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L\u2019industria della produzione automobilistica: obbiettivi ed esigenze<\/h3>\n\n\n\n
Una delle principali sfide nella giunzione dei materiali \u00e8 quella di accoppiare materiali diversi, sfida che l\u2019industria automobilistica cerca di risolvere da oltre 100 anni in tutte le sue sfaccettature. Oggi, in questo settore, si lotta per unire acciaio e alluminio e si guarda gi\u00e0 ai nuovi materiali, come la plastica e i polimeri rinforzati con fibre di carbonio. Inoltre, la consapevolezza e il rispetto delle pi\u00f9 recenti linee guida sulle emissioni di CO2 e delle norme di sicurezza indirizzano chiaramente queste ricerche. Se si considera il consumo totale di un veicolo, analizzando i diversi contributi, si ottiene che il 23%, quasi un quarto del totale, \u00e8 dovuto al peso del veicolo stesso ovvero al peso del telaio, della carrozzeria e della meccanica. Tutto ci\u00f2 significa che questo mercato ha bisogno di auto pi\u00f9 leggere ma anche pi\u00f9 sicure, per rispettare le normative sopra citate, mantenendo i costi competitivi. Le tecnologie di saldatura laser possono offrire sicuramente soluzioni estremamente valide e interessanti. L\u2019approccio del reparto giunzioni della societ\u00e0 spagnola Gestamp, specializzata in BiW, stampaggio e assemblaggio per auto, \u00e8 su molteplici fronti. Innanzitutto, la saldatura laser remota di acciaio e alluminio \u00e8 largamente utilizzata nei loro centri di ricerca e sviluppo sulla base dei sistemi di TRUMPF e i dispositivi di IPG, Blackbird, Precitec, Coherent e Lessm\u00fcller. In parallelo, per unire acciaio e alluminio, anche la saldatura laser tattile, ovvero con inseguimento del giunto, \u00e8 un approccio prezioso per numerosi impianti produttivi realizzati da Gestamp come pure per nuovi sviluppi all\u2019interno dell\u2019azienda stessa. Una delle loro tecnologie pi\u00f9 innovative da loro sviluppate \u00e8 il laser softening BiW BKT, o Ges\/Softbend, che permette la creazione controllata di aree con maggiore o minore indurimento attraverso il riscaldamento laser, utilizzando una sorgente a diodo diretto. Le parti trattate con questo processo hanno caratteristiche meccaniche diverse quali minore sensibilit\u00e0 alle tensioni indotte dalla saldatura oppure migliore deformabilit\u00e0 controllata in caso di collisione del veicolo. Si possono ottenere nuove soluzioni sulla base dei crash-test, partendo da soluzioni a durezza costante e creando aree pi\u00f9 o meno duttili, che possono offrire nuove caratteristiche e propriet\u00e0 di piegatura\/deformazione. Inoltre, risulta possibile la giunzione tra acciai dissimili e anche con l\u2019alluminio.
Gestamp ha quindi attivato numerose collaborazioni focalizzate sullo studio e lo sviluppo di nuove tecniche di giunzione di materiali dissimili. In particolare, le principali sfide sono la giunzione meccanica di alluminio e acciaio temprato, la giunzione termica di nuovi materiali, con base di fibre di carbonio, con l\u2019acciaio e il ruolo degli adesivi in tutti questi processi. Nel caso della giunzione fibra-fibra, il loro sistema BKT potrebbe essere una soluzione valida, se combinato con il giusto adesivo, mentre nel caso della giunzione acciaio-fibra, ci sono diverse potenziali soluzioni da esplorare.
