Laser MOPA a fibra per la marcatura delle materie plastiche: non tutti i laser sono uguali!

Laser MOPA a fibra per la marcatura delle materie plastiche: non tutti i laser sono uguali!

Questo è il primo di una serie in due parti sui più significativi sviluppi tecnologici nella marcatura laser industriale delle materie plastiche. Esamineremo l'architettura dei laser a fibra all'itterbio, il loro funzionamento e i principali fattori di prestazione che determinano la qualità della marcatura. La Parte 2 analizza le nuove soluzioni che impiegano laser di marcatura MOPA, polimeri e additivi conformi FDA per ottenere un contrasto di marcatura superiore, colori personalizzati e alta velocità, anche nella marcatura laser in linea.

Punti chiave

• Il MOPA rende indipendenti i parametri del laser. I progetti Q-switched li vincolano tra loro, limitando l'ottimizzazione del processo.
• La costanza della qualità del fascio conta più del valore di M2 in sé. Applicazioni diverse richiedono modi del fascio diversi; è l'incostanza a rovinare le marcature.
• Una deriva di M2 da 1,1 a 1,5 raddoppia la densità di potenza focalizzata, modificando in modo drastico la qualità della marcatura sulle materie plastiche.
• L'irradianza è l'intensità, la fluenza è la dose. Se è troppo bassa non si marca nulla; se è troppo alta il materiale si danneggia.
• Potenza e frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali. Un'elevata potenza di picco a bassa frequenza vaporizza il materiale con una conduzione di calore minima.

Domande frequenti

Che cosa significa MOPA e come funziona?

Master Oscillator Power Amplifier (oscillatore master con amplificatore di potenza). Amplifica un diodo laser modulato di bassa potenza, di qualità per telecomunicazioni, per produrre impulsi precisi ad alta potenza. Poiché un generatore di impulsi interno modula il diodo, la durata dell'impulso e la conseguente energia dell'impulso possono essere impostate, mantenute o regolate in un'ampia gamma di frequenze di modulazione.

Perché un laser MOPA è migliore di un laser a fibra Q-switched per le materie plastiche?

Rende indipendenti i parametri del laser. In un laser a fibra Q-switched i parametri chiave sono strettamente accoppiati: aumentando la frequenza di ripetizione degli impulsi la potenza media dovrebbe crescere, ma la potenza dell'impulso diminuisce, e la qualità del fascio può variare notevolmente a ogni cambiamento di potenza o di frequenza di ripetizione. Il MOPA offre una maggiore ottimizzazione del processo e una migliore ripetibilità.

Che cos'è M2 e perché la costanza conta più del valore?

M2 quantifica quanto bene un fascio può essere focalizzato, dove M2 = 1 corrisponde al fascio gaussiano ideale. Applicazioni diverse richiedono modi del fascio diversi, quindi un M2 costante conta più di un M2 basso. Far variare M2 tra 1,1 e 1,5 produce una variazione di 2 volte della densità di potenza focalizzata, che modifica in modo drastico la qualità della marcatura.

Qual è la differenza tra irradianza e fluenza laser?

L'irradianza è la potenza per unità di superficie in W/cm², in sostanza l'intensità del fascio, ed è funzione della dimensione dello spot focalizzato. La fluenza è l'energia per unità di superficie in J/cm² e determina quanta energia viene trasferita alla superficie. Con una fluenza troppo bassa il materiale non subisce effetti; con una troppo alta viene danneggiato oltre la marcatura prevista.

I laser a fibra economici sono un falso risparmio per la marcatura delle materie plastiche?

Per la produzione, sì. I laser industriali funzionano in continuo e utilizzano ottiche, lenti, teste di scansione, elettronica e software di alta qualità; alcuni dei principali produttori offrono il monitoraggio remoto in tempo reale. I laser economici di tipo amatoriale soffrono di una qualità di marcatura incostante, perché ottiche ed elettronica di basso costo causano variazioni della qualità del fascio.

