IT201900009366A1 - Apparato di lavorazione laser e procedimento di lavorazione laser corrispondente - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale intitolata:

“Apparato di lavorazione laser e procedimento di lavorazione laser corrispondente”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo tecnico

La descrizione è relativa ad un apparato di lavorazione laser, comprendente un insieme di almeno due sorgenti laser diverse tra loro configurate per fornire rispettivi fasci laser aventi lunghezze d’onda diverse tra loro, e una testa laser operabile come terminale di una macchina operatrice laser configurabile per eseguire almeno un tipo di lavorazione laser selezionabile da un insieme di tipi di lavorazioni laser, detta testa laser comprendente un insieme di componenti ottici orientabili in modo da fornire un insieme di cammini ottici selezionabili per indirizzare un fascio laser fornito da una rispettiva sorgente laser in detto insieme di almeno due sorgenti laser, e un’unità di controllo accoppiata a detto insieme di almeno due sorgenti laser, a detto insieme di componenti ottici orientabili e alla testa laser configurabile per eseguire almeno un tipo di lavorazione laser selezionabile da un insieme di tipi di lavorazioni laser, detta unità di controllo essendo configurata per comandare dette almeno due sorgenti laser, detto insieme di componenti ottici orientabili e detta testa laser in funzione del tipo di lavorazione laser selezionato da detto insieme di tipi di lavorazioni laser in modo da eseguire il tipo di lavorazione laser selezionato, ossia in modo da fornire e indirizzare detto fascio laser associato al rispettivo tipo di lavorazione sopra una regione di una superficie di lavoro.

Una o più forme di attuazione sono relative ad un procedimento di controllo di tale apparato di lavorazione laser, e all’impiego di tale apparato per esempio in un contesto di una macchina utensile o di un robot antropomorfo.

Sfondo tecnologico

Nell’ambito delle lavorazioni laser esistono molteplici sistemi per il trasporto della radiazione elettromagnetica denominati teste laser, operabili come terminali di una macchina operatrice laser, ciascuna testa specializzata per eseguire un numero limitato, solitamente uno o due, tipi di lavorazione laser in uno stesso tempo. Effettuare diversi tipi di lavorazione con una stessa macchina operatrice laser è possibile, sostituendo di volta in volta una testa laser specializzata in un tipo di lavorazione con un’altra testa laser specializzata nel diverso tipo di lavorazione che si vuole effettuare. Tuttavia, questa sostituzione avviene al prezzo di interruzioni della produzione, comportando potenzialmente intervalli molto lunghi di stop produttivi. Infatti, ad ogni sostituzione di una testa per una lavorazione di un tipo con un’altra testa per una lavorazione di un diverso tipo, può essere necessario sostituire anche un cono sensore della testa e ricalibrare la macchina per operare correttamente con il nuovo utensile installato.

Nel caso in cui l’utensile con cui la testa laser è equipaggiata sia solo il fascio laser, è noto un dispositivo per fornire un primo utensile di elaborazione, generato da una prima sorgente di radiazione, in particolare una sorgente laser, sotto forma di un fascio di elaborazione e tramite mezzi di almeno un altro utensile di elaborazione di diversa natura o diversa origine, in particolare una sorgente di radiazione diversa dalla sorgente di radiazione del primo utensile di elaborazione, in cui i diversi utensili di elaborazione possono essere posti in contatto con un pezzo in lavorazione in modo da elaborare il materiale, e l’elaborazione del pezzo in lavorazione può essere elaborata tramite uno solo degli utensili di elaborazione in ogni momento. Un apparato di lavorazione laser del tipo sopra indicato è descritto nel documento US 2005/0205537 A1.

Una soluzione per certi versi simile è nota dal documento US 9180551 B2, che descrive una macchina utensile laser per effettuare lavorazioni laser tramite ablazione laser comprendente una testa laser duale e mobile predisposta per l’emissione di fasci laser, in cui tale testa laser duale incorpora due o più sorgenti laser, ciascuna sorgente laser che emette un tipo di fascio laser diverso ed in cui le due o più sorgenti laser incorporate nella testa laser duale non possono operare simultaneamente una lavorazione di un pezzo in lavorazione.

Tuttavia tali soluzioni possono facilitare la riduzione di tempi morti nella produzione solo nel caso di lavorazioni laser che impieghino unicamente il fascio laser per svolgere la lavorazione. In alcune lavorazioni laser specifiche, come l’additive manufacturing a deposizione diretta di energia (abbreviato, DED – Direct Energy Manufacturing), il riporto (“cladding”) o la saldatura (a filo o in polvere) – solo per citarne alcune – si impiegano inoltre degli ugelli per fornire materiale da indirizzare su una superficie di lavoro insieme al fascio laser, per esempio materiale metallico filiforme nel caso della saldatura a filo o in polvere nel caso dell’additive manufacturing.

Esiste dunque il problema di fornire un apparato di lavorazione laser comprendente un insieme di lavorazioni comprendente l’impiego non solo di un fascio laser ma anche di altri strumenti, in particolare ugelli per indirizzare materiali sulla superficie di lavorazione.

Nell’ambito di apparati di lavorazione laser del tipo additive manufacturing DED esistono soluzioni che impiegano due teste, ognuna equipaggiata con ugelli e laser relativo, sia in sostituzione l’una dell’altra che operanti in parallelo, che può facilitare di operare lavorazioni di tipo DED con caratteristiche variabili. Tale soluzione presenta tuttavia lo svantaggio di produrre un oggetto realizzato con tracce aventi spessori diversi affiancate e sovrapposte le une alle altre che facilita l’aumento di una porosità nell’oggetto realizzato, poiché è più facile che rimangano interstizi vuoti nell’oggetto, per esempio di interstizi di dimensione date dalla differenza dei diversi spessori.

Impiegare teste laser multiple inoltre aumenta anche i costi, aumentando con essi gli investimenti necessari per la linea di produzione e conseguentemente i costi di realizzazione di oggetti.

Ancora, nel caso in cui si impieghino fasci laser con caratteristiche diverse e con potenze diverse come utensili di lavorazione laser, si presenta il problema di mantenere buone performance ottiche: se si utilizza un’ottica con un coating per esempio per 1070 nm durante una lavorazione con un laser ad una lunghezza d’onda differente, la qualità della lavorazione potrebbe essere non conforme.

Ancora, gli apparati per la produzione additiva convenzionali possono impiegare un telaio di ugelli che può limitare la libertà di manovra della testa per l’indirizzamento del fascio laser sulla superficie di lavoro. Inoltre, questo tipo di limitazione nella libertà di movimento può rendere più difficoltosa la realizzazione di alcune parti, per esempio a causa dell’ingombro del telaio.

Nonostante la vasta attività in tale area, come testimoniato per es. da vari documenti elencati in precedenza, sono desiderabili ulteriori soluzioni perfezionate.

Scopo dell’invenzione

Le forme di attuazione qui descritte hanno lo scopo di migliorare apparati e procedimenti secondo la tecnica nota come discussi in precedenza.

In particolare costituisce uno scopo dell’invenzione proporre un apparato di lavorazione laser, e un procedimento per controllare il medesimo apparato, allo scopo di:

- facilitare la realizzazione di un singolo centro di lavoro multi-funzionale, ad esempio comprendente lavorazioni additive e sottrattive, e in cui i tempi morti tra una lavorazione ed un’altra siano ridotti, in modo da facilitare un’alta produttività;

- presentare una testa laser che opera in modo flessibile uno o più tipi di lavorazioni laser, per esempio in una stessa sequenza, senza che vi siano tempi “morti” dedicati ad esempio alla sostituzione di un cono sensore, che rimane il medesimo per ciascuna lavorazione;

- fornire una soluzione modulare, comprendente un insieme di moduli che possono essere variati in maniera flessibile in base alle esigenze di produzione,

- velocizzazione del processo di produzione in particolare in caso di produzione di pezzi massivi, grazie alla possibilità di aumentare una sezione di apertura di diaframmi negli ugelli di deposizione delle polveri, o anche migliorare la precisione in caso in cui si vogliano risoluzioni maggiori sul pezzo, andando a ridurre la sezione del diaframma.

Sintesi dell’invenzione

Uno scopo di una o più forme di attuazione è di contribuire a fornire una tale soluzione perfezionata.

Varie forme di attuazione raggiungono uno o più dei suddetti scopi grazie ad un apparato di lavorazione laser, e ad un procedimento corrispondente, aventi le caratteristiche richiamate nelle rivendicazioni che seguono. Le rivendicazioni formano una parte integrale degli insegnamenti tecnici qui somministrati in relazione all'invenzione.

