ITVI20100319A1 - Macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati e metodo di taglio relativo - Google Patents

Description

MACCHINA PER IL TAGLIO LASER DI PROFILATI CILINDRICI O PRISMATICI ALLUNGATI E METODO DI TAGLIO RELATIVO

La presente invenzione si riferisce, in genere, ad una macchina per il taglio di materiali, metallici e/o non metallici, in forma cilindrica o prismatica allungata (quali tubi o profilati tubolari), che impiega un laser generato e trasportato in fibra quale strumento di taglio, nonché al relativo metodo di taglio.

La metodologia descritta può essere utilizzata, in particolare, per l’esecuzione di tagli, fori, sezioni ed intersezioni di tubi o profilati tubolari, a sezione quadrata, tonda, ovale e/o rettangolare, con spessori, sezioni e lunghezze comprese all’interno degli usuali valori commerciali.

Il taglio laser, soprattutto quello per alti spessori, Ã ̈ da sempre realizzato con sorgenti laser gassose a biossido di carbonio (CO2) o con sorgenti laser gassose al Nd-YAG (Neodimio-Ittrio-Alluminio).

E’ noto che le sorgenti laser a CO2possono fornire altissime potenze ed alta qualità del fascio per il taglio di lamiere, lastre e/o profilati tubolari.

Per le applicazioni pratiche, inoltre, si utilizzano varie tipologie di macchine utensili da taglio, che impiegano sistemi di lenti e/o specchi per la massima focalizzazione del fascio.

D’altra parte, i laser Nd-YAG possono contare sulla disponibilità di fibre ottiche per la movimentazione del fascio e vengono utilizzati, per esempio, per la marcatura superficiale dei materiali, in quanto consentono di ottenere una buona qualità del fascio solo a bassa potenza.

I recenti sviluppi di tale tipologia di laser hanno fatto sì che anche i laser Nd-YAG possano realizzare una buona qualità del fascio, paragonabile a quella dei laser a CO2, anche a livelli di potenza in uscita superiori a 100 W; di conseguenza, ciò ha reso possibile utilizzare laser Nd-YAG anche per le operazioni di taglio dei materiali, con risultati comparabili a quelli ottenuti con laser a CO2.

Tuttavia, sia nel caso si utilizzino laser a CO2che nel caso in cui si impieghino laser Nd-YAG, si notano perdite considerevoli di trasmissione, scarsa qualità del fascio ed instabilità della potenza emessa.

In particolare, nel caso si impieghi una sorgente laser a CO2o un laser Nd-YAG per il taglio di tubi o profilati tubolari, oltre agli inconvenienti menzionati in precedenza, si riscontrano notevoli problematiche anche dal punto di vista degli ingombri della macchina. Infatti, nelle macchine per il taglio laser di tubi di tipo tradizionale, che impiegano per esempio un laser a CO2, una prima testa rotante, posta in corrispondenza di un’estremità del tubo, muove il tubo longitudinalmente, in modo che lo stesso passi inferiormente alla testa di taglio, la quale provvede alla lavorazione desiderata sulla superficie del tubo. In particolare, il tubo à ̈ mantenuto in posizione orizzontale tramite lunette di sostegno e, in corrispondenza dell’estremità su cui effettuare la lavorazione, à ̈ inserito all’interno di una seconda testa rotante, a cui à ̈ fissata la testa di taglio, che provvede a ricavare profili, sagome, fori e/o tagli, tramite il laser CO2.

La testa di taglio à ̈ collegata, tramite un sofisticato sistema di specchi, al generatore laser CO2ed à ̈ condizione fondamentale, al fine di non alterare la qualità del fascio laser di taglio, che il percorso ottico del laser non cambi lunghezza durante l’intera lavorazione; ciò si traduce in pratica nel fatto che la testa di taglio deve essere mantenuta ferma durante l’intera lavorazione del tubo, con la conseguenza che, al fine di effettuare fori e/o tagli in vari punti del profilato, à ̈ necessario movimentare il suddetto tubo in una direzione orizzontale, parallela al terreno.

Tale modalità di lavorazione determina ovviamente ingombri elevati, pari sino al doppio della lunghezza del profilato in lavorazione.

Scopo della presente invenzione à ̈, quindi, quello di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati e, in particolare, quello di realizzare una macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati, che consenta di limitare al massimo gli ingombri durante la lavorazione, rispetto alle macchina di taglio tubi di tipo tradizionale.

Altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati, che garantisca un processo di lavorazione altamente sicuro ed affidabile, consentendo un controllo continuo dei parametri di taglio, garantendo così la qualità di risultato del processo di taglio.

Altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di indicare un metodo di taglio che possa essere implementato tramite la macchina per il taglio laser sopra menzionata.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati, che risulti altamente affidabile ed efficiente dal punto di vista funzionale, a lunga durata e che abbia costi di esercizio estremamente contenuti, alla luce dei vantaggi conseguiti.

Questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione, sono raggiunti da una macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati, secondo la rivendicazione 1 allegata, e da un relativo metodo di taglio, secondo la rivendicazione 10 allegata.

Le rivendicazioni dipendenti includono altre caratteristiche tecniche di dettaglio dell’invenzione. Vantaggiosamente, la radiazione laser che la macchina secondo l’invenzione utilizza per le lavorazioni di taglio à ̈ generata da una sorgente in fibra ottica, realizzata mediante un mezzo attivo (nel quale à ̈ generata la radiazione ottica), una sorgente di pompaggio, in grado di eccitarne gli ioni di drogante, e due specchi (o reticoli di Bragg, in fibra ottica), che realizzano la cavità risonante.

Il laser generato in fibra ottica costituisce quindi l’unità vera e propria di taglio, vale a dire l’utensile che esegue il taglio, per mezzo di un generatore laser in fibra.

Ciò che distingue tale sorgente laser in fibra da una sorgente laser a stato solido (di tipo CO2o Nd-YAG, per esempio) à ̈ la presenza di una fibra ottica, al posto della barretta di cristallo, di diversi “singoli†diodi di pompaggio, al posto delle “comuni barre†, e di reticoli di Bragg, ancora in fibra ottica, al posto degli specchi; ciascuno di questi tre elementi di base, pur nella propria semplicità, fornisce alla sorgente caratteristiche funzionali uniche.

In particolare, la radiazione generata dalla sorgente laser esce dalla fibra ottica e da un blocco di quarzo ad essa saldato, con una divergenza fissata dalla qualità del fascio, e raggiunge una prima lente (cosiddetta “di collimazione†), mentre una seconda lente (cosiddetta “di focalizzazione†) focalizza il fascio sul materiale da lavorare, in modo da ottenere fasci laser di altissima qualità, senza problemi di raffreddamento e di lente termica e con notevoli velocità di taglio e ridotti tempi di lavorazione.

Inoltre, si prevede ulteriormente l’applicazione di un sistema di controllo automatico, di tipo capacitivo, di altezza della testa laser, per macchine a controllo numerico (CNC), che mantiene costante la distanza focale della lente “di focalizzazione†, rispetto alla superficie del profilato su cui viene effettuata l’operazione di taglio.

Come detto, la fibra attiva, grazie ad un nucleo drogato di soli 5 micron, consente di ottenere, in modo molto efficiente, fasci laser ad altissima qualità, senza alcun problema di raffreddamento e di lente termica, mentre l’utilizzo di singoli diodi di pompa, in luogo delle note barre, permette la realizzazione di architetture di pompaggio estremamente affidabili.

Infine, i reticoli di Bragg in fibra ottica, grazie alle intrinseche qualità di sintonizzazione e bassa perdita di inserzione, permettono la realizzazione di cavità risonanti finemente sintonizzate sulla lunghezza d’onda di emissione della sorgente, oltre ad una elevata stabilità della potenza emessa.

L’impiego di un laser in fibra per il taglio di profilati cilindrici allungati à ̈ altresì vantaggioso, in quanto à ̈ possibile, tramite tale utilizzo, ridurre notevolmente gli ingombri della macchina da taglio durante la lavorazione del materiale.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione che segue, relativa ad un esempio di realizzazione, esemplificativo e preferito, ma non limitativo, di una macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati, secondo l’invenzione, e dal disegno annesso (figura 1), che mostra una vista prospettica schematica della suddetta macchina di taglio laser, secondo l’invenzione.

Con riferimento alla figura menzionata, la macchina per il taglio laser di profilati allungati secondo l’invenzione comprende principalmente un banco di appoggio 10 del materiale in lavorazione, un sistema 18 per il sostegno del materiale durante la lavorazione e per lo scarico automatico del materiale lavorato, una serie di lunette di sostegno 11 del profilato o tubo 12 in lavorazione, un corpo principale di taglio 13, associato ad una testa di serraggio 14 del tubo 12, ed un’ulteriore testa 15, all’interno della quale à ̈ fissata l’estremità 20 del tubo 12 opposta rispetto a quella interessata dalla lavorazione.

