Innovare il laser texturing con Optoprim

Tra le sette stazioni indipendenti che costituiscono il laboratorio di Applicazioni Laser di Optoprim concentriamo l’attenzione sulla cella dedicata al micro-machining e a processi quali micro-forature, dicing del vetro, ablazione selettiva e texturing. Proprio quest’ultimo processo è sempre più richiesto in settori applicativi anche molto diversi. Per essere integrato in modo efficace però richiede elevate competenze e importanti partnership con istituti di ricerca e fornitori di tecnologie avanzate. proprio ciò che caratterizza l‘azione di Optoprim e suoi tecnici.

Soddisfare le più ambiziose richieste del mondo industriale, colmando il gap fra la ricerca accademica e la produzione aziendale. Questa la mission che ha portato Optoprim a far nascere a Vimercate (MB) il laboratorio di Applicazioni Laser, una struttura diretta da un brillante team di ingegneri specializzati nelle diverse branche applicative ed equipaggiato con molteplici sistemi di processo laser. Al momento il laboratorio conta 15 ingegneri specializzati in diverse applicazioni laser e che supportano i clienti nello sviluppare vari processi grazie alle sette stazioni indipendenti, che spaziano dalla saldatura alla marcatura, dal trattamento termico al taglio, dal cladding alle nuove applicazioni per l’e-mobility, fino al micro-machining. In questo articolo concentriamo l’attenzione sulla cella di micro-machining, che permette di sviluppare i processi già citati in scala micrometrica con l’aggiunta di alcuni processi esclusivi, quali micro-forature, dicing del vetro, ablazione selettiva e texturing.
“È proprio in questa direzione che sono stati rivolti gli investimenti per il nostro setup – conferma Riccardo Motta di Optoprim – che al momento conta due stazioni, equipaggiate ciascuna con una sorgente laser al femtosecondo con la possibilità di lavorare con impulsi al picosecondo e in regime di burst (sia MHz che GHz). La prima stazione può lavorare nell’infrarosso, nel verde e nell’UV, questo ci dà la possibilità di lavorare tante tipologie di materiali e di raggiungere risoluzioni estreme. Questo anche grazie a delle teste di scansione top di gamma e ad un sistema di movimentazione assi che ci permette di lavorare su aree maggiori di 200 x 200 mm2 . La seconda stazione, oltre ad un laser simile a quello precedente, ospita ottiche apposite per il dicing del vetro e un sistema a 5 assi che permette di trattare sistemi non planari. In entrambe le stazioni sono stati previsti degli spazi per poter integrare attrezzature da dedicare specificatamente alle applicazioni dei clienti, come teste di foratura e sistemi di beam shaping, garantendo un’estrema flessibilità e adattabilità all’applicazione richiesta. Il team dedicato al micro-machining è ora composto da tre ingegneri fisici specializzati, che lavorano in costante contatto con il resto del team per poter riportare nel “micro” l’esperienza acquisita nei processi macroscopici, in perfetto stile Optoprim”.

Competenze laser in continuo aggiornamento

Le conoscenze nell’ambito della fisica del gruppo micro permettono al team Optoprim di comprendere chiaramente le dinamiche di interazione della radiazione laser con il materiale, elemento fondamentale per questo tipo di applicazioni, nonché di avere una profonda conoscenza della sorgente laser, fondamentale per sfruttarne a pieno il potenziale.
“Queste conoscenze – prosegue Motta – sono costantemente aggiornate grazie alla partecipazione a conferenze e fiere internazionali di settore, che permettono di rimanere aggiornati sulle applicazioni più attuali e sulle tecnologie più innovative.
L’esperienza e l’attitudine allo sviluppo di processi del nostro gruppo di lavoro sono supportate da attrezzatura d’avanguardia e strumentazione di analisi dedicata. Nello specifico abbiamo a disposizione un microscopio digitale con ingrandimento da 100X a 2500X e illuminazione anulare, coassiale e backlight, per poter ispezionare nel dettaglio i diversi materiali trattati, visualizzando features inferiori al micron e un interferometro a luce bianca che è in grado di scansionare campioni 3D con una risoluzione di 50nm in Z, ideale per analisi di rugosità e per verificare il dettaglio delle features prodotte”. Importante sottolineare come Optoprim abbia sviluppato nel tempo un’ampia rete di contatti tra aziende e centri di ricerca internazionali che permette da un lato di ottenere informazioni su un nuovo processo in tempi rapidi e dall’altro di sfruttare attrezzatura di sviluppo e analisi ulteriore rispetto a quanto disponibile nel laboratorio Applicazioni Laser.

