizzazione dopo la scansione. Il raggio laser viene focalizzato da una particolare lente (detta theta-lens o lente a campo piano) che presenta la caratteristica essenziale di avere come superficie focale un piano oltre che di deflettere il fascio incidente in modo lineare con l'angolo di rotazione degli specchi. Le aree di lavoro ottenibili con questa tecnica sono relativamente ridotte (<200x200 mm2) ma la le velocità  di marcatura sono normalmente più elevate rispetto alla tecnica precedente, data la minore inerzia degli specchi (aperture <15-20 mm). E' possibile una limitata variazione della distanza di fuoco grazie alla movimentazione di ottiche precedenti alla deflessione del fascio.
L'utilizzo di una o l'altra tecnologia dipende essenzialmente dalla richiesta di area massima lavorabile. La tabella seguente riporta un riassunto delle caratteristiche tipiche dei due dispositivi di scansione.
Apparecchiature per utilizzo stand-alone sono dotate di possibilità  di gestione di attrezzature per la manipolazione, movimentazione del pezzo e per incrementare la produttività  complessiva del centro di lavoro. Sono comunemente disponibili:
· Doppia testa di scansione per teorico raddoppio di produttività ,
· Tavole rotanti,
· Piani cartesiani,
· Pannelli mobili per carico/scarico mantenendo l'apparecchiatura in sicurezza (Classe 1)
· Divisori, per marcatura, lungo la circonferenza, di oggetti dalla simmetria cilindrica o conica.
· Sistemi per la movimentazione cartesiana della sorgente. La gestione delle operazioni di controllo e sincronizzazione col laser è effettuata da un comune personal computer.

Processi di lavorazione
Sono qui di seguito elencati i principali processi di lavorazione in cui sono applicabili sistemi di marcatura:L'esigenza industriale di marcatori laser è particolarmente sentita per lavorazioni di apporto di codici alfanumerici, barcodes, datamatrix, marcature certificative ed per anticontraffazione.
* Marcatura in linea, pezzo fermo. La linea di produzione prevede uno stop dell'oggetto da marcare all'interno della area di lavoro. Tempi ciclo tipici sono <6s, tempi di marcatura <3s. Sorgenti laser utilizzate preferibilmente laser a stato solido pompati a diodi, con potenze da 5 a 50 Watt. Solitamente una comunicazione seriale o rete permette la comunicazione delle specifiche di marcatura, definibili su singolo oggetto. Velocità  di processo raggiungibili: fino a 1000 caratteri per secondo per marcature visibili, fino a 250 caratteri per secondo per marcature in alta definizione. Teste di scansione a due assi, con aggiustamento della distanza focale. Talvolta utilizzati sistemi a doppia testa di scansione. Tecnologie concorrenti: stampanti inkjet, tampografia. Settori industriali: industria circuiti integrati, componentistica elettrica / elettronica, componenti per industria automobilistica, etichette, industria del packaging, componentistica meccanica in grande serie, etc.
* Marcatura in linea, al volo. L'oggetto da marcare non viene fermato, ma continua la movimentazione sulla linea. La marcatrice riceve l'informazione sulla velocità  della linea e ne compensa il movimento adeguando in tempo reale la velocità  di scrittura del fascio laser. Il tempo di marcatura non va ad influenzare, in questa modalità , il tempo ciclo della linea di produzione. Come nel caso precedente, possibilità  di estrarre da database o controllo centrale i dati da marcare, definibili per ogni singolo oggetto. Tempi di lavorazione tipici <2s, Velocità  di processo raggiungibili: fino a 1000 caratteri per secondo per marcature visibili, fino a 250 caratteri per secondo per marcature in alta definizione. Sorgenti laser utilizzate sono a stato solido pompati a diodi (potenze da 5 a 40 Watt) e a CO2 (10-50Watt). Teste di scansione a due assi, con aggiustamento della distanza focale.
