Quell’enorme opportunità chiamata laser

Barbara Previtali è professore ordinario di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione presso il Politecnico di Milano, oltre che responsabile e artefice dell’area di ricerca del SITEC – Laboratorio per le Applicazioni Laser e co-fondatore di AddMe.Lab, il laboratorio per le lavorazioni additive, entrambi del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano. I suoi principali interessi di ricerca riguardano le lavorazioni laser a 360°; non a caso, in Italia, Barbara Previtali è, a tutti gli effetti, “la signora del laser”. Nell’ultimo ventennio, infatti, il suo nome viene spesso affiancato alle principali iniziative convegnistiche sulle applicazioni industriali della tecnologia laser e ai più importanti e innovativi progetti di ricerca applicata all’uso di quella che, a mio avviso, è la tecnologia che più di ogni altra ha caratterizzato e cambiato il modo di produrre dell’industria manifatturiera del bel Paese.
Ed è da qui che siamo partiti con l’intervista che la professoressa Previtali ha concesso per celebrare i 250 numeri della nostra rivista DEFORMAZIONE.

di Fabrizio Garnero

Professoressa Previtali, la nostra rivista Deformazione è nata nel settembre del 1993; all’epoca si parlava già di tecnologia laser, ma era ancora una “soluzione in cerca di problemi”. Oggi invece è uno strumento di uso quotidiano. Possiamo dire che il laser ha, di fatto, caratterizzato l’evoluzione dell’industria manifatturiera e rivoluzionato totalmente il modo di lavorare delle aziende, soprattutto quelle dedite alla lavorazione lamiera?
Sicuramente si può affermare che la rilevanza e l’uso della tecnologia laser sono cresciuti esponenzialmente negli ultimi 25 anni. In realtà, il laser non è mai stato “una soluzione in cerca di problemi”, nemmeno per i fisici Schawlow e Townes, che così lo definirono nel 1959 e le cui ricerche portarono Maiman a costruire il primo dispositivo funzionante nel 1960. La tecnologia laser è sempre stata un’enorme opportunità per le peculiarità che possiede il fascio di luce e che le hanno permesso di affermarsi in vari campi a secondo della sua applicazione. Già nel 1964 il regista del film Goldfinger pose inconsapevolmente in evidenza l’uso del fascio laser per tagliare una lamiera (e non solo), anche se per esigenze artistiche si prese diverse licenze poetiche.

Se è vero che il laser ha rivoluzionato il nostro modo di produrre, possiamo dire che è altrettanto vero che il laser in fibra ha, a sua volta, rivoluzionato la tecnologia laser?
Anche in questo caso è utile prestare attenzione alle date. Il laser in fibra ha una storia di evoluzione tecnologica altrettanto lunga quanto quella delle sorgenti allo stato solido e a gas, visto che nacque nel 1963 grazie al lavoro del fisico Snitzer. Tuttavia, il salto tecnologico da amplificatore nelle trasmissioni delle telecomunicazioni a utensile per lavorazioni meccaniche è avvenuto più tardi, verso la fine degli anni novanta. Non è una coincidenza che proprio nel 1990 l’allora professor Valentin P. Gapontsev lasciò la Russian Academy of Science per fondare una compagnia privata, ovvero IPG, oggi leader mondiale nella produzione di sorgenti laser in fibra. Forse quello che non ricordiamo più è che uno dei primi contratti importanti per la neonata IPG fu commissionato proprio dall’italiana Italtel. In qualche modo, indirettamente, l’Italia è presente sin dagli inizi di questa lunga e continua rivoluzione, ma che forse dovremmo semplicemente definire lunga e continua innovazione.

