La saldatura laser offre numerosi vantaggi nella produzione automobilistica e apre la strada a nuovi progetti per i veicoli elettrici; ad esempio, le barre collettrici saldate al laser che collegano le singole celle della batteria o gli statori a forcella che sostituiscono i tradizionali design a bobina. Tuttavia, questi processi basati sul laser richiedono un livello di precisione straordinariamente elevato. Un problema fondamentale dei laser ad alta potenza nelle applicazioni di saldatura è lo spostamento del fuoco. Cailabs ha sviluppato moduli innovativi per la forma del fascio che riducono al minimo lo spostamento focale e massimizzano la qualità del cordone di saldatura. Per analizzare il fascio laser e dimostrare i risultati superiori della tecnologia, il team si affida a istituzioni rinomate e alla tecnologia di misura MKS, utilizzando il profilatore di fascio laser senza contatto BeamWatch di Ophir.
La storia di successo di Cailabs inizia con l’invenzione di MPLC (Multi-Plane Light Conversion), una tecnologia proprietaria inventata nel 2010 da Jean-François Morizur, co-fondatore e CEO di Cailabs, e Nicolas Treps. Dalla sua fondazione ufficiale nel 2013, Cailabs ha progettato e realizzato prodotti fotonici all’avanguardia per applicazioni fondamentali nei settori industriale, delle telecomunicazioni e spaziale. In ambito industriale, l’azienda è stata all’avanguardia nello sviluppo di nuove tecnologie di modellazione del fascio che hanno espresso nuove potenzialità e migliorato l’efficienza, la qualità e la sicurezza delle applicazioni laser ad alta potenza, soprattutto per la saldatura. La stretta collaborazione con diversi istituti a livello globale consente all’azienda di portare la propria tecnologia in contesti reali e di aiutare i propri partner a ottimizzare i processi. Nel 2024, Cailabs è stata premiata con l’Innovation Award Laser Technology 2024 (3° premio) all’AKL International Laser Technology Congress di Aachen, in Germania.
Sfide di saldatura e misurazione
Unire due materiali non è in genere un compito facile. Quando si saldano i metalli, l’apporto di calore deve essere selezionato in modo tale da distribuire il minor numero possibile di spruzzi, da evitare la formazione di crepe e da evitare che l’area di fusione collassi o presenti aree porose. È qui che la tecnologia di modellazione del fascio può fare una differenza significativa. La forma del fascio influenza in modo significativo la qualità del cordone di saldatura. Tuttavia, per migliorare il processo di saldatura, i parametri del laser devono essere determinati con cura in anticipo e devono essere stabilizzati durante l’intero processo.
La sfida arriva quando si lavora con potenze molto elevate: a causa dell’elevata energia applicata, le ottiche di trasmissione si riscaldano ed è possibile che si verifichi un effetto di Thermal Lensing, causando uno spostamento del fuoco sul piano di lavoro. Una volta spostata la messa a fuoco, i parametri del fascio cambieranno in modo significativo, portando a una sostanziale perdita di qualità. Per evitare questo effetto, i moduli per dare la forma del fascio CANUNDA-HP di Cailabs non solo ne modificano la forma, ma utilizzano solo ottiche riflettenti.
Test e analisi del fascio
Lo sviluppo di una tecnologia innovativa basata su laser ad alta potenza solleva la questione di come analizzare e verificare i risultati della nuova tecnologia di fascio laser con distribuzioni complesse. Oltre alle misurazioni interne con la tecnologia di misura MKS, come i sensori e i misuratori di potenza Ophir, gli esperti di Cailabs hanno stabilito una solida collaborazione con l’Istituto Maupertuis. Il centro francese di competenza industriale, dotato di una piattaforma e di un’attrezzatura di prova di alta qualità, utilizza il sistema di profilatura del fascio senza contatto BeamWatch di Ophir, la tecnologia di misura di fascia alta di MKS.
Gwenn Pallier, Product Line Manager di Cailabs, spiega: “Siamo pienamente consapevoli che la misurazione dello spostamento focale è fondamentale per verificare l’efficienza dei nostri moduli. Il fatto che l’Institut Maupertuis abbia già utilizzato l’unico dispositivo di profilatura del fascio senza contatto che consente di effettuare queste misurazioni in tempo reale è stato perfetto. I risultati forniti dal sistema di profilazione Ophir BeamWatch sono fondamentali per il nostro processo di sviluppo”.
Ottimizzazione della saldatura delle barre
Le applicazioni dei moduli di modellazione del fascio di Cailabs sono varie, molte delle quali nell’industria automobilistica. Ad esempio per ottimizzare i processi di saldatura delle barre, la testa CANUNDA-HP per la saldatura del rame è stata utilizzata presso l’Institut Maupertuis per eseguire la saldatura su campioni di rame Cu ETP di 10 mm di spessore. Il fascio erogato è costituito da un nucleo intenso e da un anello circostante di potenza inferiore. I test sono stati eseguiti nelle condizioni testate come ottimali (8 kW, 6 m/min), variando la posizione del punto focale. Le misure della posizione focale sono state effettuate con il dispositivo BeamWatch.
David Lemaître, CTO dell’Institut Maupertuis, sottolinea che: “Il sistema di profilazione BeamWatch di Ophir fornisce i parametri chiave misurando lo scattering di Rayleigh del raggio laser. Poiché il fascio stesso non viene nemmeno toccato, siamo in grado di analizzare fasci laser ad alta potenza senza alcun limite superiore, mentre il dispositivo stesso è leggero e facile da maneggiare”.
La tecnologia di misura ispira fiducia
L’industria automobilistica si attiene a processi e normative rigorosi. L’introduzione di nuove tecnologie di produzione richiede test rigorosi per garantire la qualità dei pezzi prodotti. La forma ad anello CANUNDA-HP genera un profilo anulare del fascio con una lunga profondità di campo e uno spostamento minimo della messa a fuoco. Questi attributi possono essere misurati solo con una tecnologia di profilatura del fascio senza contatto e in tempo reale, rendendo le misurazioni effettuate con il dispositivo Ophir BeamWatch dell’Institut Maupertuis cruciali per Cailabs.
Come spiega Gwenn Pallier, “poter verificare la stabilità dei nostri moduli di sagomatura del fascio è molto importante per le nostre prospettive. Sono certa che siamo riusciti a conquistare alcuni clienti proprio grazie alle misurazioni effettuate con il dispositivo Ophir BeamWatch”.
di Dagmar Ecker e Luca Porcelluzzi (MKS Ophir)
