IT201600070352A1

IT201600070352A1 - Procedimento di lavorazione laser di un materiale metallico con controllo della distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in un piano di lavorazione, nonché macchina e programma per elaboratore per l'attuazione di un tale procedimento.

Info

Publication number: IT201600070352A1
Application number: IT102016000070352A
Authority: IT
Inventors: Maurizio Sbetti
Original assignee: Adige Spa
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-01-06
Also published as: AU2017292404B2; KR20190038798A; EP3481584B1; UA124704C2; IL263807A; TWI714794B; JP6943889B2; HUE052572T2; BR112019000194A2; KR102426820B1; MX2018015866A; CA3028129A1; TW201811475A; ES2836285T3; IL263807B; SG11201811327RA; RU2019100855A; AU2017292404A1; PT3481584T; US20190151985A1

Description

“Procedimento di lavorazione laser di un materiale metallico con controllo della distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in un piano di lavorazione, nonché macchina e programma per elaboratore per l'attuazione di un tale procedimento”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda la lavorazione laser di un materiale metallico, più specificamente un procedimento di lavorazione laser per il taglio, la foratura o la saldatura di detto materiale, come specificato nel preambolo della rivendicazione indipendente 1.

Secondo ulteriori aspetti, la presente invenzione riguarda una macchina per la lavorazione laser di un materiale metallico predisposta per attuare il procedimento di lavorazione laser, ed un programma per elaboratore comprendente uno o più moduli di codice per l'attuazione del suddetto procedimento quando il programma è eseguito da mezzi di elaborazione elettronici.

Nella descrizione e nelle rivendicazioni che seguono, il termine "materiale metallico" è utilizzato per individuare un qualsiasi manufatto metallico, quale una lastra o un profilo allungato avente sezione trasversale indifferentemente chiusa -ad esempio di forma circolare, rettangolare o quadrata cava - o aperta - ad esempio una sezione piatta o una sezione a forma di L, C, U ecc..

Nei processi di lavorazione industriale di metalli, e di lastre e profilati metallici in particolare, il laser è utilizzato come utensile termico per una grande varietà di applicazioni che dipendono dai parametri di interazione del fascio laser con il materiale in lavorazione, specificamente dalla densità di energia per volume di incidenza del fascio laser sul materiale, e dall'intervallo di tempo di interazione.

Ad esempio, indirizzando una bassa densità di energia (dell'ordine delle decine di W per mm<2>di superficie) per un tempo prolungato (dell'ordine dei secondi) si realizza un processo di tempra, mentre indirizzando una elevata densità di energia (dell'ordine delle decine di MW per mm<2>di superficie) per un tempo dell'ordine dei femtosecondi o picosecondi si realizza un processo di fotoablazione. Nella gamma intermedia di densità di energia crescenti e tempo di lavorazione decrescente il controllo di questi parametri permette di realizzare processi di saldatura, taglio, perforazione, incisione, marcatura.

In molti processi, tra cui i processi di lavorazione per foratura e taglio, è necessario apportare un flusso di un gas di assistenza in corrispondenza della regione di lavorazione in cui avviene l'interazione tra il fascio laser ed il materiale, che ha funzioni meccaniche di propulsione del fuso, oppure funzioni chimiche di assistenza alla combustione, o ancora funzioni tecnologiche di schermatura dall’ambiente circostante della regione di lavorazione.

Nel settore della lavorazione laser di materiali metallici, il taglio, la foratura e la saldatura laser sono lavorazioni attuabili da una medesima macchina, la quale è atta a generare un fascio laser focalizzato ad alta potenza avente una prestabilita distribuzione di potenza trasversale in corrispondenza di almeno un piano di lavorazione del materiale metallico, tipicamente un fascio laser con densità di potenza compresa tra 1 e 10000 kW/mm<2>, ed a governare la direzione e la posizione di incidenza del fascio lungo il materiale. La differenza tra i diversi tipi di lavorazione che può essere eseguita su un materiale è sostanzialmente riconducibile alla potenza del fascio laser impiegato ed al tempo di interazione tra il fascio laser ed il materiale sottoposto a lavorazione.

Macchine per la lavorazione laser secondo la tecnica nota sono mostrate nelle figure 1 e 2.

In figura 1 è mostrata schematicamente una macchina per lavorazioni industriali con laser a CO2con un percorso ottico del fascio laser in aria, la quale comprende una sorgente di emissione 10, quale un dispositivo generatore laser a CO2, atta ad emettere un fascio laser monomodale o multimodale B, ed una pluralità di specchi riflettenti 12a, 12b e 12c atti a condurre il fascio laser emesso dalla sorgente di emissione lungo un percorso ottico di trasporto del fascio verso una testa di lavorazione indicata complessivamente con 14 disposta in prossimità di un materiale WP. La testa di lavorazione 14 comprende un sistema ottico di focalizzazione 16 del fascio laser, generalmente costituito da una lente di focalizzazione, atto a focalizzare il fascio laser lungo un asse ottico di propagazione incidente sul materiale metallico. Un ugello 18 è disposto a valle della lente di focalizzazione ed è attraversato dal fascio laser diretto verso un'area di un piano di lavorazione del materiale. L'ugello è atto a dirigere un fascio di un gas di assistenza iniettato da un corrispondente impianto non raffigurato verso l'area di lavorazione sul materiale. Il gas di assistenza è impiegato per controllare l'esecuzione di un processo di lavorazione nonché la qualità della lavorazione ottenibile. Ad esempio, il gas di assistenza può comprendere ossigeno, che favorisce una reazione esotermica con il metallo, permettendo di incrementare le velocità di taglio, o un gas inerte quale è l'azoto che non contribuisce alla fusione del materiale, ma protegge il materiale dalla ossidazione indesiderata ai bordi del profilo di lavorazione, protegge la testa di lavorazione da eventuali schizzi del fuso e può essere altresì impiegato per raffreddare i lati del solco prodotto sul materiale, confinando l’estensione della zona termicamente alterata.

In figura 2 è mostrata schematicamente una macchina per lavorazioni industriali con fascio laser lanciato in fibra ottica. Essa comprende una sorgente di emissione 10, quale un dispositivo generatore laser in grado di lanciare un fascio laser in una fibra di trasporto, ad esempio un laser a fibra drogata con itterbio, oppure un laser a diodo diretto, atto ad emettere un fascio laser monomodale o multimodale, ed un cavo di fibra ottica 12d atto a condurre il fascio laser emesso dalla sorgente di emissione verso la testa di lavorazione 14 disposta in prossimità del materiale M. Alla testa di lavorazione, il fascio laser emergente dalla fibra con una propria divergenza controllata viene collimato da un sistema diottrico di collimazione 20 e riflesso da un sistema catottrico 22 prima di essere focalizzato attraverso un sistema ottico di focalizzazione 16, generalmente costituito da una lente di focalizzazione, lungo un asse ottico di propagazione incidente sul materiale WP che attraversa l'ugello di emissione 18.