In particolare l’invenzione ha per oggetto un apparato avente le caratteristiche indicate all’inizio di questa descrizione e caratterizzato inoltre dal fatto che detto apparato di lavorazione laser essendo caratterizzato dal fatto che

detta testa laser comprende un insieme di ugelli configurati per essere pilotati per indirizzare almeno un materiale di lavorazione su detta regione di una superficie di lavoro, detto insieme di ugelli comprendendo almeno un ugello configurato per indirizzare in modo controllato getti di polvere di almeno un materiale, preferibilmente polvere metallica, e almeno uno tra:

a) un primo ugello configurato per indirizzare in maniera controllata un filo metallico su detta regione di una superficie di lavoro, preferibilmente filo metallico per la saldatura laser,

- b) un secondo ugello configurato per indirizzare in maniera controllata un gas di assistenza su detta regione di una superficie di lavoro, preferibilmente un gas di assistenza per la saldatura, ed in cui detta almeno un’unità di controllo è accoppiata a detto insieme di ugelli ed è configurata per controllare almeno un ugello in detto insieme di ugelli in funzione del tipo di lavorazione laser associato e selezionato in detto insieme di tipi di lavorazioni laser, in modo da comandare detti ugelli ad indirizzare rispettivi materiali di lavorazione su detta regione di una superficie di lavoro simultaneamente all’indirizzamento su detta regione di detta superficie di lavoro di detto fascio laser associato al tipo di lavorazione laser selezionato.

In questo modo, è possibile effettuare lavorazioni di vario tipo (per esempio saldatura, cladding, additive manufacturing, taglio e ablazione) impiegando una medesima testa laser, per effettuare sia lavorazioni laser di tipo additivo, quale l’additive manufacturing a deposizione diretta di energia, sia di tipo sottrattivo, quale il taglio laser, sia di altro tipo, quale l’ablazione. In particolare, ciò è facilitato dalla possibilità di selezionare di volta in volta l’attivazione della sorgente e/o l’attivazione degli utensili più convenienti per la lavorazione scelta. Per esempio, nell’ambito dell’additive manufacturing è possibile impiegare, in particolare in modo alternativo e non necessariamente simultaneo, una prima sorgente avente una prima lunghezza d’onda configurata per trattare materiali ad alta riflettività (per esempio, rame, ottone, alluminio) ed una seconda sorgente avente una seconda lunghezza d’onda configurata per materiali a bassa riflettività (per esempio, ferro, acciaio) facilitando la salvaguardia delle proprietà dei componenti ottici dell’apparato da danneggiamenti dovuti ad indesiderate riflessioni.

Una o più forme di attuazione possono essere relative a un procedimento corrispondente. Un procedimento di controllo di un apparato secondo la presente descrizione può essere un esempio di un tale procedimento.

In varie forme di attuazione, l’insieme di cammini ottici selezionabili comprende almeno due cammini ottici per fornire un primo fascio laser da una prima sorgente laser a detta testa laser, e/o almeno due tipi di lavorazioni laser in detto insieme di tipi di lavorazioni laser sono associati ad almeno un rispettivo ugello nell’insieme di ugelli, in modo da rendere flessibile l’impiego della testa in contesti diversi.

In particolare, almeno una porzione di almeno uno dei due cammini ottici è realizzata in fibra ottica dual core comprendente almeno un core interno ed un core esterno, in cui detto almeno uno di detti almeno due cammini ottici configurati per fornire un primo fascio laser da una prima sorgente laser a detta testa laser comprende uno switch ottico configurato per indirizzare detto primo fascio laser, alternativamente, nel core interno o nel core esterno di detta fibra ottica dual core.

Questa soluzione dà la possibilità di selezionare un modo (risonante) del fascio laser e di conseguenza una distribuzione di potenza del fascio laser, che può avere una forma sia gaussiano che “a ciambella”, quest’ultima in particolare permettendo di effettuare lavorazioni particolari, per esempio nella saldatura tra giunti di dimensioni diverse o anche tagli con migliore finitura superficiale.

In varie forme di attuazione, l’insieme di ugelli della testa laser è mobile tra una posizione sporgente ed una rientrata, e inoltre detta testa laser comprende:

- una cavità di rientro degli ugelli configurata per ospitare gli ugelli in tale posizione rientrata,

- un insieme di attuatori accoppiati a detto insieme di ugelli, e

- l’unità di controllo è accoppiata all’insieme di attuatori ed è configurata per comandare tale insieme di attuatori a traslare detti ugelli tra la posizione sporgente e la posizione rientrata in funzione del tipo di lavorazione laser selezionato nell’insieme di tipi di lavorazioni laser selezionabili.

Tale soluzione facilita di ridurre le interferenze tra un pezzo in lavorazione e gli ugelli durante tipi di lavorazione che non richiedono necessariamente tali ugelli, per esempio nel taglio laser. Inoltre, vantaggiosamente, avere ugelli mobili che possono essere rientrati in una cavità predisposta quando non in uso, evita che tali ugelli vengano esposti a calore residuo durante un processo di lavorazione in cui non vengono impiegati.

In particolare, l’insieme di tipi di lavorazioni laser effettuabili comprende almeno due tipi di lavorazioni laser comprendenti additive manufacturing a deposizione diretta con un primo tipo di materiale di lavorazione in forma di polveri e almeno uno tra: additive manufacturing a deposizione diretta impiegante un secondo tipo di materiale di lavorazione in forma di polveri diverso dal primo, ablazione, saldatura con filo metallico, cladding, trattamento termico e taglio laser.

In varie forme di attuazione, l’insieme di ugelli dell’apparato comprende almeno un ugello snodabile intorno ad un proprio punto di articolazione ed un attuatore elettrico configurato per orientare tale ugello rispetto a tale proprio snodo, e inoltre l’unità di controllo è configurata per comandare tale attuatore elettrico a portare detto almeno un ugello snodabile ad assumere una prima posizione sporgente o una seconda posizione rientrata.

Tale soluzione facilita la riduzione d’ingombro della testa, e in particolare nel caso in cui l’ugello snodabile comprende materiale a memoria di forma presso o in corrispondenza del punto di articolazione, in cui il materiale a memoria di forma è configurato per portare l’ugello in uno tra il primo e il secondo orientamento, alternativamente, in funzione di un valore di corrente elettrica applicato allo snodo tramite un cavo. In particolare tale primo orientamento fa sì che l’ugello formi un angolo, per esempio un angolo ottuso β, con un asse ottico di indirizzamento del fascio laser verso detta regione di detta superficie di lavoro, mentre il secondo orientamento fa sì che l’ugello risulti parallelo rispetto a detto asse ottico.

Inoltre, tramite un ulteriore attuatore elettrico, per esempio un attuatore roto-traslativo, pilotato dall’unità di controllo si riduce o elimina l’ingombro degli ugelli dall’area di lavorazione in modo molto efficace.

Allo scopo di ridurre o eliminare l’ingombro degli ugelli in modo da ridurre le possibili interferenze con la testa laser, in varie forme di attuazione il primo ugello, il secondo ugello e almeno due ugelli configurati per indirizzare getti di polvere di materiale, preferibilmente polvere metallica, posti l’uno di fronte all’altro in detto insieme di ugelli sono assemblati in una struttura di supporto nella testa laser in modo da formare i vertici di un rombo equilatero avente un centro presso o in corrispondenza di un foro di uscita del fascio laser dalla testa, in modo da ridurre l’ingombro spaziale degli ugelli.

In varie forme di attuazione dell’apparato, almeno un ugello per indirizzare getti di polvere di materiale può comprendere un diaframma a iride, formato da un insieme di lamelle imperniate in una ghiera rotante e un attuatore elettrico accoppiato a detta ghiera rotante e configurato per ruotare la ghiera in modo da variare un’area di una sezione di apertura di tale ugello in una direzione trasversa rispetto ad una direzione di emissione di detti getti di polvere, conseguentemente variando una portata di detti getti di polvere. Tale attuatore può essere comandato ad esempio dall’unità di controllo.

Tale meccanismo di variazione della sezione di almeno un ugello per indirizzare getti di polvere rende flessibile il processo di produzione in base alle esigenze di risoluzione e precisione per il singolo pezzo. Per esempio, tale soluzione facilita, vantaggiosamente con l’impiego di una sola testa laser, di:

- migliorare la precisione del processo di additive manufacturing nel caso in cui si vogliano ottenere pezzi con alta risoluzione, ossia con la possibilità di controllare in modo “fine” le caratteristiche del pezzo, andando a ridurre la sezione di apertura di tale ugello,

- mantenere un’alta rapidità di produzione nel caso di produzione di pezzi massivi, semplicemente aumentando la sezione di apertura dei diaframmi.

L’invenzione ha per oggetto anche un corrispondente procedimento per controllare un apparato secondo la presente descrizione, comprendente operazioni di:

- fornire all’unità di controllo una tabella di riferimento (“look-up table”) con cui associare a ciascun tipo di lavorazione laser selezionabile in detto insieme di tipi di lavorazioni laser, un insieme di parametri comprendente, ad esempio: uno stato di alimentazione di almeno una sorgente laser in dette almeno due sorgenti laser diverse tra loro e configurate per fornire rispettivi fasci laser aventi lunghezze d’onda diverse tra loro, ed un orientamento di almeno un elemento ottico orientabile in detto insieme di cammini ottici selezionabili, nonché un parametro di attivazione di almeno un ugello in detto insieme di ugelli.