La macchina include altresì un quadro o pannello di comando, corredato da un monitor e da un sistema PLC per l’espletamento di funzioni ausiliarie, ed una testa di taglio laser 16, fissata al corpo principale di taglio 13 e connessa ad un generatore laser in fibra e ad un gruppo di raffreddamento (non illustrati nelle figure allegate).

La macchina utensile può essere azionabile e/o interpolabile su 3, 4 o 5 assi e la testa di taglio 16 à ̈ solitamente equipaggiata con un sistema di controllo automatico dell’altezza di tipo capacitivo e con un sistema di controllo anticollisione, in modo da ottimizzare costantemente le lavorazioni, preservando la sicurezza del gruppo di taglio.

La suddetta testa di taglio 16 à ̈ movimentabile tramite sistemi di comando elettronici a controllo numerico ed à ̈ munita di un ugello di taglio 17 e di un sistema per l’adduzione del gas al generatore laser con alta pressione e/o ad aria compressa.

Inoltre, la sorgente in fibra ottica à ̈ realizzata con una fibra ottica, quale mezzo attivo, in cui à ̈ generata la radiazione ottica per mezzo del generatore laser in fibra, con diversi singoli diodi al quarzo di pompaggio in grado di eccitare gli ioni di drogante, e lenti o reticoli di Bragg in fibra ottica, che realizzano la cavità risonante.

La fibra ottica attiva, grazie ad un nucleo drogato di minime dimensioni, consente di ottenere fasci laser di altissima qualità, senza problemi di raffreddamento, mentre l’utilizzo di singoli diodi al quarzo di pompaggio permette la realizzazione di architetture di pompaggio estremamente affidabili e di lunga durata. Infine, le lenti realizzate con reticoli di Bragg in fibra ottica, permettono la realizzazione di cavità risonanti finemente sintonizzate sulla lunghezza d’onda di emissione della sorgente, oltre ad una elevata stabilità della potenza emessa.

Il laser generato in fibra ottica rappresenta l’unità vera e propria di taglio, vale a dire l’utensile che esegue il taglio del profilato 12 per mezzo del generatore laser, mentre un sistema di controllo automatico, tipicamente di tipo capacitivo, mantiene costante la distanza focale, rispetto alla superficie del materiale da lavorare, posta inferiormente all’ugello 17.

Un’ulteriore caratteristica tecnica ottimale della macchina di taglio laser secondo l’invenzione à ̈ rappresentata dal possibile utilizzo di un sistema di protezione e guida della fibra di trasporto, non drogata, che movimenta il fascio laser a bordo macchina; la fibra di trasporto à ̈ infatti inserita all’interno di una guaina protettiva, realizzata preferibilmente in materiale plastico, ed inserita, a sua volta, in una catena porta-cavi, a tubi flessibili, con raggi di curvatura controllati.

Il fissaggio della protezione plastica della fibra di trasporto à ̈ realizzato all’inizio ed alla fine della catena, prestando attenzione alla fibra, che, comunque, deve scorrere all’interno della protezione stessa.

Nelle macchine di taglio laser di tipo tradizionale, che impiegano generatori laser a CO2o Nd-YAG, la testa 15 ruota e trasla in modo da muovere il profilato 12 longitudinalmente da sinistra a destra per farlo così fuoriuscire dalla sede centrale della testa 14, al fine di ricavare profili, sagome, fori e tagli in corrispondenza dell’estremità 19, che si trova posizionata inferiormente all’ugello 17 della testa di taglio laser 16.

Nelle suddette macchine di taglio laser di tipo tradizionale, poiché il generatore laser a CO2o Nd-YAG à ̈ connesso alla testa laser 16 tramite un sofisticato sistema di specchi, à ̈ fondamentale che il percorso ottico tra generatore e corpo di taglio non cambi lunghezza durante la lavorazione per non alterare la qualità del fascio laser di taglio.

Contrariamente a ciò, utilizzando, come mostrato nella presente invenzione, un laser in fibra quale sorgente di taglio, à ̈ possibile impiegare il medesimo sistema meccanico impiegato nell’arte nota, con la differenza però che la testa 15 può presentare eventualmente solo un moto di rotazione, in modo da ruotare il profilato 12, mentre la testa 14 si muove longitudinalmente da destra a sinistra, avvolgendosi all’indietro sull’asse del profilato 12 e portandosi dietro la testa di taglio 16, come pure il sistema 18 di sostegno e scarico del profilato 12.

In tal modo, la testa di taglio 16 può lavorare sia a monte che a valle della testa 14; inoltre, poiché il profilato 12 non à ̈ costretto ad avanzare durante la lavorazione, si riducono notevolmente gli ingombri della macchina e, quindi, i costi di esercizio della stessa, in quanto impiegando il trasporto del laser per mezzo della fibra ottica à ̈ possibile lavorare tra le teste 14 e 15 (solitamente lunghezze di profilati 12 pari a circa 12 metri) senza allungare il banco di lavoro 10 né aumentare i costi dell’impianto.