In figura 3 è esemplificata una testa di lavorazione 14 secondo la tecnica nota. Con 30 è rappresentato un canale tubolare avente sezioni di forma cilindrica o conica entro il quale è trasmesso il fascio laser, indicato con B. Il fascio laser B generato dalla sorgente di emissione 10 e trasportato alla testa di lavorazione tramite un percorso ottico in aria a riflessioni multiple o in fibra ottica incide collimato su un elemento riflettente deflettore 32 che ne deflette l'asse ottico di propagazione in una direzione di incidenza sul materiale in lavorazione. Il sistema ottico di focalizzazione 16 è intermedio tra l'elemento riflettente deflettore 32 ed un vetrino di protezione 34 disposto a valle, atto a riparare il sistema di focalizzazione da eventuali schizzi del fuso, e comprende un gruppo porta-lente 36 a cui sono accoppiati meccanismi di regolazione meccanica 38 per la taratura del posizionamento della lente trasversalmente alla direzione di propagazione del fascio (assi X-Y) e nella direzione di propagazione del fascio (asse Z).

Il trattamento ottico a cui è sottoposto il fascio laser nella testa di lavorazione è schematizzato nelle figure 4 e 5.

Il fascio laser B proveniente da una sorgente di emissione S, attraverso un percorso di trasporto ottico nello spazio libero o in fibra raggiunge la testa di lavorazione con una predeterminata divergenza. Un sistema ottico di collimazione, rappresentato in figura 4 della lente C, provvede a collimare il fascio laser B indirizzandolo verso un sistema ottico di focalizzazione disposto a valle, rappresentato dalla lente F, atto a produrre un fascio laser focalizzato. In prima approssimazione, un fascio laser ideale, ossia un fascio laser idealmente collimato in raggi paralleli, a valle di un sistema ottico di focalizzazione si concentra in un punto focale secondo le leggi della ottica geometrica. Le leggi fisiche della diffrazione indicano però che il fascio laser anche nella migliore configurazione di collimazione e focalizzazione presenta a valle del sistema ottico di focalizzazione uno spot di focalizzazione di dimensione finita in corrispondenza del proprio waist. Ciò è rappresentato in figura 4 della regione indicata W, che corrisponde all'area di focalizzazione del fascio B. Generalmente, negli impieghi di lavorazione industriale, il piano di lavorazione di un materiale coincide con il piano trasversale in corrispondenza del waist del fascio.

In figura 5 è mostrata la distribuzione della densità di potenza di un fascio laser normalmente collimato, che è tipicamente di forma gaussiana con simmetria rotazionale nel caso di fascio monomodale, ossia con potenza concentrata nell'intorno dell'asse longitudinale del fascio (asse Z) e via via decrescente lungo un mantello periferico, oppure è descrivibile come l'inviluppo di profili gaussiani con simmetria rotazionale nel caso di fascio multimodale.

L’utilizzo di fasci di una radiazione laser monomodale o multimodale descrivibili in prima approssimazione come gaussiani, nel campo delle applicazioni di alta potenza dei laser risponde a esigenze tecnologiche di controllo. Infatti, un fascio gaussiano è descritto facilmente da pochi parametri, ed è facilmente controllabile nella sua propagazione lungo un percorso ottico di trasporto da una sorgente di emissione alla testa di una macchina di lavorazione perché gode della caratteristica di propagarsi senza modificare la distribuzione di potenza, per cui è descrivibile attraverso un valore di raggio ed un valore di divergenza in condizioni di propagazione in campo lontano (nel qual caso si può utilizzare una approssimazione di ottica geometrica). Nelle condizioni di propagazione in campo vicino del fascio focalizzato, lungo una traiettoria di lavorazione dove l'approssimazione di ottica geometrica non vale più, il fascio mantiene comunque la forma gaussiana della distribuzione di potenza in ogni sua sezione trasversale.

Un fascio laser comprendente modi trasversali di ordine superiore presenta, al contrario, una distribuzione di potenza non gaussiana. Tipicamente queste condizioni sono ottenute tramite l’utilizzo di sistemi diottrici (sistemi ottici di tipo trasmissivo, ossia lenti) che modificano la forma del fascio a partire da una distribuzione gaussiana. Caratteristica tipica dei sistemi ottici utilizzati a questo scopo è la loro “staticità” o “rigidezza” rispetto alla configurazione ottica della macchina. Infatti, un determinato sistema ottico viene ideato per produrre una ed una sola geometria di distribuzione di potenza, ad esempio una distribuzione di potenza allargata rispetto alla distribuzione gaussiana per lavorazioni di taglio su grandi spessori del materiale, (dove con "grande spessore" si intende, per laser con lunghezza d'onda nel vicino infrarosso, uno spessore compreso tra circa 4 mm e circa 20 mm), o una distribuzione di potenza ristretta rispetto alla distribuzione gaussiana per lavorazioni di taglio veloce su spessori sottili (dove con "spessore sottile" si intende uno spessore pari o inferiore a 4 mm), ed esso è installato preventivamente nella testa di lavorazione della macchina per cui la geometria della distribuzione di potenza non può essere modificata se non sostituendo il sistema ottico della testa.

Altre soluzioni sono note nella tecnica, in cui la forma della distribuzione di potenza del fascio laser è selezionabile tra due stati predeterminati, ad esempio ottenuti controllando il trasporto del fascio dalla sorgente alla testa di lavorazione nel nucleo della fibra di trasporto o in un mantello intermedio, con ciò modificando il diametro effettivo del fascio in ingresso al sistema ottico di collimazione della testa di lavorazione, o controllando il BPP (Beam Parameter Product), ossia il prodotto tra il raggio dello spot focale e l'angolo di semi divergenza del fascio, o la divergenza alla sorgente, prima del lancio in fibra in modo tale da produrre a valle della focalizzazione fasci corrispondenti aventi diversi diametri e divergenza. In entrambi questi casi, non è possibile rompere la simmetria rotazionale, per costruzione dei dispositivi stessi.

Diversamente dalle soluzioni note sopra menzionate, è stato proposto nel recente passato dal prof. Fleming Ove Olsen un modello descrittivo di lavorazione di taglio, secondo cui la rottura della simmetria rotazionale apporterebbe un vantaggio sul processo: creando una distribuzione di potenza secondaria a mezzaluna posteriormente ad una distribuzione di potenza primaria di picco di forma gaussiana (nella direzione di avanzamento del processo) è possibile irradiare sia il fronte di avanzamento del taglio (tramite la distribuzione di potenza primaria) sia la parte di materiale fuso generata dalla distribuzione di potenza primaria che tende a scendere lungo i fianchi del solco di taglio così prodotto e che si raffredda rapidamente (tramite la distribuzione di potenza secondaria). Tale modello risulta attuabile secondo la tecnica nota mediante un complicato e voluminoso apparato di ricombinazione di un fascio laser complessivo avente una distribuzione di potenza ottenuta a partire dalla combinazione di una pluralità di fasci laser componenti, ognuno dei quali è generato e controllato indipendentemente dagli altri. La domanda di brevetto internazionale WO 2008/052547 riguarda una soluzione del genere. Anche in questo caso, la soluzione costruttiva non permette di riconfigurare agevolmente e rapidamente una macchina durante un processo di lavorazione senza necessità di apportare modifiche sostanziali alla struttura dei componenti ottici.

Benché sia possibile controllare una sorgente laser o un sistema ottico di trasporto di un fascio laser in modo tale da generare modi elettromagnetici trasversali di ordine superiore al modo fondamentale TEM00(corrispondente al fascio gaussiano), essi hanno lo svantaggio di non propagarsi simili a se stessi, per cui anche se in generale si possono ottenere forme di distribuzione della potenza trasversale del fascio laser diverse dalla forma gaussiana ed eventualmente con simmetria diversa da quella rotazionale, ciò è ottenibile solo in una posizione di propagazione (piano focale) del fascio ben definita.