Il procedimento può prevedere inoltre di fornire all’unità di controllo una look-up table con cui associare a ciascun tipo di lavorazione laser selezionabile in detto insieme di tipi di lavorazioni laser un insieme comprendente inoltre almeno un parametro tra una posizione di uno o più ugelli in detto insieme di ugelli e un orientamento di uno o più ugelli in detto insieme di ugelli.

Tale procedimento dà la possibilità di controllare l’apparato in maniera personalizzabile a seconda delle esigenze della produzione, mantenendo quindi un’alta flessibilità nell’operabilità dell’apparato.

Breve descrizione di varie viste dei disegni

Una o più forme di attuazione saranno ora descritte, a puro titolo di esempio, con riferimento alle figure annesse, nelle quali:

- la Figura 1 è un diagramma esemplificativo di un apparato di lavorazione laser secondo la presente descrizione,

- la Figura 2 rappresenta una porzione del diagramma di Figura 1, - la Figura 3 rappresenta un diagramma esemplificativo dell’architettura di un’unità di controllo numerico per gestire il controllo degli attuatori,

- le Figure 3 A e 3B rappresentano diagrammi esemplificativi di possibili distribuzioni di potenza di un fascio laser impiegabile in un apparato secondo la presente descrizione,

- le Figura 4 e 4A, quest’ultima comprendente una porzione a) ed una porzione b), rappresentano varie viste di una testa laser operabile come terminale di una macchina operatrice laser configurabile per eseguire almeno un tipo di lavorazione laser selezionabile da un insieme di tipi di lavorazioni laser secondo la presente descrizione,

- le Figure 5, 5A e 6 rappresentano varie viste prospettiche di porzioni della testa laser operabile come terminale di una macchina operatrice laser configurabile per eseguire almeno un tipo di lavorazione laser selezionabile da un insieme di tipi di lavorazioni laser secondo la presente descrizione,

- la Figure 7 rappresenta un diagramma di una macchina operatrice in cui un apparato secondo la presente descrizione può venire impiegato.

Descrizione dettagliata di esempi di forme di attuazione

Nella descrizione che segue, sono illustrati uno o più dettagli specifici, allo scopo di fornire una comprensione approfondita di esempi di forme di attuazione di questa descrizione. Le forme di attuazione possono essere ottenute senza uno o più dei dettagli specifici o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, operazioni, materiali o strutture note non sono illustrate o descritte in dettaglio in modo tale che certi aspetti delle forme di attuazione non saranno resi poco chiari.

Un riferimento a “una forma di attuazione” nel quadro della presente descrizione intende indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta con riferimento alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Per cui, le frasi come “in una forma di attuazione” che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non fanno necessariamente riferimento proprio alla stessa forma di attuazione.

Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in un modo adeguato qualsiasi in una o più forme di attuazione.

I riferimenti usati qui sono forniti semplicemente per convenienza e quindi non definiscono l’ambito di protezione o l’ambito delle forme di attuazione.

In Figura 1 è rappresentato un diagramma di un apparato di lavorazione laser 10, comprendente una testa laser 20 operabile come terminale di una macchina operatrice laser, per esempio una macchina operatrice con una struttura di trasporto configurata per traslare la testa laser 20 che può essere del tipo a cantilever 90 come esemplificato in Figura 7, o del tipo a braccio robotico antropomorfo o di altro tipo.

Come detto, la testa laser 20 è configurabile in modo da eseguire almeno un tipo di lavorazione laser selezionabile da un insieme di tipi di lavorazioni laser, come discusso nel seguito.

In particolare, l’apparato 10 come esemplificato in Figura 1 può essere predisposto per operare in maniera flessibile un insieme di lavorazioni laser, tra cui in particolare saldatura, cladding, additive manufacturing a deposizione diretta di energia (DED – Direct Energy Deposition), ablazione, come discusso nel seguito.

Al fine di poter applicare tali lavorazioni in maniera selezionabile da un utente, in modo da ottenere una sorta di “centro di lavoro” con cui effettuare di volta in volta una o più operazioni di lavorazione laser, tale apparato comprende- un insieme di almeno due sorgenti laser 12, 14, in particolare sorgenti diverse tra loro (ad es., sia per lunghezza d’onda che per potenza) e configurate per fornire rispettivi fasci laser aventi lunghezze d’onda diverse tra loro. Per esempio, l’insieme di almeno due sorgenti laser 12, 14, può comprendere sorgenti diverse tra loro sia per lunghezza d’onda che per potenza, quali ad esempio:

- una prima sorgente laser 12 può essere configurata per fornire un primo fascio laser avente una prima lunghezza d’onda pari a, ad esempio, 1070 nm ed una potenza di 5 kW (1 kW = 1 kiloWatt = 10<3 >Watt), impiegabile in particolare per le lavorazioni di saldatura, cladding, additive manufacturing DED, e taglio laser;

- una seconda sorgente laser 14 può essere configurata per fornire un secondo fascio laser avente una seconda lunghezza d’onda pari a, ad esempio, 532 nm ed una potenza di 500 W, impiegabile in particolare per le lavorazioni di additive manufacturing DED e ablazione.

In particolare, la seconda sorgente laser 14 può essere impiegata in lavorazioni (quali ad esempio additive manufacturing DED, taglio e saldatura) in cui i materiali da trattare siano materiali altamente riflettenti, come ad esempio rame, ottone o alluminio.

Per materiali altamente riflettenti si intende altresì quei materiali che tendono a riflettere una radiazione elettromagnetica incidente su di essi, avente una specifica lunghezza d’onda, in percentuale molto superiore al 50% della luce incidente.

Si noti che tale elenco di possibili lavorazioni laser e tali abbinamenti di lavorazioni alle sorgenti sono presentati puramente a titolo di esempio, non essendo in alcun modo limitativo delle tipologie di lavorazione laser a cui l’apparato può essere predisposto ad operare in maniera flessibile.

Come esemplificato nelle Figure 1 e 2, in cui Figura 2 rappresenta una porzione del diagramma di Figura 1, l’insieme delle sorgenti laser 12, 14 possono essere pilotate tramite un’unità di controllo 30 accoppiata ad esse.

Per esempio, l’unità di controllo 30 può comunicare comandi che determinino l’accensione, con conseguente emissione di rispettivi fasci laser, o lo spegnimento di una o più sorgenti, oppure può pilotare uno switch ottico interno alla prima sorgente ad inviare il fascio laser verso una prima o una seconda uscita. I fasci laser emessi dalle rispettive sorgenti 12, 14 sono quindi forniti alla testa laser 20 operabile come terminale di una macchina operatrice laser 90, 80 per effettuare almeno una lavorazione laser.

In particolare, come esemplificato nelle Figure 1 e 2:

- la prima sorgente laser 12 può comprendere un sistema di trasporto in fibra ottica 124 e una lente di collimazione 126 e uno switch ottico 128, per esempio uno specchio orientabile, configurati per indirizzare un fascio laser L1 alternativamente verso una prima lente di focalizzazione 127 accoppiata ad un primo tratto in fibra ottica 120, in particolare fibra ottica multi-clad come discusso nel seguito, oppure verso un’altra direzione, quindi un’altra lente di focalizzazione accoppiata ad un tratto in fibra con un solo core 122 (che potrebbe essere configurata per emettere il fascio laser con un modo gaussiano o con un modo ad esempio top-hat),

- la seconda sorgente laser 14 può presentare una sola uscita configurata per fornire il fascio laser ad un terzo tratto in fibra ottica 140, per esempio fibra ottica “standard”.

Come detto, in varie forme di attuazione, in cui almeno una porzione 120 di almeno uno di detti almeno due cammini ottici 120, 122 per fornire il primo fascio laser L1 dalla prima sorgente laser 12 alla testa laser 20 comprende un tratto di fibra ottica multi-clad 120 che comprende un core di guida della luce 120a circondato da almeno un ulteriore strato di cladding di guida 120b intorno al core 120a ed in cui almeno uno di tali almeno due cammini ottici per fornire un primo fascio laser da una prima sorgente laser alla testa laser 20 comprende uno switch ottico configurato per indirizzare il primo fascio laser L1, alternativamente, nel core 120a o nell’ ulteriore strato di cladding di guida 120b di tale fibra ottica multi-clad 120.

In varie forme di attuazione, la prima sorgente laser 12, ed in particolare il tratto in fibra multi-clad, può comprendere un sistema del tipo discusso nel documento domanda di brevetto Italiana n. 102018000021538 della stessa Richiedente. Un tale sistema o apparato può comprendere una fibra multi-clad che comprende un core di guida della luce circondato da almeno un ulteriore strato di cladding di guida intorno a detto core di guida; un’interfaccia d’ingresso comprendente un primo insieme di canali d’ingresso in detto core configurato per ricevere almeno una prima fibra ottica e un secondo insieme di canali d’ingresso in detto almeno uno strato di cladding di guida configurato per ricevere almeno una seconda fibra ottica. Tale apparato può comprendere inoltre un modulo di commutazione ottica comprendente una porta d’ingresso, una prima ed una seconda porta di uscita, un primo cammino ottico tra detta porta d’ingresso e detto primo canale d’ingresso in detto primo insieme di canali d’ingresso in detto core tramite detta prima porta d’uscita, e almeno un secondo cammino ottico tra detta porta d’ingresso e un secondo canale d’ingresso in detto secondo insieme di canali d’ingresso in detto almeno uno strato di cladding di guida tramite detta seconda porta d’uscita, detto modulo di commutazione ottica essendo comandabile per commutare fra detto primo cammino ottico e secondo cammino ottico; e un insieme di moduli laser comprendente almeno un primo modulo laser ed almeno un secondo modulo laser, detti moduli laser essendo configurati per emettere rispettivi fasci laser quando in un rispettivo stato di accensione, detto almeno un primo modulo laser essendo accoppiato ad un canale d’ingresso in detto primo insieme di canali d’ingresso tramite detta almeno una prima fibra ottica, detto almeno un secondo modulo laser essendo accoppiato a detto modulo di commutazione ottico.