In passato il dibattito tecnico/scientifico si è vivacemente confrontato sul “dualismo” tra laser CO2 e laser in fibra, soprattutto pensando al taglio lamiera. Oggi è piuttosto evidente quale tecnologia abbia prevalso; cosa si sente di dire in merito a ciò? Il laser in fibra ha realmente vinto la “battaglia”?
A proposito del dualismo CO2/fibra, oggi la bagarre giornalistica è meno rovente. La contrapposizione CO2/fibra difatti appartiene al recente passato e va trattata con rispetto per l’evoluzione tecnologica che ha rappresentato e la storia delle persone che vi hanno contribuito. Oggi, avendo ben note le caratteristiche delle sorgenti a CO2 e in fibra, è evidente che la risposta a questa domanda si trova in una chiara definizione dei requisiti dell’applicazione di interesse, non solo tecnici ma anche economici con un’ampia visione che includa tutta la supply chain e vita del prodotto. Quello che è più difficile valutare è l’evoluzione economica e di mercato delle due tipologie di sorgente a livello mondiale, anche se due macro-tendenze sono evidenti a tutti: il numero dei produttori di CO2 si contrae e consolida, con un costo delle sorgenti che rimane fermo e un mercato di applicazioni che non diminuisce ma si fa sempre più specifico; il numero, la provenienza e la maturità delle sorgenti laser in fibra aumenta, con i costi in stabile decrescita in un contesto di mercato che si fa sempre più globale e ha fame di nuove applicazioni e settori industriali.

Pensando al laser ormai come una commodity ampiamente diffusa e applicata in molti ambiti industriali, quali sono, a suo giudizio, le applicazioni più innovative?
Da noi arrivano due categorie di domande di innovazione.
Una riguarda l’innovazione “di ritorno” e/o incrementale, ovvero risposte nuove a domande mature. A queste sicuramente appartiene la saldatura laser. Quando si parla di saldatura laser difatti è d’obbligo dichiarare insieme settore e applicazione, perché altrimenti si rischia di fermarsi a un’affermazione generica e di dire nulla. È comunque vero per il campo della saldatura che la tecnologia laser si sta esprimendo in tutte le sue potenzialità, come è stato possibile vedere durante la recentissima fiera Laser World of Photonics: 1) potenze sempre maggiori per saldature autogene di elevatissimi spessori, 2) teste in grado di oscillare trasversalmente il fascio a elevata frequenza per ottenere spot apparenti larghi mantenendo sempre il key-hole per leghe alto-riflettenti o per gap che necessitano di filo, 3) sorgenti con modo e distribuzione variabile adattativa (beam shaping spaziale) e di diversi colori (o meglio lunghezze d’onda), quali verde e blu, studiate ad hoc per lavorare rame puro e le sue leghe. Ed anche beam shaping temporale, ovvero sorgenti pulsate con un ampio range di durate, frequenze e forma dell’impulso nonché potenze di picco elevate. I settori? Alcuni evidenti e sotto gli occhi di tutti: e-mobility, energia e oil & gas, automotive. Ma sarà bravo chi interpreterà l’applicazione di saldatura come soluzioni one-of-a-kind sapendosi muovere nell’ipertrofia dell’offerta tecnologica descritta poco sopra, con sistemi flessibili e adattativi.
Un altro settore di ritorno è quello della lavorazione, pulizia, rimozione e funzionalizzazione delle superfici dove è possibile trovare le due portanti: 1) normative ambientali e di salute; 2) sorgenti modulabili nel tempo, a elevata potenza anche su spot grandi e con le frequenze necessarie a garantire produttività dignitose (se confrontate con i metodi massivi più tradizionali), che spingono verso soluzioni integrate. La risposta dei sistemisti non è ancora matura. Un limite importante oggi è costituito dagli scanner e più in generale dalla capacità di movimentare il fascio a elevata velocità sulla superficie coordinandola con i movimenti di traslazione e avanzamento della parte, così da coprire grandi aree di lavorazione. I limiti legati a teste di scansione e controlli/automazione unitamente allo sviluppo del software sono i vincoli che vedremo presto superati, grazie alla spinta delle due portanti che dicevo: normativa e nuove sorgenti.
L’altra domanda d’innovazione maggiormente disruptive e inevitabilmente più esplorativa riguarda i processi additivi. Vi sono difatti processi e applicazioni, quali Selective Laser Melting e Laser Metal Deposition, che possiedono la maturità per essere usati in settori avanzati, quali aerospace, biomedicale, meccanica e tooling, per la realizzazione di componenti funzionalizzati (si veda per esempio il raccordo idraulico in figura) o la riparazione di prodotti a elevato valore aggiunto (come la paletta di grandi dimensioni per produzione di energia pubblicata in queste pagine).
Tuttavia, accanto a queste domande che possono essere ritenute applicazioni consolidate dei processi additivi laser-based molti interrogativi rimangono aperti così come le sue applicazioni, dove vari settori e materiali rimangono potenzialmente inesplorati. Con uno spirito provocatore, si pensi per esempio a quanto avanti ci si può spingere nell’estrema personalizzazione per il settore biomedicale, sfruttando sorgenti pulsate con i materiali standard di questo settore (stent in biforcazione in lega CoCr), oppure a nuove applicazioni abilitate dallo sviluppo tecnologico per la lavorazione di materiali difficili da processare (come la stampa SLM di rame puro per la realizzazione del gadget, oppure alle potenzialità nella realizzazione di componenti dalle grandi dimensioni, multi-materiale e dalla geometrie free-form a crescita non 2.5D consentite dal processo LMD interpretato per la stampa di oggetti complessi (si veda il raccordo dello scarico di motocicletta).