Tutte queste attivit\u00e0 dei centri di ricerca e sviluppo Gestamp vengono effettuate in parallelo agli studi su altre tecnologie basate sul laser, come l\u2019ablazione e il rivestimento e\/o riporto di materiale. <\/p>\n\n\n\n
In generale, nonostante l\u2019attuale diffusione della saldatura laser con inseguimento del giunto, Gestamp \u00e8 convinta che la saldatura laser a distanza sar\u00e0 una tecnologia che crescer\u00e0 moltissimo, gi\u00e0 nel breve-medio periodo, perch\u00e9 permette di ridurre il peso dei veicoli ottimizzando la scelta e la giunzione dei materiali. Si ritiene che la saldatura laser a distanza possa ridurre significativamente la larghezza della flangia di copertura, permettendo la realizzazione di parti pi\u00f9 leggere a parit\u00e0 delle stesse prestazioni generali. Inoltre, il processo di saldatura potr\u00e0 essere accelerato perch\u00e9 nella saldatura laser a distanza non \u00e8 necessario alcun materiale di riempimento. Guardando al futuro, aziende come Gestamp che realizzano impianti di produzione per l\u2019industria automobilistica hanno una richiesta principale per i maggiori produttori di sorgenti laser: avere maggior potenza disponibile sul pezzo.<\/p>\n\n\n\n
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L\u2019approccio dei produttori di sorgenti laser per il settore automobilistico<\/h3>\n\n\n\n
Le esigenze dell\u2019industria automobilistica sono da sempre seguite dai produttori di sorgenti laser che modulano conseguentemente la loro offerta con soluzioni talvolta differenziate ma sempre estremamente interessanti. Coherent dedica una buona parte della sua gamma di prodotti alle applicazioni nel settore automobilistico per la mobilit\u00e0 elettrica, con specifica attenzione per l\u2019apparato propulsore elettrico, i moduli di controllo della potenza, le celle della batteria, i pacchi batteria e i numerosi dispositivi elettronici per correnti elevate (Figura 1). Queste applicazioni richiedono che i cordoni di saldatura resistano alle dilatazioni termiche e alle vibrazioni per tutta la vita dell\u2019automobile. I materiali tipici di queste applicazioni sono l\u2019alluminio e il rame. La strategia di Coherent \u00e8 quella di impiegare sorgenti a 1 \u00b5m tra le quali spicca il loro ARM, o Adjustable Ring Mode, laser a fibra con potenza di uscita fino a 10 kW, costituito da due raggi laser da 1 \u00b5m combinati in un\u2019unica fibra ottica cavo di processo: in uscita si ha un raggio ad alta brillanza dal centro della fibra, circondato, coassialmente, da un raggio con distribuzione anulare della potenza. Entrambi i raggi sono controllabili indipendentemente e possono essere modulati dinamicamente durante tutto il processo di saldatura. Ad esempio, si pu\u00f2 preriscaldare il materiale usando il fascio anulare e attivare il fascio centrale quando la superficie \u00e8 stata adeguatamente condizionata per avere il massimo dell\u2019assorbimento alla lunghezza d\u2019onda di 1 \u00b5m con dinamiche fino a 5 kHz. In queste sorgenti \u00e8 stata prestata la massima attenzione alla configurazione ottica dei laser rendendoli particolarmente resistenti alla retro-riflessione ovvero \u00e8 possibile saldare con il raggio perpendicolare al pezzo senza doversi preoccupare di inclinare l\u2019ottica. Il sistema ARM permette la riduzione di schizzi e porosit\u00e0 con un eccellente controllo della profondit\u00e0 di penetrazione durante la saldatura. Inoltre, \u00e8 possibile saldare insieme materiali dissimili, come alluminio e rame, senza riscaldare eccessivamente i materiali, con giunti senza lacune, spruzzi e pori, mantenendo le migliori caratteristiche elettriche e meccaniche. A oggi Coherent, che gi\u00e0 gestisce la saldatura di materiali dissimili, \u00e8 aperta a estendere le proprie competenze in alte applicazioni collegate alla mobilit\u00e0 elettrica, quali la saldatura del titanio, dell\u2019ottone e degli acciai zincati.<\/p>\n\n\n\n