Opzionalmente, lo switch ottico 128 può essere comandato, per esempio con segnali inviati dall’unità di controllo 30, in modo da assumere più posizioni, per esempio ad assumere un’inclinazione variabile tra 0 e 45° con passi di 5°, in modo da guidare il fascio laser L1 emesso dal laser 124 in modo “fine” verso la prima uscita. Tale soluzione, come detto, facilita rendere flessibile il modo (risonante) con cui si propaga il fascio laser, facilitando di ottenere, ad esempio, un profilo “a ciambella” del fascio laser o un profilo gaussiano del fascio laser.

In una forma di attuazione come esemplificato in Figura 1, l’insieme di sorgenti 12, 14 è accoppiato alla testa 20 tramite un insieme di moduli, in particolare:

- un modulo di selezione ottica 16, configurato per guidare, alternativamente, un fascio laser L tra i fasci laser emessi dall’insieme di sorgenti 12, 14 in un cammino ottico selezionato in un insieme di cammini ottici selezionabili, in modo che solo un fascio laser L venga fornito di volta in volta alla testa laser 20 avente proprietà ottiche (per esempio, con un modo del fascio laser) adatte ad un tipo di lavorazione selezionato,

- un modulo di diagnostica 18, configurato per monitorare le proprietà del fascio laser L fornito alla testa 20 e per fornire all’unità di controllo 30 un segnale V indicativo di tali proprietà, per esempio un’immagine di uno spot laser.

Il modulo di selezione ottica 16, come esemplificato nelle Figure 1 e 2, comprende ad esempio:

- una prima lente di collimazione 162 seguita da un primo switch ottico 164, per esempio uno specchio orientabile tra due posizioni, configurati per collimare e guidare il fascio in uscita dal secondo tratto in fibra ottica 122,

- una seconda lente di collimazione 166 seguita da un secondo switch ottico 168 per esempio uno specchio orientabile tra due posizioni, configurati per collimare e guidare il fascio laser in uscita dal secondo tratto in fibra ottica 140,

- una terza lente di collimazione 160, configurata per collimare il fascio laser in uscita dal terzo tratto in fibra ottica 120.

Tali switch ottici 168, 164 nel modulo di selezione 16 e lo switch ottico 128 nella prima sorgente 12 possono essere pilotati dall’unità di controllo 30 in modo da assumere:

- una prima posizione chiusa, in cui lo switch ottico blocca l’uscita del fascio laser dalla fibra ottica,

- una seconda posizione aperta, in cui lo switch ottico facilita l’uscita del fascio laser dalla fibra ottica e ne determina una direzione di propagazione in aria.

L’unità di controllo può pilotare tali switch 128, 168, 164 ad assumere rispettive posizioni aperto/chiuso in funzione di parametri della lavorazione selezionata da un utente.

Ad esempio, nel caso in cui si voglia effettuare una lavorazione di saldatura, l’unità di controllo piloterà lo switch 128 a inviare il fascio L1 verso la prima uscita 127, e gli switch ottici in modo che siano entrambi 168, 164 in uno stato chiuso così da fornire alla testa laser 20 il fascio in uscita dalla fibra ottica multi-clad 120.

In un altro esempio, se la lavorazione selezionata è il taglio laser, allora l’unità di controllo 30 pilota lo switch 128 a direzionare il fascio L1 verso la seconda uscita 129 e il primo switch 164 in modo che sia aperto mentre pilota il secondo switch 168 in modo che sia chiuso, così da fornire alla testa laser 20 il fascio in uscita dalla fibra ottica semplice 122.

In un altro esempio, se la lavorazione selezionata è l’ablazione laser, allora l’unità di controllo 30 pilota lo switch 128 e lo switch 164 ad essere chiusi e lo switch 168 ad essere aperto, così da fornire alla testa laser 20 il fascio in uscita dalla terza fibra ottica 140.

La seguente tabella 1 riassume quanto discusso in precedenza in merito alla forma di attuazione esemplificata in Figura 1 e 2.

Tabella 1

In una o più forme di attuazione, l’impiego di tale procedimento di indirizzamento del fascio laser dall’insieme delle almeno due sorgenti, grazie al fatto di fornire dei cammini ottici selezionabili per uno dei due laser, può vantaggiosamente evitare di spegnere e riaccendere di volta in volta una sorgente o l’altra per fornire il fascio laser, riducendo i tempi morti nella lavorazione e facilitando di evitare degradazioni nella performance delle sorgenti che potrebbero essere danneggiate da continue sequenze di spegnimento ed accensione. In generale, una o più forme di attuazione facilitano l’ottenimento di una migliorata versatilità dei processi tecnologici grazie all’integrazione di più sorgenti laser in un unico sistema.

Come esemplificato nelle Figure 1 e 2, il modulo di diagnostica 18 può comprendere un elemento ottico dicroico 180, ossia in cui la lunghezza d’onda della luce trasmessa è diversa dalla lunghezza d’onda della luce riflessa, ed un sensore di luce 182, preferibilmente una telecamera, posti a valle del modulo di selezione 16 e lungo il cammino ottico del fascio laser L. Specificamente, l’elemento ottico dicroico 120 è configurato per deviare una porzione Ld del fascio laser L che si propaga lungo il cammino ottico selezionato ossia verso il sensore 182, in modo che il sensore 182 rilevi tale porzione di fascio laser deviata Ld e fornisca un segnale di misura V di proprietà di detta porzione di fascio laser Ld all’unità di controllo.

L’unità di controllo 30 è accoppiata a detto sensore luminoso 182 e può essere configurata per pilotare le sorgenti laser 12, 14 e/o gli switch ottici nel modulo di selezione 16 in funzione del segnale di misura V rilevato.

Come esemplificato in Figura 1, a valle del modulo di diagnostica 18, il fascio laser L viene quindi fornito alla testa laser 20.

Tale testa laser 20 è configurata per trasmettere il fascio laser L tramite un insieme di componenti (o moduli) ottici che siano orientabili (ossia mobili) 22, 24, 26, in modo da indirizzarlo su una superficie di lavoro 110 mentre viene traslato lungo assi X, Y, Z tramite una struttura di trasporto TS. La struttura di supporto può essere una struttura di supporto a cantilever come esemplificato in Figura 9 o un robot-antropomorfo come esemplificato in Figura 10.

Tale insieme di componenti ottici 22, 24, 26 comprende ad esempio: - un modulo di orientamento del fascio laser 22, configurato per impartire al fascio laser L emesso dalla testa 20 almeno un movimento dinamico di oscillazione ω,

- un’ottica di beam shaping 24, per esempio una lente diffrattiva per variare un modo (risonante) del fascio laser L, ossia configurata per variare selettivamente una distribuzione di potenza del fascio laser indirizzato sulla regione della superficie di lavorazione,

- una lente focalizzante 26, configurata per indirizzare il fascio laser L sopra una regione di un piano di lavoro 110, formando uno spot di focalizzazione del fascio laser LS su tale regione.

Si noti che tale insieme di componenti ottici 22, 24, 26 è presentato a puro titolo di esempio non limitativo, restando peraltro inteso che in varie forme di attuazione uno o più degli elementi 22, 24, 26 potrebbero essere diversi o assenti a seconda delle esigenze di un utente. Infatti, si può vantaggiosamente predisporre una quantità ed una tipologia variabile di moduli ottici orientabili, comprendenti componenti ottici accoppiati con rispettivi attuatori, da inserire quali componenti ottici nell’insieme 22. Ciò comporta la possibilità di predisporre l’apparato sulla base alle esigenze delle tipologie di lavorazione che un utente vuole poter eseguire con la testa laser 20.

In generale, con piano di lavorazione si intende il piano alla quota su cui si esegue il processo, in particolare il piano, sia esso anche del supporto o dell’elemento su cui si effettua la lavorazione.

Il modulo di orientamento del fascio laser 22, può comprendere uno specchio orientabile 220, in particolare orientabile tramite uno o più attuatori a cui è accoppiato 222, 224, per esempio attuatori galvanometrici configurati per variarne almeno un angolo di inclinazione tramite uno scanner ottico, per esempio pilotando l’attuatore 22a, o un procedimento per impartire un movimento dinamico al fascio laser L, per esempio variando, per esempio con una frequenza di variazione ω, almeno un angolo α tra un asse normale ad una superficie riflettente dello specchio ed una direzione di propagazione del fascio laser L.