Per questi motivi, nel campo delle lavorazioni laser è sempre stata avvertita l'esigenza di controllare la propagazione del fascio laser affinché esso presenti una distribuzione trasversale di potenza di forma gaussiana (o approssimativamente gaussiana) e di stabilire una volta per tutte la posizione reciproca dell’asse ottico di propagazione del fascio laser rispetto all’asse baricentrico del flusso di gas di assistenza.

Questa scelta progettuale, che nel caso di fascio puramente monomodale rispetta la simmetria rotazionale del fascio e del flusso di gas di assi stenza, dettate rispettivamente dalla distribuzione gaussiana della potenza del fascio laser e dalla sezione circolare della bocca dell’ugello di efflusso del gas di assistenza, consente di garantire l'isotropia del comportamento di ogni processo di lavorazione (taglio, saldatura, etc.) rispetto alle direzioni che la lavorazione può seguire.

L'isotropia del processo rispetto alla traiettorie di lavorazione sul materiale è sempre stata ritenuta vantaggiosa laddove un processo di lavorazione laser è controllato da mezzi elettronici di elaborazione secondo percorsi e geometrie qualsivoglia, predeterminate in sistemi CAD/CAM.

E' opinione diffusa che un sistema fisicamente “sbilanciato” o senza simmetria rotazionale nel punti di incidenza del fascio laser e del gas di assistenza sul materiale determini complessità e difficoltà nel controllo delle traiettorie di lavorazione, o risultati di lavorazione di qualità peggiore.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire un procedimento di lavorazione laser con migliorate prestazioni, in termini di velocità operativa, qualità dei risultati ed economicità del processo.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire un procedimento di lavorazione laser controllabile in tempo reale per ottenere risultati di lavorazione precisi in ogni condizione operativa, attuabile senza accrescere l'ingombro delle attuali macchine.

Secondo la presente invenzione tali scopi vengono raggiunti grazie ad un procedimento di lavorazione laser di un materiale metallico avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrale della presente descrizione.

Forma ulteriore oggetto dell'invenzione una macchina per la lavorazione laser di un materiale metallico ed un programma per elaboratore, come rivendicato.

In sintesi, la presente invenzione trae lo spunto dalla considerazione che il controllo della distribuzione di potenza di un fascio laser, ed eventualmente la rottura della simmetria rotazionale del fascio, può consentire di ottenere prestazioni migliori, in termini di velocità, qualità ed economicità del processo di lavorazione in quanto permette di localizzare o espandere la distribuzione di potenza dove occorre in relazione alla traiettoria di lavorazione e di sfruttare una parte della potenza laser disponibile per operazioni accessorie alla lavorazione principale, ad esempio per il riscaldamento/mantenimento del fuso in una operazione di taglio o foratura, ciò che agevola l'allontanamento dello stesso dal materiale in lavorazione per mezzo del flusso di gas di assistenza e consente di raggiungere una purezza dei profili e delle superfici di taglio superiore a quella ottenibile mediante processi basati su una distribuzione di potenza di forma gaussiana a parità di prestazione.

Secondo l'invenzione, l'applicazione delle considerazioni suesposte ai sistemi della tecnica nota è raggiunta realizzando un controllo efficiente della distribuzione trasversale di potenza del fascio laser di lavorazione per mezzo di un controllo della conformazione del fascio laser in tempo reale. La conformazione del fascio laser è convenientemente controllata per determinare nel piano di lavorazione una distribuzione trasversale di potenza ad esempio compresa tra una distribuzione di tipo gaussiano di diametro prestabilito, una distribuzione anulare (donut), una distribuzione a profilo piatto per un diametro predeterminato (flat top o top hut), una distribuzione complessa a simmetria circolare ottenibile per sovrapposizione concentrica di una distribuzione gaussiana ed una distribuzione anulare esternamente concentrica alla distribuzione gaussiana, una distribuzione complessa asimmetrica comprendente una distribuzione di potenza primaria di picco di forma gaussiana ed una distribuzione di potenza secondaria a mezzaluna posteriormente alla distribuzione di potenza primaria, descritta in letteratura (F. O. Olsen, K. S. Hansen, and J. S. Nielsen, “Multibeam fiber laser cutting,” J. Laser Appl., vol. 21, p. 133, 2009), una distribuzione astigmatica di sezione ellittica, e combinazioni varie di essi.

La conformazione del fascio laser può essere inoltre convenientemente controllata per determinare nel piano di lavorazione una distribuzione trasversale di potenza corrispondente ad una pluralità (ad esempio, una coppia) di fasci gaussiani spazialmente correlati - ad esempio accoppiati secondo una predeterminata relazione di evoluzione temporale ed adiacenti entro una zona di erogazione del flusso di gas di assistenza, la cui posizione reciproca e/o rispetto al baricentro della suddetta distribuzione entro la zona di erogazione del flusso di gas può essere controllata nel tempo in modo sincrono o asincrono.

La presente invenzione si fonda sul principio di utilizzare un sistema ottico a deformazione controllata, per sé noto in applicazioni scientifiche per il trattamento di segnali ottici (quindi di radiazione ottica a bassissima potenza), per conformare un fascio laser ad elevata densità di potenza per applicazioni industriali.

L'applicazione di un sistema ottico a deformazione controllata in un sistema ottico di trasporto del fascio laser, permette di ampliare la gamma di conformazioni del fascio laser ottenibili in modo rapidamente modificabile e conseguentemente ottenere migliorate prestazioni nei processi di lavorazione o di attuare innovativi procedimenti di lavorazione.

Vantaggiosamente, il procedimento oggetto dell'invenzione consente di controllare in tempo reale un processo di lavorazione laser conformando la distribuzione di potenza del fascio laser nell'intorno dell'asse ottico originario, ovviando alla necessità di adottare sistemi ottici specifici per rispettive geometrie di distribuzione di potenza a seconda dell'applicazione desiderata, o di controllare certi parametri del fascio allo stadio di generazione o di trasporto del fascio, ossia lontano dalla testa di lavorazione, ciò che può essere realizzato soltanto attraverso l'intervento di un operatore in sede di impostazione della macchina per una predeterminata lavorazione.

Ancora più vantaggiosamente, il procedimento oggetto dell'invenzione consente di controllare la distribuzione trasversale della potenza del fascio laser secondo una pluralità di forme predefinite con un tempo di assestamento rapido di modo che tale controllo non solo possa essere eseguito come “impostazione preparativa” in vista di un ciclo di lavorazione, ma possa essere attuato in tempo reale nel corso di un processo di lavorazione, così da controllare la distribuzione trasversale della potenza del fascio laser lungo la traiettoria di lavorazione sul materiale.

In altri termini, il procedimento oggetto dell'invenzione consente di impostare automaticamente e sviluppare una predeterminata strategia di distribuzione trasversale della potenza del fascio laser nel corso di un processo di lavorazione, ad esempio controllando istantaneamente la distribuzione trasversale della potenza del fascio laser ad un predeterminato piano di lavorazione del materiale rispetto alla sua superficie libera e ad una predeterminata posizione e secondo un determinato orientamento rispetto alla direzione corrente della traiettoria di lavorazione (la direzione di avanzamento del processo).