TRUMPF \u00e8 fortemente impegnata nel settore automobilistico con particolare attenzione alle applicazioni laser collegate alla mobilit\u00e0 elettrica quali l\u2019elettronica di potenza, le celle delle batterie e delle celle a combustibile, i vari moduli e i contenitori, e le numerose connessioni dei conduttori elettrici. In questo settore, oltre alla tradizionale saldatura dell\u2019alluminio e dell\u2019acciaio, sta assumendo sempre maggior importanza la saldatura del rame. La strategia di TRUMPF si concentra sull\u2019utilizzo di laser nel verde basati su laser a disco della serie TruDisk con una potenza di uscita fino a 2 kW (@ 532 nm) e un\u2019elevata qualit\u00e0 del fascio per essere utilizzato con ottiche di scansione per la saldatura remota del rame con profondit\u00e0 di saldatura stabili e ripetibili. I laser nel verde consentono anche applicazioni di saldatura in sovrapposizione, anche tra materiali dissimili come alluminio e rame, che necessitano di profondit\u00e0 di saldatura estremamente controllata.<\/p>\n\n\n\n
Emerge inoltre la tendenza ad adottare soluzioni di saldatura laser multi-spot che TRUMPF promuove tramite la sua tecnologia brevettata denominata Bright Line Weld Technology, un sistema basato su 2 fibre in una sola che eroga fino a 16 kW di potenza di uscita a 1 \u00b5m (esempi di applicazione nella Figura 2). Questa speciale configurazione della guida d\u2019onda permette di utilizzare due dimensioni di punti contemporaneamente, con una distribuzione di potenza completamente regolabile che fornisce la stabilizzazione e la riduzione degli spruzzi per il processo di saldatura su tutti i materiali. La saldatura dell\u2019acciaio pu\u00f2 essere realizzata ad alta velocit\u00e0 (oltre 20-30 m\/min) ed efficienza. Particolari vantaggi per la saldatura del rame sono la possibilit\u00e0 di operazioni a bassa e alta velocit\u00e0 che assicurano saldature lisce. TRUMPF \u00e8 in generale aperta a ogni collaborazione con la comunit\u00e0 fotonica innanzitutto con gli esperti in sistemi di monitoraggio, sensoristica, gestione dei dati, interpretazione e ottimizzazione dei processi, ma anche con produttori di ottiche in grado di gestire alta potenza, brillantezza e luminosit\u00e0 nell\u2019infrarosso (superiore a 20 kW) per applicazioni di taglio e saldatura e alta potenza nel verde.<\/p>\n\n\n\n
Nel campo della saldatura laser NUBURU svolge un ruolo particolare con i suoi laser blu, soprattutto nella saldatura di rame e alluminio per veicoli elettrici e batterie, ma con esperienza applicative anche nella brasatura e nel trattamento termico. Limitandosi alle applicazioni automobilistiche, l\u2019idea di utilizzare una lunghezza d\u2019onda cos\u00ec corta \u00e8 motivata dall\u2019elevata capacit\u00e0 di assorbimento, soprattutto del rame, che porta a una saldatura di alta qualit\u00e0, senza spruzzi e senza pori, senza la necessit\u00e0 di applicare un fascio oscillante. Questo vale anche per la saldatura di materiali dissimili, come l\u2019acciaio-rame nelle batterie, con una profondit\u00e0 di penetrazione costante e controllata, causando un basso carico termico a causa dell\u2019applicazione di poche centinaia di watt di potenza laser blu. Per i pacchi batteria di grandi dimensioni, uno degli ultimi sviluppi ha portato all\u2019integrazione di uno scanner con un laser blu da 1,5 kW (vedi esempi di saldatura e direttamente su un pacco batteria in Figura 3), mentre \u00e8 prevista per il 2021 la commercializzazione di una versione laser blu monomodale.<\/p>\n\n\n\n Comau, membro del gruppo FCA, \u00e8 leader mondiale nella fornitura di prodotti e sistemi avanzati di automazione industriale. La sua gamma di prodotti comprende tecnologie e sistemi per la produzione di veicoli elettrici, ibridi e tradizionali, robot industriali, robotica collaborativa e indossabile, logistica autonoma, centri di lavoro dedicati e servizi e prodotti digitali interconnessi in grado di trasmettere, elaborare e analizzare i dati delle macchine e dei processi. Sono integratori di sistemi laser in dispositivi complessi come le teste di saldatura, l\u2019applicazione di termografia ibrida per il monitoraggio della qualit\u00e0 in linea in tempo reale e la gestione dei Big Data. Hanno sviluppato un