In varie forme di attuazione, in particolare quando una delle tipologie di lavoro selezionate è quella dell’additive DED, per esempio l’attuatore 222 può essere comandato secondo un procedimento di “wobbling” quale, ad esempio, quello descritto nel documento domanda di brevetto Italiana n.

102019000004681, della stessa Richiedente. Un tale procedimento può comprendere un procedimento di additive manufacturing, in cui si predispone una testa di additive manufacturing configurata sia per indirizzare uno o più getti di polveri, in particolare polvere metallica, su una regione di una superficie di lavoro, sia per indirizzare simultaneamente un fascio laser sopra detta regione, formando uno spot di focalizzazione del fascio laser su detta regione, ed in cui, durante l’indirizzamento di detti getti di polveri e di detto fascio laser, detta testa di additive manufacturing viene simultaneamente traslata lungo una direzione trasversale rispetto alla direzione del fascio laser, così da dar luogo ad una traccia (MPP) ottenuta mediante fusione di dette polveri per effetto della potenza trasmessa a dette polveri da detto spot di focalizzazione. Durante il movimento (V) della testa di additive manufacturing lungo detta direzione trasversale viene impartito un movimento dinamico al fascio laser emesso dalla testa, detto movimento essendo configurato in modo tale da ottenere una larghezza della traccia che è indipendente dalla dimensione dello spot di focalizzazione del fascio laser ed è analoga a quella prodotta da uno spot apparente di larghezza sostanzialmente corrispondente alla larghezza della traccia, e in modo tale per cui la distribuzione della potenza trasmessa dal fascio laser alla traccia varia lungo la direzione della larghezza della traccia.

In varie forme di attuazione, per esempio l’attuatore 224 può essere comandato secondo un procedimento modellato su uno scanner ottico di per sé noto.

In una o più forme di attuazione, ad esempio, la lente di beam shaping 24 può variare la distribuzione di potenza del fascio laser L in modo da ottenere un fascio avente una distribuzione gaussiana come esemplificato in Figura 3A, o anche altre distribuzioni come per esempio top-hat o a ciambella.

In particolare, in varie forme di attuazione la lente di beam shaping 24 può comprendere:

- un diffusore diffrattivo configurato per separare un fascio laser ivi incidente in direzioni semi-casuali in modo da fornire la forma desiderata della distribuzione di potenza del fascio laser L; e/o

- un Diffractive Axicon (DA), ossia un tipo di elemento ottico diffrattivo che trasforma un fascio laser in una forma ad anello (e.g., avente profilo di intensità avente un andamento di Bessel).

Per esempio una distribuzione di potenza come per esempio top-hat può essere ottenuta impiegando una lente di beam shaping 24 comprendente ottiche diffrattive del tipo l'ottica "round".

In varie forme di attuazione, tale ottica di beam shaping può facilitare di ottenere anche un profilo “a ciambella” del fascio laser, come esemplificato in Figura 3B. In particolare, tale profilo può essere il risultato dell’impiego di una lente di beam shaping 24 comprendente ottiche diffrattive di tipo "negative".

Come detto, in varie forme di attuazione, per esempio in alternativo all’impiego dell’ottica di beam shaping, si può variare la posizione dello switch ottico 128 in modo tale per cui la radiazione emessa dal laser 124 viene convogliata nel core esterno 120b della fibra multi-clad 120, facilitando di ottenere un profilo “a ciambella” del fascio laser, come esemplificato in Figura 3B.

Si noti che sebbene discussi come compresi nella testa, in varie forme di attuazione tali componenti ottici potrebbero essere non essere presenti o essere compresi al di fuori della testa, in particolare il modulo di orientamento del fascio laser potrebbe trovarsi all’ingresso della testa ma disaccoppiato meccanicamente da essa.

In varie forme di attuazione l’unità di controllo 30 può comprendere un’unità di controllo numerico 60, come esemplificato in figura 3 che è esemplificativa di uno schema di principio dell’architettura di un’unità di controllo numerico 60 per gestire il controllo degli attuatori, ossia i motori quali ad esempio i motori della struttura di trasporto 90, 80 che movimentano gli assi X, Y, Z, i motori che movimentano il modulo di orientamento del fascio laser 22, ossia l’attuatore galvanometrico 222, 224 dello specchio 220, nonché ulteriori attuatori elettrici come discusso nel seguito, in particolare in relazione a ugelli della testa 20. Tale unità 60 comprende due personal computer 61 e 62. Il personal computer 61 opera quale interfaccia utente per inviare istruzioni e comandi al secondo personal computer 62, il quale preferibilmente comprende un sistema operativo 62a associato a estensioni di tipo Real Time 62b per la gestione della macchina. Il sistema operativo può essere ad esempio di tipo Linux, WinCE, o essere ottenuto tramite soluzioni proprietarie. Il personal computer 62 fornisce quindi le traiettorie da eseguire a una scheda di servo controllo 63 di tipo DSP PCI per il controllo degli attuatori.

Nel personal computer 62 e nella scheda di servo controllo 63 sono implementate procedure per pilotare l’apparato 10, come discusso nel seguito.

Alcune lavorazioni laser impiegano, oltre al fascio laser, anche di fornire dei materiali per realizzare la lavorazione. In particolare, come esemplificato in Figura 4, nel caso di:

- additive DED, impiega almeno un ugello 40, 44 per indirizzare getti di polvere di almeno un materiale, preferibilmente polvere metallica,

- saldatura, impiega un primo ugello 42 configurato per indirizzare, ossia guidare o sbobinare, in modo controllato un filo metallico su detta regione di una superficie di lavoro, preferibilmente filo metallico (una cui porzione 422 è rappresentata sporgente dall’ugello 42) per la saldatura laser, e opzionalmente un secondo ugello 46 configurato per indirizzare in modo controllato un gas di assistenza su detta regione di una superficie di lavoro, preferibilmente un gas di assistenza per la saldatura,

- taglio laser, può impiegare un condotto per fornire un gas di supporto che può essere immesso nella parte terminale della testa in modo che il gas fuoriesca da un medesimo foro di uscita 70 del fascio laser o in modo ad esso coassiale.

Per operare flessibilmente una pluralità di lavorazioni, la testa laser 20 può quindi essere equipaggiata con un insieme di ugelli 40, 42, 44, 46 per effettuare tali lavorazioni.

La figura 4 è esemplificativa di una vista prospettica di una testa laser 20. Ad esempio, tale testa laser 20 comprende:

- un accoppiatore 202, comprendente un condotto tubolare configurato per accoppiare meccanicamente la testa 20 ad una struttura di trasporto, per esempio al braccio robotico di un robot antropomorfo e di ricevere il fascio laser L, per esempio a valle del modulo di diagnosi 18 o del modulo di orientamento del fascio laser 22, e

- una struttura di supporto 50, comprendente un corpo centrale 50a ed una parte terminale 50b, la parte terminale comprendente un foro 70 di uscita del fascio laser L: per esempio la parte terminale 50b può avere forma di cono rovesciato (da cui deriva l’appellativo “cono sensore”) avente il foro di uscita 70 situato in punta di tale cono, come esemplificato nella figura;

- un insieme di bracci porta-ugelli 450, 452, 454, 456 comprendenti delle porzioni rigide e delle porzioni snodabili 41, 43, 45, 47 a cui sono accoppiati rispettivi ugelli nell’insieme di ugelli 40, 42, 44, 46, e che possono essere traslati attraverso delle guide rispettive 460, 462, 464, 466 da rispettivi attuatori 470, 472, 474, 476, per esempio attuatori lineari roto-traslativi.

Opzionalmente, due ugelli per l’emissione di getti di polveri 40, 44 impiegabili per l’additive manufacturing DED possono essere vantaggiosamente posti l’uno di fronte all’altro, in modo da emettere i rispettivi getti di polvere presso o in corrispondenza di due punti situati agli estremi di un segmento passante per il foro centrale 70 così da facilitare un deposito di polveri simmetrico sulla superficie di lavoro, in modo da ottenere una lavorazione più accurata e migliorata.

La Figura 4A comprende una porzione a) in cui è rappresentata una vista prospettica laterale della testa laser rappresentata in Figura 4 ed una porzione B in cui è rappresentata una vista dal basso verso l’alto, ossia la vista che avrebbe un osservatore solidale con il piano di lavoro 110 guardando verso l’alto.

In varie forme di attuazione come esemplificato nella porzione b della Figura 4A, ad esempio, il primo ugello 42, il secondo ugello 46, un foro di uscita 70 posto nella parte terminale 50b del supporto 50 e gli almeno due ugelli 40, 44 configurati per indirizzare, ossia emettere, getti di polvere di materiale sono assemblati in modo da trovarsi ai vertici di un rombo equilatero centrato nel foro di uscita 70, in modo da ridurre l’ingombro spaziale dell’insieme di ugelli 40, 42, 44, 46 senza ostruire il cammino ottico del fascio laser L in uscita dal foro 70 nella testa laser 20.