Il procedimento oggetto dell'invenzione consente inoltre di impostare automaticamente una strategia variabile di modifica della distribuzione trasversale della potenza del fascio laser nel corso di un processo di lavorazione, ad esempio in funzione della posizione spaziale dell'area di lavorazione sul materiale lungo una predeterminata traiettoria di lavorazione, o della direzione istantanea di tale traiettoria, il tutto in funzione, ad esempio, dello spessore del materiale in lavorazione. Per spessori importanti, ad esempio paro o superiori a 4 mm, la necessità tecnologica del processo è quella di creare un solco largo, che permetta una agevole espulsione del materiale fuso, e che mantenendo una alta viscosità del fuso stesso garantisca una ridotta o nulla adesione del fuso sulle pareti del solco stesso, fornendo in ultima analisi un taglio esente da bava, e con rugosità ridotta rispetto a quella ottenibile con fascio gaussiano. Una distribuzione del fascio non simmetrica, come quella ad esempio in cui il fascio si compone di una componente centrale gaussiana e di una componente a mezzaluna arretrata rispetto alla direzione di avanzamento, risponde alle esigenze di miglioramento del processo, e contemporaneamente necessita di poter essere ruotata rispetto alla superficie del materiale, in accordo con la direzione istantanea del percorso di taglio, per sua natura tipicamente non fissa. Nel caso dell’utilizzo di due fasci accoppiati secondo una predeterminata relazione di evoluzione temporale, l’invenzione permette di controllarne la posizione sia sul piano di incidenza sul materiale, che in profondità nello spessore del materiale stesso, in modo tale da illuminare istantaneamente, ed ad alta frequenza un volume del materiale mentre la lavorazione procede lungo una traiettoria predeterminata (ossia mentre la distribuzione di potenza ottica complessiva insegue il fronte di taglio). Anche in questo caso si ottiene una ridotta viscosità del volume fuso in espulsione dal solco.

Il controllo della distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico è attuato secondo l'invenzione in un intorno predeterminato dell'asse del flusso di gas di assistenza che definisce una zona di erogazione di detto flusso. La zona di erogazione del flusso di gas di assistenza - che rappresenta il campo volumetrico di azione del procedimento di controllo oggetto dell'invenzione - è identificabile come “volume di rispetto” dell'ugello di una testa di lavorazione, ugello che tipicamente presenta una bocca il cui diametro è compreso tra 1 mm e 3,5 mm, e presenta dimensioni tipiche di un tronco di cono con altezza da 6 mm a 20 mm, base minore (in corrispondenza dell'ugello) di diametro pari al diametro della bocca dell'ugello maggiorato da 1 a 3 mm, e base maggiore la cui dimensione caratteristica è funzione dell'altezza del volume troncoconico e dell'angolo di inclinazione della retta generatrice, che è compreso tipicamente tra 15 e 30 gradi. Convenientemente, il volume dell’ugello è il più ridotto possibile, ed esso presenta un aspetto il più sfinato possibile, in modo tale da poter operare anche all’interno di concavità delle superfici da lavorare.

Vantaggiosamente, il controllo automatico attuato dal procedimento oggetto dell'invenzione può essere realizzato in tempo reale con frequenze operative comprese tra 100 Hz e 10 kHz.

Un sistema di controllo atto a realizzare il procedimento oggetto dell'invenzione si distingue vantaggiosamente dai sistemi della tecnica nota, perché è integrabile presso una testa di lavorazione, ossia è indipendente dalla generazione del fascio laser e dal suo trasporto fino alla testa di lavorazione.

Inoltre, diversamente dalle soluzioni note di impostazione o messa in servizio di una macchina per una specifica lavorazione, in cui la distribuzione trasversale della potenza del fascio laser è regolabile per effetto di un intervento manuale di un operatore di sostituzione di ottiche specifiche, o in cui la modifica della distribuzione trasversale della potenza del fascio laser è attuata tra un numero assai limitato di forme predefinite, il procedimento oggetto dell'invenzione consente di controllare efficacemente in tempo reale la distribuzione trasversale della potenza del fascio laser in funzione della localizzazione del fascio lungo una traiettoria di lavorazione, per cui è possibile modificare la distribuzione trasversale della potenza del fascio laser in modo puntuale dipendentemente dalle condizioni di lavorazione programmate che ricorrono in corrispondenza di predeterminate posizioni lungo la traiettoria di lavorazione. Tali condizioni di lavorazione programmate includono, a titolo esemplificativo, ma non limitativo, la posizione di lavorazione corrente (o, più in generale, l'area del piano di lavorazione corrente) lungo una traiettoria di lavorazione predeterminata e/o la direzione corrente della traiettoria di lavorazione sul materiale e/o la direzione di traslazione corrente dell'asse del flusso di gas di assistenza, nonché la tipologia di lavorazione prevista ad una determinata posizione di lavorazione (ad esempio, la commutazione tra un processo di foratura, approccio al taglio, taglio).

In un processo di foratura di un materiale il procedimento dell'invenzione consente di migliorare il processo rendendolo controllabile in tempo reale e più efficace, ad esempio realizzando una successione di operazioni di lavorazione comprendenti almeno una prima fase includente una irradiazione di una predeterminata serie di primi impulsi a fascio stretto in una predeterminata posizione fissa sul materiale in lavorazione, ed una seconda fase includente una irradiazione di un fascio laser in avanzamento lungo una traiettoria di lavorazione predeterminata con diametro in allargamento per permettere lo sfogo del materiale fuso.

Secondo un ulteriore esempio di un processo di foratura, è realizzata una successione di operazioni di lavorazione comprendenti - in una prima fase - una irradiazione di una prima serie predeterminata di impulsi a fascio stretto in una predeterminata coordinata di foratura sul materiale in lavorazione, il cui asse di propagazione è centrato nel volume di rispetto del flusso di gas di assistenza, e - in una seconda fase - una irradiazione (continua o impulsata) di un fascio laser secondo un movimento circolare o spirale concentrico a detta predeterminata coordinata di foratura, atta a "rimescolare" il fuso mentre si conclude la fase di foratura.

In un processo di taglio di un materiale il procedimento dell'invenzione consente di migliorare il processo rendendolo controllabile in tempo reale e più efficace, ad esempio realizzando una successione di operazioni di lavorazione comprendenti: - la modifica del diametro del fascio in funzione dello spessore locale del materiale da tagliare o della specifica lavorazione di taglio richiesta (ad esempio taglio a solco continuo o smusso a spigolo inclinato); e/o

- la contestuale modifica della distribuzione di potenza del fascio a favore di un modo a profilo piatto, al fine di ridurre, rispetto alla distribuzione gaussiana, la percentuale di potenza del fascio laser irradiata sia al centro del solco di taglio, che ai suoi lati, che altrimenti verrebbero riscaldati inutilmente generando una dispersione di energia per conduzione laterale, con conseguente generazione di materiale fuso a bassa temperatura, che si rideposita prima di uscire dal solco, creando bava; e/o

- la contestuale modifica della distribuzione di potenza del fascio a favore di un modo di tipo anulare, eventualmente combinato in sovrapposizione con una distribuzione gaussiana localizzata assialmente, atta ad aumentare la temperatura delle code del materiale fuso in espulsione, in modo tale da eliminare la bava; e/o

- la rottura della simmetria rotazionale e la distribuzione di ciascuna delle forme descritte in precedenza nella direzione di taglio, e relativa troncatura nelle altre direzioni e nel verso di espulsione del materiale dal solco; e/o - la rottura della simmetria rotazionale e l'enfatizzazione della distribuzione di potenza nella direzione di avanzamento della lavorazione, mediante un fascio ellittico istantaneamente diretto lungo la direzione di taglio.