L’innovazione nel laser texturing si fa insieme ai partner

I fornitori sono parte integrante del processo di sviluppo in Optoprim, soprattutto per tecnologie come il texturing che richiedono equipaggiamenti dedicati e di alta qualità. Una tematica importante nell’ambito del texturing è la possibilità di riscalare i processi per aumentarne la produttività, dal momento che queste lavorazioni molto spesso richiedono tempi elevati legati all’elevata precisione.
“In questo contesto – spiega Motta – i nostri fornitori di sorgenti laser possono garantire potenze ed energie molto elevate nell’ambito del fs, superando i 100W di potenza e i 2mJ di energia per impulso, mantenendo anche a questi regimi la qualità, la flessibilità e l’affidabilità imprescindibili per l’applicazione. Per riscalare il processo a più alte potenze ed energie non è sufficiente migliorare la sorgente ma serve una sezione di beam delivery dedicata che permetta di sfruttare appieno queste caratteristiche”. È in questo contesto che si collocano i sistemi di beam shaping, i sistemi di lavorazione multi-beam e le teste di stampa, che permettono di adattare la forma del fascio alla feature da texturizzare, di ripartire l’energia in più punti di lavoro per effettuare lavorazioni parallele o addirittura di stampare il pattern richiesto in maniera diretta.
“La collaborazione con questi fornitori risulta imprescindibile per fornire un supporto di qualità ai nostri clienti; è altresì vero che è fondamentale poter testare e integrare queste tecnologie nel proprio laboratorio per poterne verificare l’effettiva efficacia sul processo del cliente. Per questo le nostre stazioni hanno spazi dedicati per alloggiare nuove tecnologie da poter combinare a quelle già presenti. Questo servizio non è utile solo ai nostri clienti, ma anche ai fornitori stessi per i quali abbiamo svolto caratterizzazioni e test, ricreando lo scambio di informazioni e competenza tipico dei centri di ricerca”.

Le opportunità del laser texturing

Per laser texturing si intendono tutti quei processi atti a una modifica controllata delle proprietà superficiali di un materiale, siano esse estetiche o funzionali, coinvolgendo elementi di scala micro e nanometrica. Nello specifico Optoprim si concentra su quei processi di texturizzazione che coinvolgono le sorgenti a impulsi ultraveloci, vere protagoniste in questo ambito. La durata dell’impulso molto corta permette infatti di raggiungere potenze di picco che abilitano la lavorazione di pressoché ogni tipo di materiale, apportando un contributo termico controllabile, dal momento che l’impulso di energia si esaurisce prima che i processi di diffusione termica abbiano modo di entrare in atto nel materiale. Tipici processi di texturizzazione includono ablazione diretta per la creazione di microstrutture (quali cupole, pilastri, fori, ribassamenti, trincee), generazione di strutture autoindotte di scala micro e nanometrica come le LIPSS (Laser Induceed Periodic Surface Structures), patterning diretto con processi interferometrici e texturizzazioni ibride che coinvolgono processi ossidativi.
I materiali trattabili possono essere metalli come l’acciaio, il titanio, il rame e l’alluminio, vetri come il borosilicato, la silice fusa e la soda lime, materiali ceramici come l’allumina, il nitruro di silicio, semiconduttori come il silicio o il carburo di silicio e la quasi totalità dei polimeri. Questa estrema flessibilità di interazione da un lato garantisce un’ampia gamma applicativa, dall’altro richiede lo sviluppo di una elevata competenza nella gestione della stessa interazione con i diversi materiali. “Il laser texturing – spiega Riccardo Motta – è un processo che sta progressivamente permeando diversi settori di applicazione, in particolare sta assumendo rilevanza nell’ambito dell’efficientamento energetico, per esempio in pannelli solari o nelle batterie, e nell’ambito biomedico, dove le lavorazioni laser permettono di migliorare l’adesione cellulare di impianti e dispositivi in vivo e la creazione di superfici antibatteriche sulla strumentazione chirurgica. Un ambito molto interessante è anche quello tribologico, dove le lavorazioni laser possono ridurre l’attrito di elementi in sfregamento o al contrario aumentare l’adesione nel caso di incollaggi. Non mancano inoltre le applicazioni nell’ambito luxury, dove le texturizzazioni possono essere usate per creare eccezionali effetti estetici in gioielli e orologi”.