Figura 5 è un’ulteriore vista prospettica della testa laser 20, mentre la figura 5A rappresenta una vista in sezione lungo l’asse V-V della vista prospettiva di Figura 5.

Come esemplificato in Figura 5A, un asse centrale della seconda porzione 202b del condotto tubolare 202 può essere coassiale ad un asse ottico AO di propagazione del laser L.

Come esemplificato in Figura 5A, l’accoppiatore 202 può avere ad esempio la forma di un tubo a gomito a sezione circolare in cui il gomito forma un angolo di 90° e comprendente una prima porzione 202a a monte del gomito ed una seconda porzione 202b a valle del gomito. La prima porzione 202a può avere una estensione trasversa ridotta rispetto ad una estensione longitudinale, ossia nella direzione perpendicolare a quella trasversa, della seconda porzione 202b, che si prolunga all’interno del corpo centrale 50a e fino alla parte terminale 50b della struttura di supporto 50.

Nel gomito, ossia nell’intersezione tra la prima porzione 202a e la seconda porzione 202b del condotto 202 può essere presente uno specchio 204, che può essere sia uno specchio fisso che uno specchio orientabile come discusso in precedenza in relazione al modulo di orientamento del fascio laser 22. Lo specchio 204 può essere accoppiato al condotto 202 in modo da formare un angolo retto, ossia di 90°, con un asse R che congiunga i punti di raccordo tra la prima 202a e la seconda 202b porzione del condotto 202.

Tale porzione 202b a valle del gomito ospita inoltre ulteriori componenti ottici, per esempio l’ottica di beam shaping 24. In particolare, l’ottica di beam shaping 24 può essere situata come elemento terminale della porzione a valle del gomito 202b che si prolunga nel corpo centrale 50a della struttura di supporto 50.

Un diametro esterno dell’accoppiatore 202 ed un diametro interno del corpo centrale 50a possono essere distanziati da un distanziatore 206, ad esempio a forma di anello che circonda la seconda porzione 202b di tubo cilindrico 202.

Allo scopo di effettuare le lavorazioni secondo il procedimento ivi discusso, la testa 20 può comprendere, ad esempio, una cablatura, ad esempio una cablatura in fibra ottica, per convogliare la radiazione originata da una delle sorgenti di radiazione laser, disposta remota rispetto alla testa.

Tale cablatura può essere associata a condotti per addurre eventualmente anche gas di supporto, ossia di assistenza, quale argon o azoto, di supporto alla saldatura, al taglio o all’additive manufacturing. Tale cablatura può comprendere una catenaria comprendente tali rispettivi condotti e/o condotti per addurre polveri di materiale per additive manufacturing fornite da rispettivi dispositivi di alimentazione disposti remoti rispetto alla testa 20. Inoltre tale catenaria può comprendere cavi elettrici per comando e controllo ed eventuali tubi di adduzione raffreddamento. In varie forme di attuazione tali condotti (per esempio del gas, della polvere solo, cavi in fibra ottica e cavi elettrici) possono essere all’interno di una medesima catenaria in cui restino comunque isolati tra di loro (ossia il condotto del gas non può portare le polveri ed è isolato dal condotto per le polveri e a seguire la stessa cosa per tutti i condotti nella catenaria).

In varie forme di attuazione, in particolare, il dispositivo di alimentazione del gas di supporto al taglio laser può essere accoppiato tramite un rispettivo condotto alla porzione terminale 50b della testa laser 20 in modo che una volta emesso tale gas di supporto fuoriesca da un foro di uscita 70 del fascio laser situato in detta parte terminale 50b della testa laser 20, per esempio in maniera coassiale al fascio laser. L’unità di controllo può essere accoppiata a detto dispositivo di alimentazione e configurata per pilotare l’emissione del gas di assistenza per il taglio laser attraverso la parte terminale 50b della testa quando una lavorazione di taglio laser venga selezionata. La testa laser 20 comprende inoltre un insieme di attuatori e di guide 400 accoppiate ad almeno un ugello, per esempio all’ugello del gas 46, nell’insieme di ugelli 40, 42, 44, 46, in modo che almeno uno tra tali ugelli sia mobile o retrattile, o preferibilmente tutti lo siano, ossia mobile con continuità o per passi discreti tra una posizione sporgente ed una rientrata in modo da essere impiegato per effettuare una lavorazione laser quando si trova all’esterno della testa 20 in una posizione sporgente rispetto ad un corpo centrale 50a di una struttura di supporto 500 della testa 20, e possa essere riportato in una posizione rientrata in una apposita cavità di rientro all’interno del corpo centrale 50a quando non venga impiegato per effettuare la lavorazione. Questo comporta vantaggiosamente di evitare di rovinare le caratteristiche meccaniche di tali ugelli che altrimenti, non essendo mobili o retrattili, rischierebbero di essere danneggiati venendo colpiti dalle riflessioni del laser durante lavorazioni in cui non vengano impiegati direttamente. Inoltre, qualora non siano mobili o retrattili, tali ugelli potrebbero comportare anche un ingombro suscettibile di inficiare le prestazioni della lavorazione.

Gli ugelli visibili nella vista prospettica di Figura 5A sono ugelli configurati per emettere getti di polveri 40, 44, dunque nel seguito si fa riferimento a questi per semplicità, restando per altro inteso che, salvo diversamente indicato, quanto discusso in relazione al sistema di traslazione di tali ugelli può essere applicato anche ad altri ugelli di altro tipo, per esempio agli ugelli 42, 46.

Come esemplificato in Figura 5A, il corpo cilindrico 50a all’interno contiene una cavità preposta a ospitare:

- gli attuatori 470, 474 dei rispettivi bracci degli ugelli mobili o retrattili, - i bracci dei rispettivi ugelli, per esempio 450, 454 comprendenti i rispettivi snodi o punti di articolazione 41, 45 accoppiati ai rispettivi ugelli 40, 44.

Nella vista di figura 5A gli ugelli in posizione sporgente sono raffigurati in linea solida mentre sono rappresentati con linea tratteggiata in posizione ritratta allo scopo di illustrare anche tale funzionalità.

In varie forme di attuazione, l’unità di controllo 30 è configurata per pilotare l’insieme di attuatori 400 in modo da traslare almeno un ugello 40, 42, 44, 46 tra la posizione sporgente e la posizione rientrata in funzione tipo di lavorazione laser selezionabile nell’insieme di tipi di lavorazioni laser.

Come menzionato, l’unità di controllo può comprendere un’unità di controllo numerico 60 come esemplificato in Figura 3 che, secondo procedure di per sé note, genera una sequenza di istruzioni P, corrispondente a un cosiddetto ‘part program’, o programma di parte, per una macchina “virtuale” con determinate specifiche di accelerazione e velocità. Tale sequenza di istruzioni P proviene dal personal computer 61, e ed è originata da un programma apposito, per impostare fuori linea (offline) le traiettorie e i movimenti della macchina. Ad essa viene applicata una funzione di interpolazione che provvede, sulla base della sequenza di istruzioni P alla generazione di una traiettoria della macchina operatrice. Tale traiettoria della macchina operatrice corrisponde alle coordinate cinematiche che descrivono nel tempo il moto di un punto della macchina operatrice, ad esempio un giunto o un terminale, o Tool Center point (TCP), a cui la testa laser 20 può essere accoppiata. Tale interpolazione opera in risposta a un codice di preparazione, o G-Code, inviato nell’ambito della sequenza di istruzioni P. L’operazione di interpolazione viene implementata via software all’interno del personal computer 62.

Si noti che nella soluzione ivi descritta l’unità 60 è configurata inoltre per inviare ulteriori comandi relativi ad esempio alla portata dei getti di polvere di fusione, alla portata del gas di supporto, alle caratteristiche della radiazione laser (potenza, modalità continua/impulsata/altro, eventuale frequenza e duty, forma del profilo di radiazione gaussiana/top-hat/altro) e alle caratteristiche del raggio laser (diametro, focalizzazione, altro). Tali comandi possono essere associati alla sequenza di istruzioni P in modo da occorrere in determinati punti e istanti definiti dalla traiettoria della testa mentre viene traslata dalla struttura di supporto a cui è accoppiata.

I comandi relativi alle caratteristiche della radiazione laser e alle caratteristiche del raggio laser possono venire controllati per regolare il profilo termico, ad esempio variando la potenza e/o il diametro e/o la focalizzazione dello spot laser nei tratti di percorso di lavorazione.

La Tabella 2 qui di seguito presenta in maniera sintetica un esempio di come è possibile associare a diverse lavorazioni le diverse posizioni degli ugelli. L’unità di controllo 30 può pilotare gli attuatori ad assumere una posizione tra sporgente e rientrata, ad esempio, secondo una tabella riportata di seguito.

Si noti che tale elenco di associazioni tra tipi di lavorazione e posizione degli ugelli è riportata a puro titolo di esempio, restando peraltro inteso che altri tipi di lavorazione e di ugelli possono essere impiegati in varie forme di attuazione.