In particolare, l’applicazione di un laser ad alta brillanza generato e trasportato in fibra consente di realizzare il movimento meccanico sopra menzionato, eliminando altresì il percorso ottico a specchi previsto tra il generatore e la testa di taglio 16 nel caso di utilizzo di un laser a CO2di tipo noto.

Inoltre, impiegando un laser in fibra si ottiene un notevole risparmio energetico, con un rendimento di circa il 30%, contro il 10% di rendimento di un laser a CO2, ed una potenza elettrica ridotta di circa il 60%, a parità di prestazioni.

Ancora, il fatto di mantenere ferma in posizione la testa 15 consente di considerare l’inerzia del profilato 12 solo rotante (e non di traslazione longitudinale) e ciò si traduce in una maggiore precisione di taglio, minori costi di produzione e di esercizio e semplicità di esecuzione dell’impianto.

Un altro notevole vantaggio à ̈ costituito dall’assenza del percorso a specchi di connessione tra il generatore e la testa di taglio laser, in quanto in tal modo si eliminano i costi di realizzazione dello stesso ed ulteriori costose manutenzioni.

Infine, impiegando il laser in fibra ad alta brillanza per la macchina da taglio secondo l’invenzione, il solco di taglio à ̈ dimezzato, rispetto all’arte nota, così come le polveri di taglio ed i fumi risultano dimezzati.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche della macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati, che à ̈ oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

E’ chiaro, infine, che numerose altre varianti possono essere apportate alla macchina di taglio laser in questione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell’idea inventiva, così come à ̈ chiaro che nella pratica attuazione dell’invenzione i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Macchina per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati, comprendente sostanzialmente un banco di appoggio (10) di almeno un profilato (12) in lavorazione, un corpo principale di taglio (13), associato ad una prima testa (14), all’interno della quale à ̈ posizionato detto profilato (12), ed una seconda testa (15), all’interno della quale à ̈ fissata un’estremità (20) del profilato (12) disposta da parte opposta rispetto a detto corpo principale di taglio (13), in cui detto corpo principale di taglio (13) include almeno una testa di taglio laser (16) connessa ad almeno un generatore laser in fibra ottica, caratterizzata dal fatto che, durante il funzionamento della macchina, detta seconda testa (15) à ̈ mantenuta stabilmente in posizione, mentre detta prima testa (14) e detto corpo principale di taglio (13) sono posti in traslazione rispetto a detto profilato (12).
2. 2. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto profilato (12) Ã ̈ sostenuto da una serie di lunette (11) poste superiormente al banco di appoggio (10).
3. 3. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto banco di appoggio (10) include un sistema (18) per il sostegno del materiale durante la lavorazione e per lo scarico automatico del materiale lavorato.
4. 4. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta testa di taglio laser (16) à ̈ equipaggiata con un sistema di controllo automatico dell’altezza di tipo capacitivo e con un sistema di controllo anticollisione.
5. 5. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta testa di taglio laser (16) Ã ̈ munita di un ugello di taglio (17) e di un sistema di adduzione di gas al generatore laser ad alta pressione e/o ad aria compressa.
6. 6. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto generatore laser in fibra genera una radiazione ottica all’interno di una fibra ottica, quale mezzo attivo, impiegando altresì singoli diodi al quarzo di pompaggio in grado di eccitare gli ioni di drogante, e lenti o reticoli di Bragg in fibra ottica, che realizzano la cavità risonante.
7. 7. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che una fibra di trasporto, che movimenta il fascio laser a bordo macchina, à ̈ inserita all’interno di una guaina protettiva, inserita, a sua volta, in una catena porta-cavi, a tubi flessibili, con raggi di curvatura controllati.
8. 8. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta seconda testa (15) presenta un moto di rotazione.
9. 9. Macchina di taglio laser come alla rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta prima testa (14) trasla longitudinalmente rispetto all’asse del profilato (12), insieme con detta testa di taglio (16) e detto sistema (18) di sostegno e scarico del profilato (12), in modo che detta testa di taglio (16) possa lavorare sul profilato (12) sia a monte che a valle di detta prima testa (14) e, in particolare, tra detta prima (14) e detta seconda testa (15).
10. 10. Metodo per il taglio laser di profilati cilindrici o prismatici allungati implementabile per mezzo di una macchina di taglio laser come alla rivendicazione 1.