Incisione laser

Incisione laser

Punti chiave

• L'incisione asporta materiale, andando più in profondità dell'etching e molto più in profondità della marcatura superficiale.
• Il laser CO₂ a 10,6 µm è il cavallo di battaglia per i polimeri, che assorbono fortemente l'infrarosso.
• Impulsi brevi riducono la diffusione del calore, producendo bordi più netti e dettagli più fini.
• La scelta della lunghezza d'onda dipende dal materiale e, se sbagliata, causa danni anziché profondità.

Incisione laser

L'incisione laser asporta materiale per creare un incavo di profondità misurabile, a differenza della marcatura, che modifica il colore della superficie senza rimuovere materiale. Sulle materie plastiche il fascio porta il polimero oltre la soglia di vaporizzazione e il materiale si allontana sotto forma di vapore e particolato espulso, scavando una cavità tipicamente compresa tra 0,05 e 0,5 mm a seconda dei passaggi e delle impostazioni.

La profondità è ciò che definisce il processo, ed è anche ciò che lo rende più lento, termicamente più aggressivo e più esigente in termini di aspirazione rispetto alla marcatura superficiale.

Incisione, etching e marcatura a confronto

Ottenere profondità senza danni

Sui polimeri la profondità si ottiene con passaggi ripetuti e non con la sola potenza. Spingere di più un singolo passaggio deposita calore più velocemente di quanto possa dissiparsi, con il risultato di fusione, alterazioni del colore, tensioni interne e un bordo arrotolato di materiale risolidificato sul margine della cavità. Più passaggi leggeri con un adeguato raffreddamento intermedio danno una parete più pulita e un migliore controllo dimensionale.

Punti che determinano il successo:

• Rideposizione del fuso. A differenza dei metalli, i materiali termoplastici fondono prima di vaporizzare. Il materiale spostato può risolidificarsi sul bordo come bava in rilievo, di cui occorre tenere conto in progettazione oppure da rimuovere.
• Zona termicamente alterata. Il calore accumulato provoca opacizzazione, microfessurazioni e tensioni residue attorno alla cavità: un problema di durabilità nei componenti soggetti a carichi o a stress ambientali.
• Strategia di tratteggio. Incrociare il tratteggio tra i passaggi e ruotarne l'angolo produce un fondo più piano rispetto alla scansione ripetuta nella stessa direzione vettoriale.
• Comportamento di riempimento e cariche. Nelle resine caricate con fibra di vetro il polimero vaporizza ma il vetro no, lasciando fibre esposte in superficie; il tema è affrontato in come risolvere l'affioramento della fibra di vetro.

Sicurezza ed emissioni

L'incisione genera molti più prodotti di decomposizione rispetto alla marcatura superficiale, e la chimica del polimero determina quanto siano pericolosi. Il PVC non deve essere lavorato al laser: sviluppa acido cloridrico, corrosivo per l'operatore, per l'ottica e per la struttura della macchina. I fluoropolimeri come il PTFE rilasciano prodotti di decomposizione pericolosi in caso di degradazione termica. Anche i polimeri meno critici producono particolato e vapori organici in quantità.

Un'adeguata aspirazione locale con filtrazione appropriata è un requisito e non un'opzione, insieme ai controlli sui rischi del fascio previsti per un impianto di Classe 4 secondo ANSI Z136.1 e alla supervisione di un responsabile della sicurezza laser designato.

Quando l'incisione è la scelta giusta

Si specifichi l'incisione quando il segno deve resistere ad abrasione, esposizione chimica o a una lunga vita utile; quando è richiesto un elemento tattile o Braille; quando si realizzano cavità di stampi e attrezzature, in modo che l'elemento compaia su ogni componente stampato; oppure quando la profondità stessa ha una funzione. Se il requisito è semplicemente un codice permanente, leggibile e ad alto contrasto, la marcatura superficiale è più rapida, più delicata sul materiale e di solito la migliore soluzione ingegneristica.