Tabella 2

In varie forme di attuazione come esemplificato in Figura 5 e 5A, l’insieme di ugelli comprende almeno un ugello snodabile intorno ad un proprio punto di articolazione 41, 45. Inoltre, tale (punto di) snodo può essere comandato tramite un segnale elettrico, quale ad esempio una corrente applicata a detto snodo, in particolare utilizzando un cavo elettrico collegato con lo snodo e configurato per orientare l’ugello, per esempio l’ugello 44, rispetto a tale proprio snodo 45, per esempio comandato tramite l’unità di controllo 30.

Ad esempio, l’unità di controllo 30 può comandare tale snodo a memoria di forma tramite l’applicazione di una corrente elettrica in modo da far assumere all’ugello snodabile 40 un primo orientamento, per esempio inclinato in modo da formare un angolo β, per esempio un angolo ottuso come esemplificato in figura, con la direzione AO di emissione del fascio laser, quando l’ugello 40 è in detta posizione sporgente, o un secondo orientamento, per esempio parallelo al tratto di asse ottico AO del fascio laser nella seconda porzione 202b del condotto 202, quando detto ugello è nella posizione rientrata.

In particolare, il punto di articolazione 45 può essere realizzato in materiale a memoria di forma configurato per assumere una forma in funzione di una corrente applicata al cavo elettrico pilotato da detta unità di controllo. Le guide poste poco prima dell’ingresso della camera hanno lo scopo di riportare gli ugelli in posizione verticale, in modo da permetterne il rientro nella propria sede, andando a deformare meccanicamente lo snodo. In questo modo, vantaggiosamente, è possibile ridurre l’ingombro dell’attuatore per il punto di articolazione e far sì che le aperture per il rientro dei bracci meccanici consistano di semplici fori circolari della sezione del braccio del rispettivo ugello.

La parte terminale 50b del telaio 50 comprende una rientranza circolare avente un diametro, ad esempio, circa pari al diametro interno del condotto 202 che si conclude in una leggera rastremazione, che presenta una parete di fondo otticamente trasparente a cui è accoppiata la lente di focalizzazione 26, che può avere un diametro inferiore al diametro massimo del condotto interno del condotto 202.

Figura 6 è una vista ingrandita della parte terminale 50b del telaio 50 e mostra anche delle sezioni dei bracci e degli ugelli per l’additive manufacturing DED 40, 44. Tali bracci, come esemplificato in Figura 6, possono essere cavi, in modo da guidare un flusso di polveri di materiali, preferibilmente polvere metallica, verso gli ugelli. Ancora, almeno un ugello per indirizzare getti di polvere di materiale 40 può comprendere in una sua sezione terminale, ad esempio posta tra il proprio snodo 41 e un foro di uscita delle polveri, comprende un diaframma a iride 480, ad esempio formato da un insieme di lamelle imperniate in una ghiera rotante, e un attuatore elettrico accoppiato a detta ghiera rotante e configurato per ruotare detta ghiera.

Tale attuatore può essere pilotato tramite l’unità di controllo in modo da variare un’area di una sezione di apertura di tale ugello 40 in una direzione trasversa rispetto ad una direzione di emissione dei getti di polvere. Tale variazione di sezione di apertura, facilita variare una portata del getto di polvere in uscita, di nuovo facilitando l’ottenimento di processi produttivi di additive manufacturing DED maggiormente accurati e con proprietà del processo controllabili in maniera fine, in modo migliorato.

In figura 7 è dunque mostrata una vista schematica prospettica di una forma realizzativa della macchina operatrice laser, indicata complessivamente con il riferimento numerico 90, che comprende una struttura di trasporto 91, atta a spostare un supporto 91d, cui è associato solidalmente la testa laser 20 accoppiata ad un equipaggio 92 mobile lungo una pluralità d’assi, specificamente tre assi cartesiani X, Y, Z. Per esempio, la macchina operatrice avente la struttura a portale 90 esemplificata in Figura 7 può comprendere una struttura di guida 91a che comprende un basamento 91m e dei binari 91h, sulla parte superiore, che si estendono lungo un asse orizzontale X; su tali binari 91h è posizionata una slitta 91c libera di scorrere lungo la direzione dell’asse X e su cui poggia un estremo di una trave 91b che si estende in direzione orizzontale, lungo l’asse Y, ortogonale all’asse X. Tale estremo della trave 91b è a sbalzo ed è associato in maniera scorrevole lungo l’asse Y alla slitta 91c, sulla quale poggia. L’altro estremo libero della trave 91b presenta un supporto 91k con guide verticali 91j lungo le quali scorre, per effetto di un motore 91f, lungo l’asse Z ortogonale al piano XY, quindi verticale, il supporto 91d che reca l’equipaggio mobile 92.

I movimenti della trave 11b rispetto alla slitta 91c e della slitta 11c rispetto alla struttura di guida 11a sono anch’essi attuati tramite motori, che non sono però visibili in Figura 7.

Come mostrato in figura 7, per effetto di tale configurazione, lo spostamento dell’equipaggio mobile 92 avviene in un volume di lavoro 100, essenzialmente un parallelepipedo le cui dimensioni sono definite dalle corse dell’equipaggio mobile 92 lungo gli assi X e Y, orizzontali, e Z, verticale. In figura 7 è inoltre indicato il piano di lavorazione 110 che corrisponde, ad esempio, alla faccia inferiore del volume di lavoro 100.

Si noti che quanto discusso in relazione alla struttura di trasporto di Figura 7 è puramente esemplificativo. Come detto, in varie forme di attuazione la struttura di trasporto della macchina operatrice può essere di tipo diverso, come ad esempio un braccio robotico, un robot antropomorfo, una struttura a portale, o di altro tipo.