software che utilizza reti neurali artificiali su video registrati in grado di valutare la qualit\u00e0 del giunto senza la necessit\u00e0 di test di controllo distruttivi. Inoltre, sono dedicati a migliorare la stabilit\u00e0 del processo con un software di progettazione su misura. In Figura 4 \u00e8 possibile vedere un\u2019immagine del laboratorio laser di Comau dove viene effettuata la convalida del prodotto su misura per ogni cliente quando si tratta la saldatura di batterie. Attualmente, sono aperti alla collaborazione per affrontare la sfida di rilevare la quantit\u00e0 di potenza in un giunto in tempo reale, con l\u2019obiettivo di descrivere come il giunto reagisca meccanicamente, elettricamente, e certificare le prestazioni in termini di invecchiamento del giunto.<\/p>\n\n\n\n Precitec, azienda specializzata nelle ottiche di lavorazione laser, offre soluzioni all\u2019avanguardia che integrano sistemi sofisticati per il controllo di processo. I punti di forza unici sono le teste di lavorazione per il taglio e la saldatura con una tecnologia di sensori completamente integrata per il monitoraggio e il controllo dei processi laser nelle applicazioni industriali. Specialmente nel contesto dell\u2019e-mobilit\u00e0, dove il laser ricopre il duplice ruolo di strumento unico e abilitante per diversi processi, le apparecchiature Precitec trovano numerose applicazioni specifiche come, per esempio il controllo di processo in tempo reale della saldatura dei materiali dissimili (a esempio rame-alluminio) per i contatti delle batterie e barre collettrici, dove i sensori Precitec rilevano immediatamente problemi quali una spazio eccessivo tra gli elementi da giuntare oppure un calo di potenza del laser, defocalizzazione del fascio, disallineamenti del puntatore, sovratemperatura dell\u2019ottica stessa per retro-riflessioni. La competenza innovativa di Precitec trova il suo apice nell\u2019introduzione della tomografia ottica coerente (OCT) nelle lavorazioni laser. L\u2019azienda \u00e8 stata contemporaneamente pioniere e artefice del trasferimento della tecnologia OCT dal campo medico alla produzione industriale e i successi sul campo confermano che Precitec abbia avuto ragione nel perseguire questa strada: oggi l\u2019uso di sensori OCT permette agli utilizzatori di misurare la profondit\u00e0 di penetrazione e\/o la topografia in tempo reale con risoluzione di micron senza essere disturbati dalla saldatura stessa.<\/p>\n\n\n\n Oggi sistemi maturi e pronti all\u2019uso, come KeyholeFinder o WeldMaster, sono strumenti ampiamente diffusi in ambiente industriale come nella saldatura dell\u2019alluminio senza riporto di filo della serie 6xxx dell\u2019Audi. Il cuore di questa applicazione \u00e8 la misura continua della geometria del cordone e, su questa base, l\u2019adattamento della frequenza e della larghezza di oscillazione trasversale e della potenza del laser. Un\u2019altra applicazione \u00e8 l\u2019utilizzo del WeldMaster per sigillare il modulo delle celle di batteria montato sotto l\u2019Audi E-tron, dove l\u2019oscillazione del fascio e il controllo della potenza permettono di ottenere cordoni di saldatura privi di cricche e pori. \u00c8 opportuno sottolineare che l\u2019assenza di filo d\u2019apporto provoca, oltre a una riduzione del 47% del calore apportato al pezzo, una significativa riduzione dei tempi di produzione con relativi costi e, grazie al controllo di processo in linea, un\u2019ottimizzazione del controllo di qualit\u00e0 di produzione.