Energy Storage e biomedicale, due esempi concreti

Presentiamo ora due casi di collaborazione portati avanti da Optoprim che hanno generato ottimi sviluppi in ambito di ricerca sul tema texturing. Il primo riguarda il tema dell’eco-sostenibilità nell’ambito del progetto di ricerca italiano ORANGEES (CUP B93C2200130007). Il progetto, guidato da Standex International s.r.l. in collaborazione con RSE s.p.a. (Ricerca sul Sistema Energetico) e gli altri partner, ha come obiettivo lo sviluppo di materiali e lavorazioni innovative, eco-sostenibili e a basso costo per applicazioni in sistemi di accumulo elettrochimico (SAE) quali batterie e supercondensatori, aumentandone l’efficienza e il ciclo vita. “In questo contesto – spiega Riccardo Motta di Optoprim – abbiamo contribuito attraverso il nostro personale esperto e le nostre attrezzature all’avanguardia allo sviluppo di processi di micro e nano texturizzazione su materiali collettori di corrente nei sistemi di accumulo elettrochimico per aumentarne l’efficienza, quali rame e alluminio, collaborando a stretto contatto con i ricercatori di Standex. Grazie allo studio svolto è stato possibile realizzare geometrie microstrutturate particolarmente piccole per i materiali trattati”. Il secondo esempio è tratto invece dall’ambito biomedico dove sono stati trattati materiali biocompatibili stampati mediante Laser Powder Bed Fusion, quali titanio e sue leghe, per modificarne la superficie iniziale, controllando la crescita cellulare che avviene alla loro superfici e una volta impiantati in un contesto organico (1 ).
Le microstrutture autoindotte nel materiale attraverso il laser a impulsi ultracorti hanno permesso nel caso della lega di titanio di aumentare la crescita cellulare rispetto al materiale non trattato o trattato con altre tecnologie convenzionali. “In questo caso – conferma Motta – le nostre competenze sono state messe a supporto di Dr. Carlo Alberto Biffi del CNR ICMATE di Lecco, con il quale avevamo già precedentemente lavorato sul tema della modifica superficiale di materiali metallici biodegradabili (leghe a base ferro e zinco) per impianti temporanei con lo scopo di aumentarne la capacità di riassorbimento da parte dell’organismo (2 )”. Competenze e tecnologia al servizio dell’innovazione Questi progetti dimostrano in modo concreto il valore della collaborazione proposta nel laboratorio di Applicazioni Laser. “In Optoprim – conclude Riccardo Motta – si può trovare un partner, prima che un fornitore di tecnologia, con cui sviluppare progetti innovativi e adottare nuovi paradigmi produttivi. Questo è possibile grazie all’estrema competenza di tutto il team tecnico e commerciale, estremamente appassionato e motivato, grazie alle attrezzature all’avanguardia che sono messe a disposizione del cliente e grazie alla forte rete di collaboratori, clienti e fornitori tessuta in anni di sviluppo processi. È parte dello stile Optoprim fornire risposte a quesiti applicativi in tempi rapidi e affiancare il cliente nella comprensione delle necessità realizzative, di analisi e di messa in produzione dei processi più complessi, come il texturing”.

La differenza tra geometrie autoindotte e microstrutturate

Quando si parla di texturing, un tema importante è la differenza tra geometrie autoindotte e microstrutturate. Come suggerisce il nome, le geometrie autoindotte sono texturizzazioni che si ottengono sul materiale senza che vengano esplicitamente tracciate dal laser, si formano grazie all’interazione della radiazione con altri elementi, come le onde superficiali di polaritoni plasmonici nel caso delle LIPSS. Queste tipicamente formano pattern regolari di scala micro e nanometrica le cui proprietà possono essere controllate variando la lunghezza d’onda del laser, la sua polarizzazione e le proprietà di irradiazione come la fluenza e il dosaggio di energia su area. Queste geometrie vengono tipicamente usate per l’ottimizzazione di proprietà come l’idrofobicità e l’assorbimento ottico dei materiali trattati.
Le geometrie microstrutturate sono invece frutto di un preciso controllo della posizione e della focalizzazione del fascio laser, che attraverso processi ablativi rimuove sottili strati di materiale per formare strutture con design personalizzabile. In questo contesto è fondamentale saper trattare correttamente gli impulsi generati dalla sorgente a fs per trarre il massimo in termini di risoluzione e produttività, progettando accuratamente il setup ottico e ottimizzando i tanti
parametri di processo in gioco. Lavorazioni del genere hanno dimensioni tipiche di alcune decine o centinaia di micron e sono fondamentali in quegli ambiti che richiedono un design specifico, come quello estetico o tribologico.