Sistemi di diagnostica laser per l’Additive Manufacturing

Sebbene l’elevata flessibilità e le prestazioni dei sistemi laser utilizzati consentano di produrre parti molto complesse, le macchine per la produzione additiva introducono forti limitazioni per le operazioni di diagnostica laser. La mancanza di spazio, l’elevato calore generato e i diversi angoli di incidenza, infatti, rendono difficile l’impiego degli attuali strumenti per la diagnosi completa del fascio laser nell’Additive Manufacturing. PRIMES ha sviluppato una serie di soluzioni affidabili che sopperiscono a queste problematiche.

di Fabrizio Cavaliere

Uno dei mercati più in forte crescita nell’ambito della lavorazione laser è attualmente il settore dell’Additive Manufacturing e, in particolare, la stampa 3D mediante tecnica di Selective Laser Melting (SLM). Nella produzione additiva con SLM, la stampa di componenti 3D è ottenuta tramite fusione laser di molti strati di polvere metallica che vengono continuamente depositati sull’area di lavoro.
Nata come tecnologia per la creazione rapida di prototipi, la produzione additiva (o la stampa 3D) è da tempo utilizzata con successo nell’ingegneria meccanica e quindi nella produzione di componenti in serie grazie a materiali sempre più efficienti e a una fabbricazione virtualmente “tool-less”. Tale tecnica a non contatto offre maggiore flessibilità in merito a progettazione, costruzione e funzionalità dei componenti.
Tuttavia, con la crescente complessità degli assemblaggi da fabbricare e delle macchine di produzione, aumentano anche le esigenze sulla precisione del processo. L’impiego di metodi di misura ad alta precisione per la garanzia della qualità e della loro conformità alle linee guida ISO stanno assumendo sempre più importanza.
Sebbene l’elevata flessibilità e le prestazioni dei sistemi laser utilizzati consentano di produrre parti molto complesse, le macchine per la produzione additiva introducono forti limitazioni per le operazioni di diagnostica laser.
La mancanza di spazio, l’elevato calore generato e i diversi angoli di incidenza, infatti, rendono difficile l’impiego degli attuali strumenti per la diagnosi completa del fascio laser nell’Additive Manufacturing.

Misura di potenza laser in applicazioni di produzione additiva
Il nuovo Cube M di PRIMES, rappresentata da LOT-QuantumDesign, è progettato per misure di potenza single shot di laser a stato solido caratterizzati da alta densità di potenza.
Questo dispositivo permette di monitorare la potenza di laser di elevata qualità anche in ambienti ristretti, come le camere dei sistemi per la micro-lavorazione dei materiali, di solito non accessibili a power meter standard che richiedono un raffreddamento ad acqua. In alcuni casi, inoltre, l’intensità della radiazione laser è troppo elevata per l’impiego di power meter convenzionali e tale da danneggiare il rivestimento dell’assorbitore.
Per tali applicazioni, PRIMES ha sviluppato il nuovo Cube M, in grado di eseguire misure di potenza laser con densità fino a 250 kW/cm² a 2 kW.
Alla base delle elevate prestazioni del Cube M c’è un array di micro-ottiche, progettato e sviluppato in PRIMES e posizionato in ingresso allo strumento, che permette l’esecuzione di misure di potenza del fascio laser focalizzato. L’incidenza del fascio, inoltre, non deve essere necessariamente verticale; con il Cube M, infatti, è possibile eseguire misure di potenza ad angoli di incidenza del fascio fino a ± 20°.
Tali caratteristiche rendono il Cube M lo strumento ideale per la misura di potenza laser in applicazioni di micro-lavorazione e di produzione additiva.
Il Cube M è dotato di una memoria interna per il salvataggio automatico dei dati relativi alle ultime 63 misure eseguite e alla quale si ha accesso con collegamento Bluetooth, tramite la PRIMES Cube APP, oppure facendo uso del software standard PRIMES LDS con connessione diretta dello strumento al PC attraverso la porta micro-USB. È possibile, inoltre, visualizzare i dati delle ultime 14 misure eseguite direttamente sul display integrato al dispositivo.