Vantaggiosamente, in aggiunta alla realizzazione di differenti distribuzioni trasversali di potenza del fascio laser, l'invenzione riguarda anche la possibilità di controllare altre due dimensioni del processo: la profondità ed il tempo.

Infatti, le distribuzioni trasversali di potenza sopra descritte possono essere ottenute solo in un piano focale ben definito, con un intervallo (o “spessore”) di coerenza lungo la direzione di propagazione del fascio (caustica del fascio nell'intorno del piano di miglior focalizzazione) che dipende dal sistema ottico di focalizzazione impiegato. La soluzione tecnica oggetto dell'invenzione consente di controllare la posizione del piano focale lungo la direzione di propagazione del fascio in cui si stabilisce la distribuzione di potenza desiderata, per cui la profondità del piano di lavorazione rispetto alla superficie del materiale è un ulteriore parametro di processo modificabile in linea. Questa caratteristica è rilevante, perché permette una flessibilità tridimensionale nel controllo di un processo di lavorazione di un materiale diversamente dai sistemi della tecnica nota, tra cui sistemi a scanner con specchi galvanometrici, che tipicamente presentano una sola posizione focale, non regolabile se non muovendo l'intera testa di lavorazione rispetto al materiale.

Inoltre, controllando la distribuzione del fascio ed il suo posizionamento nello spazio rapidamente, ossia con frequenze superiori a quelle relative ai tempi di interazione tipici del processo (sopra i 100 Hz, ma fino anche a 10 kHz) è possibile definire un volume apparente di interazione tra fascio laser e materiale di forma arbitraria semplicemente controllando in un tempo ridotto una sequenza di distribuzioni di potenza del fascio, il cui inviluppo costituisce detto volume apparente.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

le figure 1 e 2 sono esempi di macchine per lavorazione laser secondo la tecnica nota;

la figura 3 mostra un esempio di struttura di una testa di lavorazione di una macchina laser secondo la tecnica nota;

le figure 4 e 5 mostrano una rappresentazione schematica della conformazione di un fascio laser per applicazioni di lavorazione industriale di materiali metallici secondo la tecnica nota;

la figura 6 è una schematizzazione di un percorso ottico di un fascio laser in una testa di lavorazione atta a realizzare il procedimento oggetto dell'invenzione;

la figura 7 è una rappresentazione schematica di un elemento riflettente a superficie controllata per la conformazione del fascio ottico per l'attuazione del procedimento oggetto dell'invenzione;

la figura 8 è uno schema a blocchi di una elettronica di controllo di una macchina per la lavorazione laser, atta a realizzare un procedimento di lavorazione secondo l'invenzione;

la figura 9 è un grafico che mostra una distribuzione trasversale di potenza di forma gaussiana, rispettivamente mediante una rappresentazione tridimensionale dell'intensità del fascio ed una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano trasversale di focalizzazione;

la figura 10a è un grafico che mostra una distribuzione trasversale di potenza a profilo piatto, rispettivamente mediante una rappresentazione tridimensionale dell'intensità del fascio ed una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano trasversale di focalizzazione;

la figura 10b è un grafico che mostra la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, atta a generare la distribuzione trasversale di potenza di figura 10a;

la figura 10c è un grafico che mostra l'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio (in rappresentazione bidimensionale) lungo la direzione di propagazione del fascio medesimo, che presenta un profilo piatto in corrispondenza del piano di lavorazione;

la figura 11a è un grafico che mostra una distribuzione trasversale di potenza a profilo anulare reale, rispettivamente mediante una rappresentazione tridimensionale dell'intensità del fascio ed una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano trasversale di focalizzazione;

la figura 11b è un grafico che mostra la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, atta a generare la distribuzione trasversale di potenza di figura 11a;

la figura 11c è un grafico che mostra l'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio (in rappresentazione bidimensionale) lungo la direzione di propagazione del fascio medesimo, che presenta un profilo anulare in corrispondenza del piano di lavorazione;

la figura 12a è un grafico che mostra una distribuzione trasversale di potenza a profilo anulare ottenibile con un elemento riflettente inclinato a 45° rispetto alla direzione di incidenza del fascio, rispettivamente mediante una rappresentazione tridimensionale dell'intensità del fascio ed una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano trasversale di focalizzazione;

la figura 12b è un grafico che mostra la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, atta a generare la distribuzione trasversale di potenza di figura 12a;

la figura 13a è un grafico che mostra una distribuzione trasversale di potenza a profilo a simmetria circolare ottenibile per sovrapposizione concentrica di una distribuzione gaussiana ed una distribuzione anulare esternamente concentrica alla distribuzione gaussiana, rispettivamente mediante una rappresentazione tridimensionale dell'intensità del fascio ed una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano trasversale di focalizzazione;

la figura 13b è un grafico che mostra la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, atta a generare la distribuzione trasversale di potenza di figura 13a;

la figura 13c è un grafico che mostra l'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio (in rappresentazione bidimensionale) lungo la direzione di propagazione del fascio medesimo, che presenta un profilo del tipo descritto in figura 13a (anche descrivibile come gaussiano-anulare) in corrispondenza del piano di lavorazione;

la figura 14a è un grafico che mostra una distribuzione trasversale di potenza a profilo ellittico, rispettivamente mediante una rappresentazione tridimensionale dell'intensità del fascio ed una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano trasversale di focalizzazione;

la figura 14b è un grafico che mostra la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, atta a generare la distribuzione trasversale di potenza di figura 14a;

la figura 14c è un grafico che mostra l'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio (in rappresentazione bidimensionale) lungo la direzione di propagazione del fascio medesimo, che presenta un profilo ellittico in corrispondenza del piano di lavorazione;

la figura 15a è un grafico che mostra una distribuzione trasversale di potenza come descritta da Olsen, rispettivamente mediante una rappresentazione tridimensionale dell'intensità del fascio ed una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano trasversale di focalizzazione;

la figura 15b è un grafico che mostra la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, atta a generare la distribuzione trasversale di potenza di figura 15a;

la figura 15c è un grafico che mostra l'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio (in rappresentazione bidimensionale) lungo la direzione di propagazione del fascio medesimo, che presenta un profilo come descritto da Olsen in corrispondenza del piano di lavorazione; e

le figure 16 e 17 sono rappresentazioni schematiche di esempi di lavorazione secondo il procedimento oggetto della presente invenzione.

Le figure da 1 a 5 sono state descritte in precedenza con riferimento alla tecnica nota, ed i loro contenuti si intendono qui richiamati in quanto comuni alla realizzazione di una macchina di lavorazione controllata per attuare un procedimento di lavorazione secondo gli insegnamenti della presente invenzione.

Un percorso ottico di un fascio laser nella testa di lavorazione di una macchina per la lavorazione laser di materiali metallici secondo l'invenzione è schematizzato in figura 6.

Il sistema ottico di figura 6 comprende un dispositivo di ingresso 100 di un fascio laser B, quale ad esempio l'estremità di un cavo in fibra ottica o un sistema ottico di raccolta di un fascio propagato da una sorgente di emissione lungo un percorso ottico nello spazio libero, dal quale il fascio laser B emerge con una predeterminata divergenza.