* Marcatura off line, manipolazione automatica / manuale. Il marcatore può essere abbinato a sistemi di movimentazione automatici del pezzo, gestiti e dallo stesso controllo del marcatore realizzato tramite PC, in ambiente Windows. Sono utilizzati laser a stato solido pompati a diodi qualora la qualità  della marcatura sia una esigenza primaria, altrimenti Nd:YAG pompati a lampada. I laser CO2 trovano applicazione nel caso di lavorazione di materiali naturali o metalli verniciati od anodizzati. Sistemi di scansione utilizzati a 2 o a 3 assi, a seconda delle aree di lavorazione richieste. Tempi di lavorazione possono arrivare fino alle decine di secondi, qualora la marcatura costituisca parte essenziale della lavorazione e creazione del prodotto finito. Queste apparecchiature presentano caratteristiche di versatilità  e flessibilità  particolarmente spinte, per adattarsi a molteplicità  di problematiche di lavorazione differenti. Potenze utilizzate da 40 a 120 Watt per i laser a stato solido, diodi o lampada, da 50 a 300 Watt per i CO2. Opzioni tipiche richieste sono, per la sorgente laser a stato solido: sistema di autofocus, selettore di qualità  modale del fascio ottico, movimentazione verticale della sorgente. Per il sistema, a seconda delle applicazioni: tavole rotanti, tavole X/Y, divisori, manipolatori.
* Una lavorazione laser di interesse per i settori degli stampisti e dell'incisoria è lo scavo 3D. Sistemi di marcatura, utilizzanti laser a stato solido, pompati a diodi o a lampada, capaci di fornire sul pezzo valori di irradianza >108 permettono l'asportazione di apprezzabili quantità  di materiale. Utilizzando software in grado di realizzare una strategia di scavo che tenga conto della dimensione dell'utensile laser e della quantità  di materiale asportato ad ogni passaggio, è possibile realizzare vere e proprie incisioni 3D su acciai, rame, ottone, grafite, etc. Le profondità  raggiungibili sono dell'ordine di qualche mm, per una diametro di scavo solitamente inferiore a 5 cm. La velocità  di scavo dipende fortemente dal materiale, dalla sorgente utilizzata e dalla finitura richiesta e varia da 5 a 20 min per 10 mm3 di scavo. Vantaggi risiedono nel dettaglio raggiungibile (fino a circa 50 ym), limiti nella perpendicolarità  e nell'ottenimento di spigoli vivi. Applicazioni di nicchia dimostrano la estrema competitività  dello scavo 3D fatto mediante laser in competizione con le tecnologie tradizionali.
* Marcatura intravolume. Consiste nell'ottenimento di immagini bi-tridimensionali all'interno di materiali trasparenti quali vetri e cristalli mediante la formazione di micro-cracks nel punto di fuoco del raggio laser. Al momento ha trovato applicazione nel settore dell'oggettistica e della decorazione del vetro. Le sorgenti utilizzate sono a stato solido ma non convenzionali, permettendo l'ottenimento di valori di irradianza ordini di grandezza superiori rispetto a quelli di sorgenti convenzionali. Esistono due tipologie di marcatori utilizzati, basati sulla tecnologia del pompaggio a diodi o a lampada flash. Primi permettono produttività  fino a 1000 punti al secondo, le seconde solitamente fino a 50 punti al secondo. I costi sono più elevati rispetto ad un marcatore tradizionale.
* Centri di taglio e marcatura combinati. Un sistema di marcatura è abbinato ad un plotter laser di taglio: la stessa sorgente può alimentare alternativamente le due teste. Vengono utilizzati laser CO2 con potenze fino a 300 Watt, per lavorazioni di metacrilato, legno, pelle, materiali naturali in seguito. Il sistema è pertanto in grado di compiere sia la lavorazione di incisione sia il taglio finale del pezzo. Le teste di scansione utilizzate sono della tipologia 3 assi, con aree di lavoro da 200x200mm2 a 500x500mm2.
Nino Fichera
(effenino@tiscali.it)
Fine 4^ ed ultima 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.