Conoscere e compensare lo spostamento termico del fuoco per garantire tagli laser sempre più precisi

Angoli di taglio precisi, geometrie dei pezzi impegnative, minore fusione di materiale; il taglio al laser offre molti vantaggi che, con l’incremento costante delle potenze laser, è ora possibile sfruttare anche per nuove applicazioni. Il taglio con fusione risulta ancora più interessante per l’acciaio da costruzione, poiché i materiali più sottili si riescono a tagliare con una velocità ed un’efficienza chiaramente superiori. Ciò si rispecchia anche nel portfolio di Messer Cutting Systems che, in qualità di fornitore globale di prodotti e servizi per l’industria della lavorazione dei metalli, adotta sempre più
a potenti laser a fibra per i suoi impianti di taglio.

Case Study by Ophir Spiricon Europe GmbH – MKS Instruments

Per il team di sviluppo di Messer Cutting Systems è fondamentale conoscere esattamente il comportamento e i parametri del fascio laser. Allo scopo, l’azienda utilizza Ophir BeamWatch, un sistema di misura senza contatto, che non pone limiti alla potenza laser misurabile. Grazie a misurazioni in videorate è possibile rappresentare per la prima volta lo spostamento del fuoco con risoluzione temporale quasi in tempo reale. Proprio questa caratteristica ha suscitato l’interesse degli sviluppatori di Messer Cutting Systems: con “Focus Shift Compensation” hanno sviluppato un algoritmo che ha minimizzato lo spostamento termico del fuoco nel processo di attivazione e quindi ottimizza la qualità del taglio laser.

Messer Cutting Systems utilizza Ophir BeamWatch per la misurazione senza contatto del fascio laser.
Messer Cutting Systems utilizza Ophir BeamWatch per la misurazione senza contatto del fascio laser.

Competenza e tradizione

Messer Cutting Systems è un fornitore globale di prodotti e servizi per l’industria della lavorazione della lamiera. Nelle sue cinque sedi produttive principali l’azienda impiega più di 800 collaboratori. La gamma di prodotti comprende impianti di taglio autogeni, al plasma e laser, da macchine a funzionamento manuale a macchine speciali per l’architettura navale oltre a macchinari e impianti per la saldatura, l’ossitaglio, la tranciatura, la brasatura e trattamenti termici. Soluzioni software di sviluppate internamente ottimizzano i processi produttivi e aziendali. L’azienda specializzata nella costruzione meccanica è un precursore del settore, che si distingue per la continua innovazione. In questo senso, un contributo essenziale è quello fornito dal reparto di Ricerca&Sviluppo con sede a Rödermark, nell’Assia. Qui vengono curati progetti di sviluppo fondamentali in relazione a singoli gruppi costruttivi, software o sensori che sono rilevanti per tutte le sedi distribuite nel mondo. Le ottimizzazioni delle macchine su base personalizzata o in funzione delle esigenze del mercato vengono poi realizzate nelle diverse sedi.

Misurare è fondamentale per la ricerca

La metrologia riveste un ruolo decisivo proprio nello sviluppo di nuovi impianti di taglio. Non appena Thomas Dünzkofer, responsabile di progetto della sezione Sviluppo di Messer Cutting Systems, ha letto del processo di misura senza contatto per la determinazione dello spostamento termico del fuoco, si è dimostrato subito interessato: “Proprio la determinazione dello spostamento del fuoco era sempre stata molto dispendiosa e rischiosa nei laser di alta potenza. Allo stesso tempo, per noi erano fondamentali anche i risultati di misurazione. La prima dimostrazione del sistema Ophir BeamWatch è stata davvero una rivelazione. Oltretutto il momento era perfetto: da poco il team di ricerca aveva sviluppato un nuovo algoritmo software che consente di minimizzare lo spostamento del fuoco negli impianti di taglio al laser Messer. La base è costituita dai risultati di misurazione con risoluzione temporale per il relativo tipo di testa di taglio. Una misurazione semplice e rapida come quella consentita da Ophir BeamWatch era perfettamente in linea con le esigenze del team di sviluppatori”.