A valle del dispositivo di ingresso 100 è disposto un sistema ottico di collimazione 120, ad esempio una lente di collimazione (tipicamente una lente di collimazione per una testa di lavorazione di una macchina di taglio laser presenta una focale da 50 mm a 150 mm), a valle del quale il fascio laser collimato è condotto verso un sistema ottico di focalizzazione 140, ad esempio una lente di focalizzazione (tipicamente una lente di focalizzazione per una testa di lavorazione di una macchina di taglio laser presenta una focale da 100 mm a 250 mm, nel caso della saldatura laser la focale può arrivare anche fino a 400 mm), predisposto per focalizzare il fascio su un piano di lavoro Π attraverso uno schermo o vetro di protezione 160.

Nel percorso ottico tra il sistema ottico di collimazione 120 ed il sistema ottico di focalizza zione 140 sono interposti mezzi ottici di conformazione del fascio 180.

In particolare, con riferimento alla schematizzazione del percorso ottico di un fascio laser mostrato in figura 6, la presente invenzione attiene alla realizzazione dei mezzi ottici di conformazione del fascio laser 180 ed al controllo di detti mezzi per realizzare una distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in modo controllato in corrispondenza di un predeterminato piano di lavorazione del materiale. In figura, i mezzi ottici di conformazione del fascio laser 180 sono mostrati in una architettura di realizzazione esemplificativa, in cui sono disposti con il proprio asse di simmetria a 45° rispetto alla direzione di propagazione del fascio.

Allo scopo, i mezzi ottici di conformazione del fascio laser 180 sono realizzati come un elemento riflettente deformabile a superficie controllata 200, comprendente una pluralità di aree di riflessione indipendentemente movimentabili, come schematizzato in figura 7, le quali, in una condizione di riposo, definiscono una superficie riflettente che giace su un piano di riflessione di riferimento. Detto elemento riflettente deformabile a superficie controllata 200 realizza uno specchio a lamina continua, la cui superficie riflettente è modificabile tridimensionalmente rispetto alla superficie riflettente piana di riferimento adottata in condizione di riposo. Detto elemento riflettente deformabile a superficie controllata 200 presenta una superficie riflettente a curvatura continua includente una pluralità di aree di riflessione alle quali è associata posteriormente una corrispondente pluralità di moduli di movimentazione, indicati in figura con 200a, 200b, ..., ed è convenientemente trattato per l'impiego ad alte potenze ottiche, grazie all’utilizzo congiunto di un rivestimento ad alta riflettività (almeno pari al 99%) alla lunghezza d’onda del fascio laser, e di un montaggio su di un supporto a contatto, raffreddato ad acqua per canalizzazione diretta. I moduli di movimentazione sono solidali alla superficie riflettente a curvatura continua e sono indipendentemente movimentabili. Le aree di riflessione della superficie riflettente a curvatura continua sono prive di spigoli tra loro, ossia la superficie riflettente complessiva presenta derivate locali continue lungo tutte le direzioni. La movimentazione di detta pluralità di moduli di movimentazione 200a, 200b, include movimenti di traslazione delle corrispondenti aree di riflessione, quali avanzamenti o arretramenti rispetto alla superficie riflettente piana di riferimento adottata in condizione di riposo o movimenti di rotazione delle corrispondenti aree di riflessione intorno ad un asse parallelo alla superficie riflettente piana di riferimento adottata in condizione di riposo, o ancora una combinazione di questi. Le deformazioni della superficie riflettente, ossia le movimentazioni dei moduli di movimentazione 200a, 200b, ... sono attuate preferibilmente mediante tecniche piezoelettriche per sé note, che rendono possibile controllare la movimentazione dei moduli di movimentazione e la conseguente disposizione delle aree di riflessione, ossia una loro modifica di disposizione conseguente ad una combinazione di movimentazione per traslazione e/o rotazione di ciascun modulo in un predeterminato numero di gradi di libertà indipendentemente dagli altri, tipicamente su corse dell'ordine di /-40 um, mediante le quali è possibile ottenere approssimazioni di superfici a curvatura continua definite da combinazioni dei polinomi di Zernike, attraverso le quali è possibile (almeno in linea teorica e con sufficiente approssimazione in pratica per gli scopi desiderati) attuare una regolazione della posizione dell'asse ottico di propagazione del fascio laser o più in generale un controllo della distribuzione di potenza trasversale del fascio laser, secondo gli scopi delle applicazioni di lavorazione desiderate.

In figura 7 è mostrata una forma di realizzazione preferita dell'elemento riflettente 200 a profilo ellittico e dei relativi moduli di movimentazione posteriori, adottata per un angolo di incidenza del fascio laser collimato di 45°, come mostrato nello schema di figura 6. Tale forma di realizzazione è da intendersi come puramente esemplificativa e non limitativa dell'attuazione dell'invenzione. In una differente forma di realizzazione preferita, in cui l'incidenza del fascio laser collimato è perpendicolare o quasi perpendicolare alla superficie dell'elemento 200 nella condizione di riposo, il profilo dell'elemento riflettente 200 è un profilo circolare.

Nella forma di realizzazione dell'elemento riflettente a profilo ellittico, esso presenta un asse maggiore di 38 mm ed un asse minore di 27 mm, corrispondenti alla dimensione massima di apertura trasversale del fascio laser incidente sullo specchio ottenibile dal sistema ottico di collimazione 120.

Specificamente, in una forma di realizzazione preferita, detto elemento riflettente deformabile a superficie controllata 200 include una pluralità di aree di riflessione indipendentemente movimentabili per mezzo di una corrispondente pluralità di moduli di movimentazione che comprendono un'area centrale ed una pluralità di ranghi di settori di corona circolare concentrici a detta area centrale. Nella forma di realizzazione attualmente preferita, i ranghi di settori di corona circolare concentrici sono in numero di 6, i settori di corona circolare sono in numero di 8 per ogni rango, e l'altezza dei settori di corona circolare è crescente dal primo al terzo rango e dal quarto al sesto rango in direzione radiale verso l'esterno dell'elemento riflettente. L'altezza dei settori di corona circolare del quarto rango è intermedia tra l'altezza dei settori di corona circolare del primo e secondo rango. Preferibilmente, al fine di semplificare la struttura di controllo dell'elemento riflettente 200 così progettato, la pluralità di settori circolari che costituiscono la corona circolare periferica può essere fissa, e solo i ranghi di settori di corona circolare interni ad essa sono movimentabili, in maniera tale da poter impiegare un numero di attuatori complessivo limitato a 41.

In generale, i numeri di ranghi di settori circolari, il numero di settori di corona circolare e l'altezza dei settori di corona circolare sono determinati in funzione delle geometrie di superficie riflettente necessarie per l'ottenimento di predeterminate distribuzioni di potenza trasversale del fascio laser desiderabili, attraverso procedure di simulazione dell'andamento delle distribuzioni di potenza trasversale di un fascio laser incidente sull'elemento riflettente per un selezionato numero di aree di riflessione. Infatti, la deformabilità controllata della superficie di riflessione dell'elemento 200 induce variazioni controllate dell'intensità del fascio laser nel piano focale agendo sulla fase del fascio laser. Nella forma di realizzazione attualmente preferita, la deformazione della superficie dell'elemento riflettente 200 è controllata in modo tale da determinare una superficie riflettente riconducibile ad una combinazione di polinomi di Zernike. In tal modo, la distribuzione dell'intensità del fascio laser nel piano focale in funzione delle variazioni di fase controllate mediante la movimentazione delle aree di riflessione dell'elemento riflettente 200 può essere vantaggiosamente simulata con metodi di calcolo matematico.