Controllo dei parametri del fascio laser di sistemi per la micro-lavorazione
Le macchine di micro-lavorazione sono tipicamente molto compatte e la camera di lavoro non prevede molto spazio al suo interno per l’installazione di un sistema di diagnostica laser. Per questo motivo PRIMES ha sviluppato un sistema, il MicroSpotMonitor-Compact (MSMc) dotato di camera CCD per l’analisi del piano focale e di circuito di raffreddamento ad acqua integrato, caratterizzato da ridottissimi ingombri e appositamente progettato per l’installazione all’interno di macchine con limitato spazio utile. Il MSMc è particolarmente compatto e integra tutti i suoi componenti, elettronica, assorbitore, attenuatore e camera CCD, all’interno di un unico housing con dimensioni di circa 230 × 120 × 60 mm (LxLxA) e che può essere adattato alle esigenze del particolare impianto.
Il MicroSpotMonitor-Compact è pensato per il controllo dei parametri del fascio laser di sistemi per la micro-lavorazione come quelli di foratura per la generazione dei canali di raffreddamento nelle palette di turbina, quelli di sinterizzazione laser, di separazione dei wafer, di saldatura a punti nella tecnologia medicale e di molti altri processi produttivi innovativi.
Il sistema è pensato per l’analisi di laser NIR con diametro del fascio da 20 a 600 µm in funzione della configurazione ottica ed esegue la misura della distribuzione della densità di potenza e della geometria del fascio focalizzato direttamente sul piano di lavorazione alla potenza nominale.
Attraverso il controllo dell’asse Z della macchina SLM, inoltre, il MSMc permette di ricostruire l’intera caustica 3D per l’analisi di tutti i più importanti parametri di caratterizzazione del fascio laser in conformità agli standard attuali.
Nella configurazione standard il MSMc prevede collegamento diretto al PC tramite interfaccia di tipo Ethernet. In questo caso, il controllo del sistema e l’esecuzione di misure manuali o semi-automatiche è possibile tramite il Laser Diagnostics Software di PRIMES. Opzionalmente, l’interfaccia PROFIBUS permette l’integrazione in macchina del MSMc e la possibilità di eseguire misure completamente automatiche con trasferimento dei dati direttamente al sistema di controllo per ulteriore elaborazione.

Sistema di diagnostica a scansione
Il FocusMonitor FMW+ è un sistema di diagnostica a scansione pensato per l’analisi del fascio di sorgenti laser CW a bassa e alta potenza in applicazioni laser come la lavorazione dei materiali (taglio lamiera e tubo, saldatura, …), il trattamento delle superfici (marcatura e altri) e l’Additive Manufacturing.
Il FocusMonitor FMW+ misura le proprietà del fascio laser focalizzato.
Misurando la distribuzione della densità di potenza nello spazio, il FMW+ determina, oltre alle dimensioni geometriche del fascio, anche la posizione del fuoco, il Beam Parameter Product (BPP) e il fattore di qualità M2.
Alla base del funzionamento del FMW+, e della determinazione della distribuzione della densità di potenza, è l’impiego di una punta rotante che scansiona a velocità molto elevate la sezione trasversale del fascio laser attraverso la sua movimentazione lineare lungo uno degli assi del piano.
A differenza della versione standard FM+ del FocusMonitor, ormai divenuto il sistema di riferimento per la diagnostica laser e che integra un asse Z motorizzato per la scansione automatica della caustica, il nuovo modello FMW+ è un sistema particolarmente compatto da poter essere utilizzato in spazi ristretti che non prevede la motorizzazione lungo Z, asse di propagazione del fascio, e la caustica viene generata attraverso la misura successiva di piani del fascio a diversa altezza secondo la posizione corrente della base di lavoro della macchina SLM o della focusing lens.
La posizione Z può essere inserita manualmente prima della misura di ciascun piano del fascio oppure impostata attraverso un incremento costante in Z.
Inoltre, il FMW+ integra all’interno del suo housing un absorber, non previsto nella versione FM+, in grado di assorbire una potenza fino a 1 kW per 90 secondi (90 KJ).
Il sistema FMW+ può misurare fasci laser focalizzati, sia di sorgenti laser NIR che CO2 con opportuna selezione del detector e della tip, con un diametro compreso tra 0,1 mm e 3,0 mm.
La massima ampiezza del campo di misura è di 8 mm x 8 mm scansionabile con una risoluzione fino a 1024 x 1024 pixel. Il collegamento diretto al PC è garantito tramite la comoda interfaccia Ethernet.