Misurazione senza contatto come punto di partenza

Il sistema BeamWatch si basa sulla radiazione di Rayleigh, che registra lo scattering delle onde elettromagnetiche sulle particelle il cui diametro è piccolo rispetto alla lunghezza d’onda. Il campo elettrico della radiazione laser induce un’oscillazione della molecola dipolo alla frequenza del laser, determinando uno scattering elastico della stessa frequenza. Il fascio laser raggiunge attraverso un’apertura l’interno del sistema BeamWatch e fuoriesce sull’altro lato senza venire in alcun modo influenzato. All’interno dello strumento di misura, la luce laser diffusa viene osservata lateralmente su una videocamera CCD o CMOS utilizzando una struttura a lenti telecentriche. Ogni singolo pixel di una riga della videocamera CCD rileva la luce diffusa come un punto di misura dell’intensità nel profilo del fascio. Per le tipiche videocamere CCD o CMOS con una risoluzione di 1090 x 2048, vengono misurati contemporaneamente 2048 singoli profili. Tramite queste misurazioni è possibile calcolare i parametri del fascio e di qualità del fascio secondo gli standard ISO-13694 e ISO-11146. Per la prima volta, la misurazione con velocità di un video rende visibile lo spostamento del fuoco che può presentarsi soprattutto dopo il processo di attivazione. Thomas Dünzkofer aggiunge: “Nel taglio con potenze laser elevate e brevi percorsi di avvicinamento del laser, lo spostamento del fuoco può assolutamente influenzare il processo di taglio”. Per questo motivo, il team di ricerca di Messer Cutting Systems ha sviluppato un componente software disponibile per gli impianti di taglio laser di Messer Cutting Systems. Gli utilizzatori degli impianti di taglio possono quindi beneficiare di questa innovazione senza dover sostenere costi supplementari.

In presenza di elevate potenze laser e percorsi di avvicinamento ridotti, lo spostamento termico del fuoco influenza la qualità del taglio laser. Per contrastarlo, Messer Cutting Systems ha sviluppato il “Focus Shift Compensation”, un algoritmo software che compensa lo spostamento.
In presenza di elevate potenze laser e percorsi di avvicinamento ridotti, lo spostamento termico del fuoco influenza la qualità del taglio laser. Per contrastarlo, Messer Cutting Systems ha sviluppato il “Focus Shift Compensation”, un algoritmo software che compensa lo spostamento.

Metrologia a prova di futuro

Thomas Dünzkofer è convinto che la metrologia per laser acquisirà crescente influenza proprio in relazione alle nuove teste di taglio. Sempre più spesso si utilizzano teste di taglio in cui la posizione del fuoco e il diametro del fuoco possono essere regolati in modo indipendente l’una dall’altro. La diversa distanza focale modifica la larghezza di taglio e la lunghezza di Rayleigh. Proprio per potenze molto elevate è importante quindi determinare lo spostamento termico del fuoco in funzione della distanza focale. Grazie al sistema BeamWatch, gli sviluppatori (R&D) o gli operatori (Service sul campo), sono in grado di misurarlo in modo semplice e rapido. Pertanto è possibile selezionare diverse teste di taglio in modo ottimale per la relativa applicazione. Thomas Dünzkofer non vede problemi nemmeno per un suo impiego in produzione o nella manutenzione. “Lo strumento di misura è leggero, compatto, si trasporta senza fatica ed è facile da utilizzare. Dato che il fascio passa attraverso lo strumento di misura senza alcun contatto, non si modifica né il fascio stesso né viene inficiata l’affidabilità dello strumento di misura. Inoltre, non vi sono limitazioni di potenza”. Complessivamente considera BeamWatch un’integrazione ideale degli strumenti di misura esistenti.

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