La geometria di suddivisione della superficie dell'elemento riflettente 200 illustrata in figura 7 - corrispondente alla geometria dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione - è stata determinata dagli inventori attraverso una procedura di simulazione per ottenere differenti forme di distribuzione di potenza trasversale con una grande libertà di conformazione del fascio, anche non legate alla conservazione della sua simmetria rotazionale. Diversamente, per applicazioni strettamente legate alla distribuzione di potenza gaussiana, in cui non è richiesta una modifica della forma della distribuzione di potenza, ma solo la sua dislocazione rispetto all'asse di propagazione ottico, è possibile ricorrere a geometrie più semplici, ad esempio a ranghi equi-spaziati, ossia in cui l'altezza dei settori di corona circolare è costante tra tutti i ranghi di settori. Per applicazioni in cui deve essere conservata una simmetria rotazionale della distribuzione di potenza del fascio è invece possibile prevedere solo una pluralità di aree di riflessione e rispettivi moduli di movimentazione a forma di corone circolari, radialmente indipendenti.

In figura 8 è rappresentato uno schema circuitale di un sistema elettronico di controllo di una macchina di lavorazione laser di materiali metallici per l'attuazione del procedimento oggetto dell'invenzione.

Il sistema comprende mezzi elettronici di elaborazione e controllo indicati in figura nel complesso con ECU, che possono essere integrati in un'unica unità di elaborazione a bordo macchina o realizzati in forma distribuita, per cui comprendono moduli di elaborazione dislocati in diverse parti della macchina, tra cui, ad esempio, la testa di lavorazione.

Mezzi di memoria M associati ai mezzi elettronici di elaborazione e controllo ECU recano memorizzato un modello o programma di lavorazione prestabilito, ad esempio comprendente una traiettoria di lavorazione prestabilita sotto forma di istruzioni di movimentazione della testa di lavorazione e/o del materiale in lavorazione, e parametri fisici di lavorazione indicativi della distribuzione di potenza del fascio ottico, intensità di potenza del fascio e tempi di attivazione del fascio laser in funzione della traiettoria di lavorazione.

I mezzi elettronici di elaborazione e controllo ECU sono predisposti per accedere ai mezzi di memoria M per acquisire una traiettoria di lavorazione e per controllare l'applicazione del fascio laser di lavorazione lungo detta traiettoria. Il controllo dell'applicazione del fascio laser di lavorazione lungo la predeterminata traiettoria di lavorazione include il controllo dell'erogazione di un flusso di gas di assistenza ed il controllo dell'irradiazione di una predeterminata distribuzione di potenza del fascio laser verso un'area di lavorazione predeterminata per riferimento al modello o programma di lavorazione prestabilito, ossia secondo le informazioni di traiettoria di lavorazione e parametri di lavorazione acquisite dai mezzi di memoria.

Mezzi sensori SENS sono predisposti a bordo macchina per rilevare in tempo reale la posizione reciproca tra la testa di lavorazione ed il materiale in lavorazione, nonché l'evoluzione nel tempo di tale posizione.

I mezzi elettronici di elaborazione e controllo ECU sono predisposti per ricevere dai mezzi sensori SENS segnali indicativi della posizione reciproca tra la testa di lavorazione ed il materiale in lavorazione nel tempo, ossia dell'evoluzione dell'area del piano di lavorazione corrente e/o della direzione corrente della traiettoria di lavorazione nel tempo.

I mezzi elettronici di elaborazione e controllo ECU comprendono un primo modulo di controllo CM1 per il controllo dei parametri meccanici della lavorazione, predisposto per emettere primi segnali di comando CMD1verso un complesso noto di mezzi attuatori, comprendente mezzi attuatori della movimentazione della testa di lavorazione lungo i gradi di libertà ad essa consentiti dalla specifica forma di realizzazione della macchina e mezzi attuatori della movimentazione del materiale in lavorazione rispetto alla posizione della testa di lavorazione, atti a cooperare con i mezzi attuatori della movimentazione della testa di lavorazione per presentare una programmata traiettoria di lavorazione sul materiale in lavorazione in corrispondenza dell'ugello della testa di lavorazione. Questi mezzi attuatori non sono descritti in dettaglio perché noti nella tecnica.

I mezzi elettronici di elaborazione e controllo ECU comprendono un secondo modulo di controllo CM2 per il controllo dei parametri fisici della lavorazione, predisposto per emettere secondi segnali di comando CMD2verso mezzi erogatori del flusso di gas di assistenza e mezzi di controllo della generazione e trasmissione del fascio laser.

I mezzi elettronici di elaborazione e controllo ECU comprendono un terzo modulo di controllo CM3 per il controllo dei parametri ottici della lavorazione, predisposto per emettere terzi segnali di comando CMD3verso l'elemento riflettente deformabile a superficie controllata 200 dei mezzi di conformazione del fascio ottico per l'attuazione dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione indipendentemente movimentabili di detto elemento, ossia per controllarne la disposizione spaziale reciproca (traslazione lungo l'asse ottico dell'elemento riflettente o inclinazione rispetto ad esso). I segnali di comando CMD3sono elaborati per mezzo di un programma per elaboratore comprendente uno o più moduli di codice recanti istruzioni di un modello o programma di controllo per l'attuazione del procedimento oggetto dell'invenzione in funzione della predeterminata conformazione del fascio laser da ottenere, ossia per stabilire una predeterminata distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in funzione delle condizioni istantanee di lavorazione lungo un asse ottico di propagazione incidente sul materiale in un'area di almeno un piano di lavorazione del materiale metallico, il piano di lavorazione del materiale essendo il piano superficiale del materiale o un piano variabile in profondità nello spessore del materiale, ad esempio per operazioni di taglio o foratura di materiali spessi, vale a dire con spessori tipicamente superiori a 1,5 volte la lunghezza di Rayleigh del fascio focalizzato (nel caso tipico, spessori superiori a 4 mm e fino a 30 mm). I suddetti segnali di comando CMD3sono inoltre elaborati dal programma per elaboratore per stabilire la predeterminata distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in un intorno predeterminato dell'asse del flusso di gas di assistenza ed entro una zona di erogazione di detto flusso in funzione delle condizioni istantanee di lavorazione, ossia dell'area del piano di lavorazione corrente e/o della direzione corrente della traiettoria di lavorazione sul materiale metallico.

I mezzi elettronici di elaborazione e controllo ECU sono dunque predisposti per rilevare la posizione corrente e/o la direzione di traslazione corrente dell'asse del flusso di gas di assistenza, per controllare la traslazione relativa dell'asse del flusso di gas di assistenza lungo una traiettoria di lavorazione prestabilita sul materiale metallico e per regolare automaticamente la posizione dell'asse ottico di propagazione del fascio laser o per controllare automaticamente la distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in funzione della posizione corrente e/o della direzione di traslazione corrente rilevata dell'asse del flusso di gas di assistenza.

Una tradizionale distribuzione di potenza di una fascio laser, di profilo gaussiano in una sezione trasversale alla direzione di propagazione corrispondente al piano di lavorazione, è mostrata in figura 9, dove il grafico superiore è una rappresentazione tridimensionale dell'intensità normalizzata del fascio ed il grafico inferiore è una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano di focalizzazione, per un fascio tipico avente un raggio di spot di focalizzazione sull'area del piano di lavorazione dell'ordine di 60 micron.