L'ascesa dei laser di marcatura a fibra MOPA

I laser a fibra all'itterbio Q-switched a nanosecondi sono utilizzati per la marcatura delle materie plastiche da oltre 30 anni, cioè da quando sono stati inventati. Tra i vantaggi offerti da questi laser vi sono la trasmissione in fibra, l'ingombro ridotto, la minore manutenzione e il prezzo più basso. I laser a fibra possono avere una qualità del fascio e una luminosità superiori a quelle dei loro predecessori, i laser Nd:YAG a lampada ad arco, quando i produttori utilizzano un'uscita «multimodale» anziché il modo «di ordine basso» o modo elettromagnetico trasverso «TEM00».

I laser di marcatura a fibra hanno tipicamente un'energia di impulso di 1 mJ per singolo impulso. Il basso costo e la comoda trasmissione in fibra li hanno resi rapidamente interessanti per le applicazioni di marcatura laser. Il progetto di base del laser a fibra Q-switched non è cambiato molto nel tempo e questi laser sono ancora diffusi in molte applicazioni di marcatura delle materie plastiche. I progetti sono stabili, ma l'interdipendenza dei parametri del laser impone limiti all'ottimizzazione del processo. Quasi 25 anni fa, gli scienziati di SPI Lasers (oggi TRUMPF Lasers) lavoravano rapidamente alla successiva generazione di laser di marcatura a fibra.

La comparsa dei laser a fibra all'itterbio a nanosecondi di progettazione MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) è uno dei progressi più significativi nella marcatura laser delle materie plastiche. Un progetto che ha cambiato il settore fornisce ora l'energia pulsata in modo diverso rispetto alle tradizionali cavità a specchi/Q-switch. Il progetto utilizza le «forme d'onda» come strumento laser per un'elaborazione rapida e un controllo fine degli impulsi. Il Grafico 1 mostra i 40 diversi impulsi con forma d'onda, indicati con colori diversi, dei laser a fibra MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Ogni colore del grafico indica una specifica forma d'onda dell'impulso MOPA, che può essere utilizzata per bilanciare fluenza e irradianza e ottimizzare i risultati della marcatura delle materie plastiche. Come per molte tecnologie concorrenti, spesso si crea confusione e si verificano rappresentazioni involontariamente errate di terminologie e fattori distintivi importanti. Questo articolo illustra la scienza e la terminologia dei laser a fibra affinché i lettori e gli acquirenti di laser possano prendere decisioni informate.

Un laser a fibra MOPA (Diagramma 1) amplifica un diodo laser modulato di bassa potenza, di qualità per telecomunicazioni, per produrre impulsi laser precisi ad alta potenza. Grazie a un generatore di impulsi interno che modula il diodo di bassa potenza, il laser può impostare, mantenere o regolare in modo selettivo la durata dell'impulso e la conseguente energia dell'impulso in un'ampia gamma di frequenze di modulazione degli impulsi.

Questa architettura rende di fatto indipendenti i parametri del laser rispetto ai sistemi Q-switched e offre una maggiore ottimizzazione del processo e una migliore ripetibilità, per risultati di marcatura migliori e più costanti. I progetti standard di laser a fibra MOPA possono presentare problemi di variazione della qualità del fascio (M2) simili a quelli dei laser a fibra Q-switched. TRUMPF, un importante produttore di laser a fibra, offre un progetto brevettato di amplificatore a fibra GTWave a doppio stadio che mantiene un M2 costante nell'intervallo di frequenza di ripetizione degli impulsi specificato. A differenza dei laser a fibra MOPA, un laser a fibra a Q-switch attivo funziona interrompendo il guadagno nella cavità laser, consentendo così l'accumulo di guadagno nell'amplificatore e l'emissione di impulsi laser ad alta potenza quando l'interruzione viene rimossa. I parametri chiave dei laser a fibra Q-switched sono strettamente accoppiati.