<\/p>\n\n\n\n Per ottenere una saldatura efficace e precisa sono numerosi i fattori che giocano un ruolo importante ma, tra i principali c\u2019\u00e8 il modo in cui il raggio laser raggiunge la zona da trattare. Una tecnologia innovativa per questo \u00e8 stata portata recentemente sul mercato dalla societ\u00e0 israeliana CIVAN. Come gi\u00e0 annunciato nell\u2019introduzione, la saldatura laser \u00e8 un chiaro precursore dell\u2019Industria 4.0 e la Commissione Europea ha mostrato grande interesse nel sostenere tali sviluppi. Per questo motivo, molte iniziative collettive a livello europeo guidano tale tecnologia sotto l\u2019ombrello della cosiddetta produzione avanzata. La pi\u00f9 recente di queste si chiama PULSATE, un progetto europeo recentemente approvato con il GA 951998 nell\u2019ambito di Horizon 2020, appena partito il 1 Settembre 2020. L\u2019obiettivo del progetto \u00e8 quello di collegare molti centri di innovazione digitale in Europa con competenze nelle tecnologie di produzione basate sul laser e di raggiungere e sostenere tutte le PMI che, vedendo il laser come una tecnologia abilitante chiave, vogliano inserirsi in un ambiente di digital-manufacturing e Industria 4.0 ma sono limitate nell\u2019implementazione a causa di capacit\u00e0 di prova insufficienti. Gi\u00e0 nel primo periodo del progetto verranno offerte, a carico della Comunit\u00e0 Europea, prove rapide e semplici di apparecchiature laser. Sono previsti due situazioni: Esperimenti di Trasferimento Tecnologico (TTE) e Casi Utente Adottatore (AUC). I primi sono finanziati con un importo forfettario fino a 150.000 \u20ac attraverso una procedura molto rapida, integrata dal supporto aggiuntivo dei principali centri di ricerca europei. I secondi sono veri e propri studi di fattibilit\u00e0 economica e tutoraggio, volti ad assicurare che l\u2019implementazione sar\u00e0 efficace nel suo specifico ambiente dell\u2019utente. Il primo bando per i TTE verr\u00e0 aperto nel periodo Febbraio-Aprile 2021, mentre il primo bando per gli AUC aprir\u00e0 nel primo quadrimestre 2022. Il progetto fornir\u00e0 in tutto 4 milioni di euro di sostegno finanziario diretto e 1 milione di euro di sostegno supplementare da parte delle strutture di ricerca e sperimentazione. Per ulteriori informazioni, visitate il sito www.pulsate.eu.![\"Figura](\"https:\/\/www.publiteconline.it\/applicazioni-laser\/wp-content\/uploads\/2020\/11\/epic04.jpg\" "\\"Figura")
L\u2019esperienza degli integratori operanti nella mobilit\u00e0 elettrica<\/h3>\n\n\n\n
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Nuove tecnologie emergenti e ruolo dell\u2019Europa per il futuro della saldatura laser<\/h3>\n\n\n\n
Essi propongono sorgenti laser singolo modo sia a 1064 nm che a 532 nm, con potenze di uscita, rispettivamente, da 10 kW a 30 kW e fino a 500 W. L\u2019elevata potenza viene ottenuta per entrambe le lunghezze d\u2019onda attraverso la combinazione coerente di diverse sorgenti singolo modo in un unico fascio il cui fuoco \u00e8 controllabile contemporaneamente nelle sue posizione assiale, dimensione e distribuzione spaziale.
Alla base di tutto ci\u00f2 c\u2019\u00e8 la tecnica chiamata optical phase array (analoga a quella ampiamente usata per le radiofrequenze) dove la combinazione in fase di diversi laser a elevata brillanza, controllati da opportuni modulatori presenti in ciascuna sorgente, generano, nel cosiddetto campo lontano, una specifica figura d\u2019interferenza per la quale si pu\u00f2 definire arbitrariamente forma e posizione dei massimi d\u2019intensit\u00e0. Il sistema \u00e8 pilotato da un software specifico in grado di implementare dinamicamente frequenze di oscillazione tra i kHz e i MHz e di variare in tempo reale la forma del fascio, le distanze focali o la dinamica, adattando la sorgente allo specifico processo di foratura, saldatura e taglio su diversi materiali (esempi in Figura 5). CIVAN sta lavorando alla realizzazione, quanto prima, di un sistema di controllo in tempo reale che possa integrarsi con l\u2019attuale per ottenere un controllo retroazionato in tempo reale.<\/p>\n\n\n\nConclusione<\/h3>\n\n\n\n
I progressi di questo progetto e, pi\u00f9 in generale delle tecnologie di saldatura laser, saranno oggetto dell\u2019annuale Executive Laser Meeting, organizzato da EPIC, il Consorzio Europeo dell\u2019Industria Fotonica. I principali rappresentanti delle aziende del settore laser si incontreranno a Torino il 20-21 Maggio 2021, presso la Convergent Photonics, con gli utilizzatori di laser, gli integratori di sistema e in generale con tutte le aziende della filiera per discutere le sfide attuali, gli interessi comuni e le collaborazioni future. <\/p>\n\n\n\n