Cosa possono fare i Laser con le Fibre Composite? Taglio, Marcatura e Foratura

I compositi sono materiali creati in laboratorio per ottenere un prodotto con proprietà superiori. La maggior parte di queste denominate “fibre composite” può essere lavorata con il laser per effettuare operazioni come taglio, marcatura e foratura.

Cosa sono le Fibre Composite

I materiali compositi si formano combinando due o più materiali con proprietà differenti per creare un nuovo materiale che avrà proprietà superiori rispetto a quelle dei suoi singoli componenti.

Generalmente ad un materiale matrice si somma una fibra. Un esempio in questo senso è il composito di fibra di carbonio e resina epossidica nel quale il primo viene incorporato nel secondo.

La fibra di carbonio è resistente ma non abbastanza rigida mentre alla resina epossidica manca resistenza, ma la somma di questi due elementi produce un materiale composito che risulta essere allo stesso tempo leggero e robusto.

Altro esempio in questo senso è una fibra composita che possa avere la proprietà unica di essere molto rigida in una direzione ed estremamente flessibile in un'altra direzione.

I principali tipi di materiali compositi che possono essere lavorati con il laser includono compositi:

• polimerici rinforzati con fibre (FRP),
• a matrice metallica (MMC),
• a matrice ceramica (CMC).

Anche all'interno di una stessa classe di compositi, le caratteristiche possono variare notevolmente. I progettisti possono variare la quantità, la forma, le dimensioni e l'orientamento dei secondi materiali.

I laser permettono di lavorare questi compositi e, tra le altre cose, offrono un’ottima opzione rispetto a come tagliare la fibra di carbonio o tagliare la fibra di vetro.

Lavorazione Laser di Fibre Composite

Per via del loro design, la struttura della maggior parte dei compositi è meno uniforme rispetto a elementi come plastica, metalli, leghe metalliche e ceramica.

Questa struttura disomogenea rende i compositi più soggetti a danni durante la lavorazione rispetto ai materiali omogenei.

Delaminazione, estrazione di fibre, scheggiatura della matrice, danni da calore e usura degli utensili rappresentano generalmente le principali preoccupazioni nella lavorazione di compositi con processi di lavorazione convenzionali.

Queste difficoltà hanno indotto i produttori a cercare modi per lavorare i compositi in modo economico senza danneggiarli durante il processo, ed ecco che il laser si è dimostrato la soluzione ideale.

Il Laser come soluzione

Oggigiorno per il taglio, la perforazione e la marcatura laser dei compositi vengono utilizzate varie sorgenti laser, tra cui Laser a Fibra, CO2 e Laser a impulsi ultraveloci.

Ogni materiale ha caratteristiche uniche che condizionano il modo in cui il raggio laser interagisce con esso e di conseguenza il risultato finale.

Nel caso dei compositi le tre principali lavorazioni laser che si possono effettuare sono le seguenti:

• Taglio laser di compositi. Il taglio della fibra di carbonio o di altri materiali compositi può essere effettuato settando il macchinario sulla lunghezza d’onda appropriata. Con una potenza sufficiente il laser non solo scalderà il materiale fino a vaporizzarlo, ma permetterà di effettuare un taglio netto e preciso, lasciando dietro di sé un bordo liscio e pulito. Per i compositi organici può essere utilizzato un laser CO2 con lunghezza d'onda da 10,6 micron mentre per i compositi metallici il taglio laser può essere effettuato con un laser fibra con lunghezza d'onda da 1 micron.
• Incisione e marcatura laser di compositi. Il laser CO2 può essere impiegato per rimuovere con successo una porzione superficiale dei materiali compositi creando così un’incisione visibile che permette di disegnare motivi e immagini sul materiale o di incidervi delle informazioni.
• Foratura laser. Per realizzare operazioni come foratura, taglio ed incisione, la potenza del laser può essere compresa tra 25 e 1500 watt nel caso di compositi a matrice organica come i laminati e tra 40 e 50 watt nel caso di compositi a matrice metallica. Nel primo caso si prediligono i laser CO2 mentre nel secondo la scelta ricadrà sui laser fibra.

Per approfondimenti leggere: Dal Laser C02 al Laser Fibra, scopriamo i tipi di Laser più diffusi

Vantaggi della Lavorazione Laser di Materiali Compositi

• Precisione del taglio. Un esempio è il taglio laser della fibra di carbonio che risulta essere estremamente preciso e minimizza il danneggiamento dei bordi dell’elemento rispetto a quanto avviene con il taglio meccanico tradizionale. Inoltre non vengono richieste lavorazioni successive una volta completato il taglio laser.
• Nessuna usura degli utensili. I processi di lavorazione tradizionali dei compositi generano un'elevata usura degli utensili e questi hanno un costo molto elevato. Un processo di rimozione del materiale senza contatto come la marcatura laser costituisce un'alternativa interessante ed economica per alcune applicazioni come taglio ed incisione.
• Il materiale non viene danneggiato. La lavorazione avviene senza alcun contatto tra il laser ed il materiale ed in questo modo si evita qualsiasi rischio di danno.
• Massima flessibilità. Il laser può essere impostato per realizzare diverse operazioni, come taglio, marcatura e foratura laser di precisione. Ciò dimostra l’estrema flessibilità di questa tecnologia che può essere applicata su una gran varietà di fibre composite.

Campi di applicazione

I laser sono una tecnologia più che promettente per la produzione e lavorazione di compositi nell'industria aerospaziale, mentre l'uso diffuso di compositi polimerici avanzati proprio in questa industria sta portando al loro maggiore utilizzo anche in altri settori, in particolare nell'industria automobilistica, dove la riduzione del peso ha un’importanza crescente.

I compositi sono per natura disomogenei, pertanto, le loro proprietà fisiche cambiano in modo significativo su aree molto piccole. Nel caso del polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP), il materiale composito più utilizzato, le proprietà fisiche della fibra e della matrice sono enormemente diverse, poiché le fibre di carbonio assorbono tutte le lunghezze d'onda della luce in modo molto efficiente e conducono il calore molto rapidamente, mentre la matrice epossidica assorbe e conduce molto meno bene.

La pressione dell’industria aerospaziale e dei trasporti sta spostando l'industria dei compositi verso la produzione di compositi termoplastici e le prospettive in questo campo per i laser sono ancora più rosee, dato che sono già in uso per il consolidamento dei materiali.