La corrente del diodo può essere aumentata o diminuita per modificare la potenza di uscita. Aumentare la frequenza di ripetizione degli impulsi dovrebbe aumentare la potenza media; nei laser a fibra Q-switched, tuttavia, non è così, perché la potenza dell'impulso diminuisce. Il Grafico 2 mostra potenza e frequenze di ripetizione in funzione del tempo. L'M2 (qualità del fascio) dei laser a fibra Q-switched può variare notevolmente a ogni cambiamento della potenza laser e della frequenza di ripetizione degli impulsi. Far variare M2 tra 1,1 e 1,5 comporta una variazione di 2 volte della densità di potenza focalizzata, che può modificare in modo drastico la qualità della marcatura sulle materie plastiche.

Fattori che influenzano la qualità della marcatura laser

I laser a fibra all'itterbio operano nello spettro del vicino infrarosso (NIR) con una lunghezza d'onda di 1060-1070 nm. La funzione di un laser di marcatura è irradiare la superficie del pezzo (polimero) con una sorgente di radiazione localizzata ad alta energia (il laser). L'energia radiante viene quindi assorbita dal materiale e convertita in energia termica, che induce nel materiale reazioni «termochimiche». I marcatori laser a scansione del fascio utilizzano specchi montati su galvanometri ad alta velocità controllati da computer per dirigere il fascio laser sulla superficie da marcare. Ciascun galvanometro, uno sull'asse Y e uno sull'asse X, fornisce il movimento del fascio nel campo di marcatura. Il gruppo di lenti a campo piano focalizza la luce laser per ottenere un'elevata densità di potenza sulla superficie del substrato.

Qualità del fascio

Il fattore di qualità del fascio M2 quantifica la capacità di focalizzazione di un fascio ed è determinante per le prestazioni di marcatura. Il fattore M2 di un fascio laser limita il grado di focalizzazione ottenibile per una data divergenza del fascio, a sua volta limitata dall'apertura della lente di focalizzazione. M2 = 1 corrisponde al fascio laser gaussiano ideale. Insieme alla potenza ottica, il fattore di qualità del fascio determina la luminosità («radianza») del fascio laser. Un fattore M2 costante è più importante del valore in sé, poiché le diverse applicazioni richiedono modi del fascio diversi. La mancanza di costanza è un problema comune nei laser di prestazioni inferiori e determina variazioni nella marcatura, nel suo aspetto e nella sua funzionalità.

Irradianza e fluenza laser

Irradianza e fluenza laser sono parametri chiave nella marcatura delle materie plastiche. Di seguito una breve descrizione di come influiscono sul processo di marcatura:

Irradianza laser: l'irradianza è la potenza del laser per unità di superficie, misurata in watt per centimetro quadrato (W/cm2). È essenzialmente l'intensità del fascio laser, che è funzione della dimensione dello spot focalizzato. La dimensione dello spot laser focalizzato, per una data lunghezza focale della lente e una data lunghezza d'onda del laser, è funzione della divergenza del fascio laser. Uno spot più grande produce una minore densità di energia. Un'elevata irradianza può causare un rapido riscaldamento e la vaporizzazione del materiale, mentre una bassa irradianza potrebbe non creare alcuna marcatura visibile. L'irradianza influisce sulla velocità e sulla qualità del processo di marcatura. Un'elevata irradianza può portare a una marcatura più rapida, perché il materiale viene riscaldato e vaporizzato rapidamente. Tuttavia, se l'irradianza è troppo alta, può danneggiare il materiale, ad esempio con crepe o bruciature eccessive. Al contrario, una bassa irradianza può comportare una bassa velocità di marcatura o l'assenza di una marcatura visibile.

L'intensità è influenzata da:

• Frequenza degli impulsi (Hz, kHz) – frequenza di ripetizione degli impulsi
• Potenza del laser (watt) – diversa dalla densità di potenza W/cm2
• Dimensione dello spot focale – detta anche diametro focale
• Durata dell'impulso – il tempo tra l'inizio e la fine di un impulso, misurato in nanosecondi, pico- o femtosecondi. È un fattore per il controllo della densità di energia ed è determinante per l'ottimizzazione del processo. La regolazione della durata dell'impulso nei laser MOPA è più flessibile che nei laser a fibra Q-switched (a impulso fisso).