Strategia dei parametri per la profondità

Sui polimeri la profondità si costruisce, non si impone. I parametri interagiscono, e l'ordine in cui vengono regolati conta più dei valori stessi:

Risoluzione dei problemi delle incisioni

Specificare un elemento inciso

L'incisione asporta materiale strutturale, il che ne fa una decisione di progetto e non soltanto di marcatura. Un disegno che prevede un elemento inciso dovrebbe riportare:

• La profondità con una tolleranza, non un valore nominale. La profondità varia con il lotto di resina, il colore e le condizioni di stampaggio, quindi una quota senza tolleranza non può essere ispezionata.
• Lo spessore di parete residuo nel punto inciso, indicato come minimo. È il valore che conta per l'integrità strutturale ed è quello più spesso omesso.
• La posizione rispetto alle zone di tensione. Si tenga l'incisione lontana da punti di iniezione, linee di saldatura, nervature e raggi dove si concentra la tensione residua: in quei punti una cavità diventa un innesco di cricche in esercizio.
• Un requisito sulla condizione dei bordi, poiché un certo bordo di fuso è normale sui materiali termoplastici. Lo si ammetta con un massimo dichiarato oppure si specifichi un'operazione secondaria.
• Il metodo di misura. Profilometria a stilo, microscopia confocale o un campione sezionato danno risposte diverse su una cavità con fondo arrotondato; indicare il metodo è ciò che rende significativa la tolleranza.

Se il requisito è soltanto un codice permanente e leggibile, si riconsideri se la profondità sia davvero necessaria. La marcatura superficiale è più rapida, non asporta materiale e non introduce nessuno di questi vincoli.

Termini correlati e approfondimenti

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Applicazione in produzione

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Domande frequenti

Che cos'è l'incisione laser?

Un processo di asportazione di materiale ad alta risoluzione che utilizza un fascio focalizzato per ablare la superficie, creando marcature o motivi permanenti e profondi. A differenza di etching e marcatura, l'incisione rimuove fisicamente materiale per formare un elemento incavato.

Quanto è profonda l'incisione laser?

Più profonda dell'etching, che interessa solo i primi micron superficiali, e molto più profonda della marcatura, che può non comportare alcuna asportazione di materiale. La profondità effettiva è controllata da potenza, durata e frequenza degli impulsi, velocità di scansione e numero di passaggi.

Quale lunghezza d'onda del laser è adatta all'incisione dei polimeri?

I laser CO₂ a 10,6 µm sono i più diffusi per polimeri e materiali organici grazie al forte assorbimento dell'infrarosso, che consente l'incisione diretta con danno termico minimo alle aree circostanti.

Quali parametri controllano la qualità dell'incisione?

La potenza del laser determina la velocità di asportazione del materiale, ma comporta il rischio di danno termico se non controllata. Durata e frequenza degli impulsi influiscono sulla diffusione del calore: impulsi più brevi danno bordi più netti e dettagli più fini. Velocità di scansione e messa a fuoco completano il quadro.

A quali problemi occorre prestare attenzione?

L'assorbimento specifico del materiale fa sì che una lunghezza d'onda sbagliata incida male o danneggi il componente. Il calore eccessivo causa fusione, alterazioni del colore o microfessurazioni. Infine l'aspirazione dei fumi è necessaria, poiché l'ablazione genera sottoprodotti che sporcano anche l'ottica.

Come aumentare la profondità senza danneggiare il componente?

Aggiungendo passaggi, non potenza. Più passaggi leggeri con un ritardo di raffreddamento tra l'uno e l'altro danno una parete più pulita, un migliore controllo dimensionale e molte meno tensioni residue rispetto a un solo passaggio aggressivo. Oltre circa 0,2 mm si applichi uno scostamento di fuoco per ogni passaggio, altrimenti il fascio si sfoca man mano che la cavità si approfondisce e la profondità smette di aumentare.

Che cosa deve includere una quota di incisione su un disegno?

La profondità con una tolleranza, lo spessore di parete residuo minimo in quel punto, la posizione rispetto a punti di iniezione e linee di saldatura, una condizione ammissibile dei bordi (poiché un certo bordo di fuso è normale sui materiali termoplastici) e il metodo di misura. Lo spessore di parete residuo è il valore più spesso omesso e quello che stabilisce se l'elemento è strutturalmente accettabile.

Perché il fondo della cavità risulta striato?

Perché i passaggi successivi scansionano la stessa direzione vettoriale. Ruotare l'angolo di tratteggio tra i passaggi, in genere di 45 o 90 gradi, produce un fondo nettamente più piano. Conta anche il passo di tratteggio: se troppo ampio lascia strisce, se troppo stretto riscalda due volte la superficie e ne causa l'opacizzazione.

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