Il Politecnico di Milano, con i suoi laboratori SITEC-Laboratorio per le Applicazioni Laser e AddMe.Lab, rappresenta un’eccellenza nel panorama accademico italiano. Può parlarci di questo modello “Polimi”? Quali sono i servizi che offrite?
Parlare di servizi offerti è un po’ improprio, perché noi siamo innanzitutto una istituzione che si occupa di didattica/istruzione e di ricerca. Da questo punto di vista il nostro primo servizio è la formazione e il nostro principale risultato sono gli studenti, che si laureano nei 3 livelli Bachelor, Master e Dottorato. Nei diversi corsi magistrali di Ingegneria e Design vengono formate figure professionali che hanno studiato le lavorazioni laser e additive, di cui alcuni usufruiscono anche dell’esperienza diretta nei nostri laboratori. Tipicamente, da quest’ultimo gruppo provengono i futuri dottorandi di ricerca o assegnisti di ricerca, che rimangono qualche anno dopo la laurea, per approfondire e studiare tematiche di nuove lavorazioni laser (i primi) o maggiormente applicative (i secondi). Loro sono il vero motore del SITEC e, una volta introdotti nel mondo lavorativo (che spesso significa nelle principali aziende costruttrici, distributrici o utilizzatrici di sistemi laser), rafforzano la rete di relazioni e contatti, che ci alimenta.
Il secondo motore del SITEC difatti è rappresentato dalle aziende e dalla loro continua domanda di ricerca nel settore delle applicazioni laser. Oggi il SITEC è la realtà che è grazie a contratti e accordi di lungo periodo che vedono coinvolte le principali aziende del settore, che ci consentono di operare con i più innovativi sistemi laser alla frontiera dello stato dell’arte dandoci dunque modo di affrontare le domande di ricerca più intriganti.

In chiusura, può parlarci della Scuola Sicurezza Laser e di ciò che può rappresentare per le aziende?
La Scuola di Sicurezza Laser (SSL) è una iniziativa voluta fortemente dal Politecnico di Milano e dall’Università di Pavia e nata all’interno dell’AITeM, grazie al supporto di 11 soci sostenitori: Amada, BLM Group, Coherent-Rofin, Elettrosystem, IPG, Laser Optronic, Optoprim, PrimaPower, TTM Laser e Univet. La SSL vuole essere una comunità nazionale, che riunisce sia accademici che industriali con i diversi ruoli che li caratterizzano (ricercatori, produttori, integratori, utilizzatori) con l’obiettivo di promuovere un’elevata cultura attorno al tema della sicurezza laser, particolarmente in ambito industriale. Inizialmente si è occupata di sostenere la crescita continua e sicura dei laser, sistemi e applicazioni laser in ambito industriale attraverso corsi di formazione e iniziative di divulgazione e/o di aggiornamento, che vengono erogati con regolarità.
Grazie alla disponibilità del laboratorio SITEC i corsi della SSL hanno anche una parte di laboratorio pratica, che affronta problematiche di dimensionamento con esercitazioni a bordo macchina.
A breve inoltre abbiamo in previsione di dare il via a iniziative di attività di ricerca tecnico-scientifica e servizi di interesse in ambito sicurezza laser, anche grazie alla promozione di una borsa di studio e di ricerca scientifica su queste tematiche nonché a collaborazioni con enti normatori nazionali e organizzazioni internazionali.