Fluenza laser: la fluenza è una misura dell'energia laser per unità di superficie. Si misura tipicamente in joule per centimetro quadrato (J/cm2). La fluenza determina la quantità di energia trasferita alla superficie del materiale. Se la fluenza è troppo bassa, il materiale può non subire alcun effetto. Se è troppo alta, il materiale può essere danneggiato in modo eccessivo, oltre l'effetto di marcatura desiderato. La fluenza deve essere a un livello adeguato per lo specifico materiale da marcare. Alcuni materiali possono richiedere una fluenza più alta per assorbire energia sufficiente a ottenere una marcatura visibile, mentre altri possono richiederne una più bassa per evitare danni. Anche la profondità della marcatura può essere influenzata dalla fluenza; in genere, una fluenza più alta produce marcature più profonde.

La fluenza è influenzata da:

• Intensità del fascio
• Velocità dello scanner
• Sovrapposizione degli impulsi
• Diametro focale del fascio

Frequenza di ripetizione degli impulsi e densità di potenza di picco sono parametri critici per formare la marcatura e ottenere contrasto e velocità ottimali. Un'elevata potenza di picco a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e trasmettendo al substrato pochissimo calore. Con l'aumento della frequenza di ripetizione, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Le curve aritmetiche della potenza in funzione della frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali. Altri fattori concorrenti, come la velocità del fascio di marcatura e la distanza di separazione tra le linee vettoriali, determinano il contrasto e la qualità della marcatura.

Regolando e controllando con attenzione questi parametri, la marcatura laser permette di creare marcature precise e di alta qualità su una gamma di materie plastiche. Si tratta di un equilibrio che dipende dalle proprietà del materiale, dalla profondità di marcatura desiderata e dalla velocità di marcatura richiesta. L'aggiunta di assorbitori laser alla plastica aumenta notevolmente la gamma di materie plastiche marcabili, migliora la qualità della marcatura e amplia la finestra di processo per garantire la costanza della marcatura.

Non tutti i laser sono uguali!

Trumpf Lasers ha sviluppato la rivoluzionaria architettura a fibra MOPA e i sistemi di marcatura industriali descritti in questo articolo, che garantiscono risultati di marcatura costanti su tutti i laser. È fondamentale distinguere tra laser industriali e laser all'ingrosso a basso costo.

I laser industriali sono superiori ai laser di tipo amatoriale venduti a basso prezzo dai rivenditori. I laser industriali possono funzionare in continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, e sono dotati di ottiche, lenti, teste di scansione, elettronica e software versatile di alta qualità. Alcuni dei principali produttori del settore utilizzano il monitoraggio remoto del sistema in tempo reale per individuare i problemi prima che si manifestino. I laser economici presentano gravi problemi di qualità di marcatura incostante e di ottiche ed elettronica di basso costo, che causano variazioni della qualità del fascio e marcature non uniformi.

Nella Parte 2 di questo articolo, i lettori scopriranno come i progressi della scienza dei materiali plastici e dei laser a fibra a nanosecondi abbiano reso possibile marcare materie plastiche che erano difficili, o addirittura impossibili, da marcare con laser, con un contrasto di alta qualità, colori personalizzati e velocità mai visti prima.

In memoriam: questo articolo è dedicato a Mark Brodsky, un vero visionario del laser, inventore, collega e amico.

Riferimenti bibliografici

1. Brodsky, M. “Wave Forms: A New Laser Tool,” Optics & Photonics, March 2012 2. “Laser Marking at a Glance Brochure,” TRUMPF Laser 3. Sabreen, S. “Fiber Lasers: Selection and Additives,” Plastics Decorating magazine, November 2017.

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