Fermi restando i principi di fondo, i dettagli e le forme di attuazione possono variare, anche in modo apprezzabile, rispetto a quanto è stato descritto, puramente a titolo di esempio, senza uscire dall’ambito di protezione. L’ambito di protezione è definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato di lavorazione laser (10), comprendente: - almeno due sorgenti laser (12, 14) diverse tra loro e configurate per fornire rispettivi fasci laser aventi lunghezze d’onda diverse tra loro, - una testa laser (20) operabile come terminale di una macchina operatrice laser (90) configurabile per eseguire almeno un tipo di lavorazione laser selezionabile da un insieme di tipi di lavorazioni laser, e - un insieme di componenti ottici (16) orientabili in modo da fornire un insieme di cammini ottici selezionabili per indirizzare un fascio laser fornito da una sorgente laser in dette almeno due sorgenti laser (12, 14), e - un’unità di controllo (30) accoppiata a dette almeno due sorgenti laser (12, 14), a detto insieme di componenti ottici orientabili (16) ed a detta testa laser (20) e configurata per pilotare dette almeno due sorgenti laser (12, 14), detto insieme di componenti ottici orientabili (16) e detta testa laser (20) in funzione del tipo di lavorazione laser selezionato da detto insieme di tipi di lavorazioni laser in modo da eseguire il tipo di lavorazione laser selezionato, ossia in modo da fornire e indirizzare un fascio laser associato al rispettivo tipo di lavorazione sopra una regione di una superficie di lavoro (110), detto apparato di lavorazione laser (10) essendo caratterizzato dal fatto che: detta testa laser (20) comprende un insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) configurati per indirizzare almeno un materiale di lavorazione su detta regione di una superficie di lavoro (110), detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) comprendendo almeno un ugello (40) configurato per indirizzare getti di polvere di almeno un materiale, preferibilmente polvere metallica, e almeno uno tra: a) un primo ugello (42) configurato per indirizzare un filo metallico su detta regione di una superficie di lavoro, preferibilmente filo metallico per la saldatura laser, b) un secondo ugello (46) configurato per indirizzare un gas di assistenza su detta regione di una superficie di lavoro, preferibilmente un gas di assistenza per la saldatura laser, ed in cui detta almeno un’unità di controllo (30) è accoppiata a detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) ed è configurata per pilotare almeno un ugello in detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) in funzione del tipo di lavorazione laser associato e selezionato in detto insieme di tipi di lavorazioni laser, così da pilotare detto almeno un ugello ad indirizzare rispettivi materiali di lavorazione su detta regione di una superficie di lavoro (110) simultaneamente all’indirizzamento su detta regione di detta superficie di lavoro di detto fascio laser (L) associato al tipo di lavorazione laser selezionato.
2. 2. Apparato di lavorazione laser (10) secondo la rivendicazione 1, in cui: - detto insieme di cammini ottici selezionabili comprende almeno due cammini ottici (120, 122) per fornire un primo fascio laser (L1) da una prima sorgente laser (12) a detta testa laser (20), e/o - almeno due lavorazioni, preferibilmente due lavorazioni non simultanee, in detto insieme di tipi di lavorazioni laser sono associati ad almeno un rispettivo ugello nell’insieme di ugelli (40, 42, 44, 46).
3. 3. Apparato di lavorazione laser secondo la rivendicazione 2, in cui almeno una porzione (120) di almeno uno di detti almeno due cammini ottici (120, 122) per fornire detto primo fascio laser (L1) da detta prima sorgente laser (12) a detta testa laser (20) comprende un tratto di fibra ottica multi-clad (120) che comprende un core (120a) di guida della luce circondato da almeno un ulteriore strato di cladding (120b) di guida intorno a detto core (12) di guida ed in cui detto almeno uno di detti almeno due cammini ottici (120, 122) per fornire detto primo fascio laser (L1) da detta prima sorgente laser (12) a detta testa laser (20) comprende uno switch ottico (128) configurato per indirizzare detto primo fascio laser (L1), alternativamente, nel core (120a) o nell’almeno un ulteriore strato di cladding (120b) di guida di detta fibra ottica multi-clad (120).
4. 4. Apparato di lavorazione laser (10) secondo la rivendicazione 1, comprendente almeno una lente diffrattiva di beam shaping (24) configurata per variare un modo del fascio laser (L), ossia configurata per variare selettivamente una distribuzione di potenza del fascio laser indirizzato sulla regione della superficie di lavorazione.
5. 5. Apparato secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui dette almeno due sorgenti laser (12,14) diverse tra loro comprendono: - una prima sorgente laser (12) configurata per fornire un primo fascio laser (L1) avente una prima lunghezza d’onda pari a 1070 nm, e - una seconda sorgente laser (14) configurata per fornire un secondo fascio laser avente una seconda lunghezza d’onda pari a 532 nm.
6. 6. Apparato di lavorazione laser secondo la rivendicazione 1, in cui: - almeno un ugello in detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) della testa laser (20) è mobile tra una posizione sporgente ed una rientrata, e - detta testa laser (20) comprende: i) una cavità di rientro (50a) di detti ugelli (40, 42, 44, 46) configurata per ospitare detti ugelli in detta posizione rientrata, ii) un insieme di attuatori (470, 472, 474, 476) accoppiati a detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46), e - detta unità di controllo (30) è accoppiata a detto insieme di attuatori (470, 472, 474, 476) ed è configurata per pilotare detto insieme di attuatori (470, 472, 474, 476) a traslare detti ugelli tra detta posizione sporgente e detta posizione rientrata in funzione del tipo di lavorazione laser selezionato nell’insieme di tipi di lavorazioni laser selezionabili.
7. 7. Apparato di lavorazione laser (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) comprende almeno un ugello (40) snodabile intorno ad un proprio snodo (41) ed un cavo elettrico accoppiato a detto proprio snodo (41) ed a detta unità di controllo (30), in cui detta unità di controllo (30) è configurata per comandare detto almeno un ugello snodabile (40) ad assumere una prima orientamento (β) quando detto ugello (40) è in detta posizione sporgente o un secondo orientamento quando detto ugello (40) è in detta posizione rientrata, in cui: - in detto primo orientamento (β) detto ugello (40) forma un angolo con un asse ottico (AO) con cui detto fascio laser viene indirizzato verso detta regione di detta superficie di lavoro (110), ed - in detto secondo orientamento detto ugello (40) è parallelo rispetto a detto asse ottico (AO).
8. 8. Apparato di lavorazione laser (10) secondo la rivendicazione 7, in cui detto almeno un ugello snodabile (40) comprende un materiale a memoria di forma in corrispondenza di detto snodo (41), detto materiale a memoria di forma essendo configurato per assumere una prima forma (β) o una seconda forma, alternativamente, in funzione di una corrente applicata a detto snodo tramite detto cavo elettrico.
9. 9. Apparato di lavorazione laser (10) secondo la rivendicazione 1, in cui detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) comprende almeno due ugelli (40, 44) configurati per indirizzare getti di polvere di almeno un materiale, preferibilmente polvere metallica, posti l’uno di fronte all’altro e pilotati in maniera coordinata da detta unità di controllo (30) in modo da indirizzare almeno un materiale di lavorazione su detta regione di una superficie di lavoro (110) in maniera che esso abbia una distribuzione uniforme.
10. 10. Apparato di lavorazione laser (10) secondo la rivendicazione 9, in cui detto primo ugello (42), detto secondo ugello (46) e detti almeno due ugelli (40, 44) configurati per indirizzare getti di polvere di almeno un materiale, preferibilmente polvere metallica, posti l’uno di fronte all’altro in detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) sono assemblati in una struttura di supporto (50) nella testa laser (20) in modo da formare i vertici di un rombo equilatero avente un centro in corrispondenza di un foro di uscita (70) del fascio laser (LS), in modo da ridurre l’ingombro spaziale degli ugelli nell’insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) senza ostruire il percorso del laser (LS) in uscita da detta testa laser (20).
11. 11. Apparato di lavorazione laser secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente un dispositivo di alimentazione di un gas di supporto, preferibilmente un gas di assistenza per il taglio laser, detto dispositivo di alimentazione essendo accoppiato ad una parte terminale (50b) di detta testa laser (20) in maniera tale che detto gas di supporto fuoriesca da un foro di uscita (70) del fascio laser (LS), il foro di uscita (70) essendo situato in detta parte terminale (50b) della testa laser (20), ed in cui detta almeno un’unità di controllo (30) è accoppiata a detto dispositivo di alimentazione configurato in modo da fornire detto gas di assistenza, detta unità di controllo (30) essendo configurata per pilotare detto dispositivo di alimentazione in funzione del tipo di lavorazione laser associato e selezionato in detto insieme di tipi di lavorazioni laser.
12. 12. Apparato di lavorazione laser secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto insieme di tipi di lavorazioni laser comprende almeno due tipi di lavorazioni laser, preferibilmente due tipi di lavorazioni non simultanee, comprendenti additive manufacturing a deposizione diretta con un primo tipo di materiale di lavorazione in forma di polvere e almeno uno tra: -additive manufacturing a deposizione diretta impiegante un secondo tipo di materiale di lavorazione in forma di polvere diverso dal primo, - ablazione, - saldatura con filo metallico, - cladding, - trattamento termico, e - taglio laser.
13. 13. Apparato di lavorazione laser secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un elemento ottico dicroico (180) ed un sensore ottico (182), preferibilmente una telecamera, posti lungo un tratto comune di detti cammini ottici selezionabili (16), in cui: i) detto elemento ottico dicroico (180) è configurato per deviare una porzione di detto fascio laser (L) che si propaga in detto tratto comune verso detto sensore ottico (182), e ii) detto sensore ottico (182) è configurato per rilevare detta porzione di fascio laser deviata da detto elemento ottico dicroico (180) e per fornire all’unità di controllo (30) un segnale di misura (V) di parametri di detta porzione di fascio laser, iii) in cui detta un’unità di controllo (30) è accoppiata a detto sensore ottico (182) ed è configurata per pilotare dette sorgenti laser e/o detti componenti ottici orientabili (16) in funzione di detto segnale di misura (V) fornito da detto sensore ottico (182).
14. 14. Apparato secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui almeno un ugello (40) configurato per indirizzare getti di polvere di almeno un materiale comprende: - un diaframma a iride (480), comprendente un insieme di lamelle imperniate in una ghiera rotante, e - un attuatore elettrico accoppiato a detta ghiera rotante e configurato per ruotare detta ghiera del diaframma a iride (480), - detta unità di controllo (30) essendo accoppiata a detto attuatore elettrico accoppiato a detta ghiera rotante e configurato per pilotare detto attuatore elettrico in modo da variare un’area di una sezione di apertura di detto almeno un ugello (40) in una direzione trasversa rispetto ad una direzione di emissione di detti getti di polvere, in modo da variare una portata di detti getti di polvere.
15. 15. Procedimento di lavorazione laser, comprendente: - fornire un apparato (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 14, - pilotare detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) ad indirizzare almeno un materiale di lavorazione su detta regione di una superficie di lavoro (110), selezionando tramite detta unità di controllo (30) almeno un ugello in detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46) in funzione del tipo di lavorazione laser associato e selezionato in detto insieme di tipi di lavorazioni laser, per indirizzare un rispettivo materiale di lavorazione su detta regione di una superficie di lavoro (110) simultaneamente all’indirizzamento su detta regione di detta superficie di lavoro di detto fascio laser (L) associato al tipo di lavorazione laser selezionato.
16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 15, comprendente - fornire a detta unità di controllo (30) una tabella di riferimento con cui associare un insieme di parametri a ciascun tipo di lavorazione laser selezionabile in detto insieme di tipi di lavorazioni laser, l’insieme di parametri comprendente: - uno stato di alimentazione di almeno una sorgente laser in dette almeno due sorgenti laser (12, 14) diverse tra loro e configurate per fornire rispettivi fasci laser aventi lunghezze d’onda diverse tra loro, ed - un orientamento di almeno un elemento ottico orientabile in detto insieme di un insieme di componenti ottici (16) orientabili, - un parametro di attivazione di emissione di almeno un ugello in detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46).
17. 17. Procedimento secondo la rivendicazione 15 o la rivendicazione 16, comprendente: - fornire a detta unità di controllo (30) una tabella di riferimento con cui associare a ciascun tipo di lavorazione laser selezionabile in detto insieme di tipi di lavorazioni laser almeno un ulteriore parametro tra: - una posizione tra retratta e sporgente di uno o più ugelli in detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46), - un orientamento (β) di uno o più ugelli in detto insieme di ugelli (40, 42, 44, 46).