Secondo un esempio di realizzazione del procedimento oggetto dell'invenzione, è attuata una disposizione delle aree di riflessione dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata atta a stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico avente un profilo gaussiano di diametro predeterminato. Tale disposizione delle aree di riflessione permette di realizzare una superficie sferica dell'elemento riflettente deformabile convessa o concava rispetto alla superficie planare di riferimento, nel caso di incidenza quasi normale, oppure una superficie torica proporzionalmente ad una elongazione ellittica, nel caso di incidenza a 45 gradi. In questa condizione il fascio subisce una (seppur minima) variazione di divergenza. La distribuzione di potenza trasversale del fascio che ne deriva trova applicazioni nei casi in cui è necessario spostare la posizione del punto focale tra differenti piani di lavorazione del materiale, oppure per allargare o restringere il diametro del fascio incidente sulla superficie del materiale stesso.

Secondo un ulteriore esempio di realizzazione del procedimento oggetto dell'invenzione, è attuata una disposizione delle aree di riflessione dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata atta a stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico avente un profilo piatto (flat top o top hut) di diametro predeterminato. La distribuzione di potenza a profilo piatto è mostrata in figura 10a, dove il grafico superiore è una rappresentazione tridimensionale dell'intensità normalizzata del fascio ed il grafico inferiore è una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano di focalizzazione, per un fascio tipico avente un raggio di spot di focalizzazione sull'area del piano di lavorazione dell'ordine di 120 micron. Nel grafico di figura 10b è mostrata la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, in cui gli assi del grafico non sono in scala, l'asse verticale essendo espresso in micron (diversamente dagli assi orizzontali espressi in millimetri) per consentire una migliore visualizzazione del profilo. La corsa massima dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione movimentabili è dell'ordine di 0,5 micron. L'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio lungo la direzione di propagazione è mostrata dal grafico di figura 10c dove il cambiamento della distribuzione di potenza è simulato a diverse profondità dal piano di lavorazione (indicato dalla coordinata 0 lungo l'asse verticale z). In particolare è stata simulata l'evoluzione della distribuzione di potenza in un intervallo di profondità compreso tra 3 millimetri sopra e 3 millimetri sotto il piano di lavorazione, con passo di 1 millimetro.

Secondo un ulteriore esempio di realizzazione del procedimento oggetto dell'invenzione, è attuata una disposizione delle aree di riflessione dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata atta a stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico avente un profilo anulare di diametro predeterminato (donut). La distribuzione di potenza a profilo anulare è mostrata nella figura 11a, dove il grafico superiore è una rappresentazione tridimensionale dell'intensità normalizzata del fascio ed il grafico inferiore è una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano di focalizzazione, per un fascio tipico avente una dimensione di spot di focalizzazione sull'area del piano di lavorazione che presenta un raggio esterno dell'ordine di 180 micron ed un raggio interno dell'ordine di 40 micron, in cui la potenza all'interno della profilo anulare non supera l'1% della potenza complessiva del fascio. Nei grafici in figura 11b sono mostrate le configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, in cui gli assi del grafico non sono in scala, l'asse verticale essendo espresso in micron (diversamente dagli assi orizzontali espressi in millimetri) per consentire una migliore visualizzazione del profilo. La corsa massima dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione movimentabili è dell'ordine di 5 micron. Per realizzare un profilo anulare ideale sarebbe necessario modulare l'elemento riflettente per formare una superficie a cono con un angolo al vertice non realizzabile in virtù della presenza di un'area centrale dell'elemento riflettente di dimensioni finite. Di conseguenza, un profilo anulare reale può essere realizzato ricorrendo alla definizione di una superficie simile, ma con un profilo smussato al vertice che sia fisicamente realizzabile. In ogni caso, l'approssimazione della superficie conica non deteriora eccessivamente la distribuzione di potenza del fascio in termini di quantità di energia dispersa al centro dello spot. L'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio lungo la direzione di propagazione è mostrata dal grafico di figura 11c dove il cambiamento della distribuzione di potenza è simulato a diverse profondità dal piano di lavorazione (indicato dalla coordinata 0 lungo l'asse verticale z). In particolare è stata simulata l'evoluzione della distribuzione di potenza in un intervallo di profondità compreso tra 10 millimetri sopra e 50 millimetri sotto il piano di lavorazione, con passo di 10 millimetri.

Le figure 12a e 12b mostrano rispettivamente la distribuzione di potenza a profilo anulare (donut) e la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile in una condizione in cui l'elemento riflettente è disposto a 45 gradi rispetto alla direzione di incidenza del fascio collimato. La corsa massima dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione movimentabili è dell'ordine di 6 micron.

Secondo un ulteriore esempio di realizzazione del procedimento oggetto dell'invenzione, è attuata una disposizione delle aree di riflessione dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata atta a stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico avente un profilo gaussiano di diametro predeterminato sovrapposto ad un profilo anulare esterno al profilo gaussiano. La distribuzione di potenza secondo il profilo suddetto è mostrata nella figura 13a, dove il grafico superiore è una rappresentazione tridimensionale dell'intensità normalizzata del fascio ed il grafico inferiore è una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano di focalizzazione, per un fascio tipico avente una dimensione di spot di focalizzazione sull'area del piano di lavorazione dell'ordine di 130 micron, in cui la potenza del profilo centrale è dell'ordine del 25% della potenza complessiva del fascio. Nel grafico della figura 13b è mostrata la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, in cui gli assi del grafico non sono in scala, l'asse verticale essendo espresso in micron (diversamente dagli assi orizzontali espressi in millimetri) per consentire una migliore visualizzazione del profilo. La corsa massima dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione movimentabili è dell'ordine di 5 micron In funzione del diametro della area piana centrale dell'elemento riflettente è possibile produrre profili differenti nella ripartizione della potenza complessiva del fascio tra profilo centrale e profilo anulare circostante. L'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio lungo la direzione di propagazione è mostrata nel grafico di figura 13c dove il cambiamento della distribuzione di potenza è simulato a diverse profondità dal piano di lavorazione (indicato dalla coordinata 0 lungo l'asse verticale z). In particolare è stata simulata l'evoluzione della distribuzione di potenza in un intervallo di profondità compreso tra il piano di lavorazione e 60 millimetri sotto il piano di lavorazione, con passo di 10 millimetri.

Come risulta evidente dai grafici mostrati, per applicazioni legate alla modifica della distribuzione di potenza gaussiana al fine di ottenere distribuzioni trasversali a profilo piatto (flat top), anulare (donut), o in combinazione gaussiano-anulare, che conservano la simmetria circolare, l'elemento riflettente deformabile a superficie controllata 200 può includere una pluralità di aree di riflessione indipendentemente movimentabili a forma di corone circolari, radialmente indipendenti.

Secondo un ulteriore esempio di realizzazione del procedimento oggetto dell'invenzione, è attuata una disposizione delle aree di riflessione dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata atta a stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico avente un profilo gaussiano di sezione ellittica, preferibilmente avente un asse di simmetria nell'area del piano di lavorazione orientato in funzione della direzione locale della traiettoria di lavorazione, ad esempio orientato nella direzione di avanzamento della traiettoria di lavorazione. La distribuzione di potenza a profilo gaussiano ellittico è mostrata in figura 14a, dove il grafico superiore è una rappresentazione tridimensionale dell'intensità normalizzata del fascio ed il grafico inferiore è una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano di focalizzazione, per un fascio tipico (monomodale) avente assi dello spot di focalizzazione sull'area del piano di lavorazione dell'ordine di 50 micron e 85 micron, rispettivamente. Nel grafico di figura 14b è mostrata la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, in cui gli assi del grafico non sono in scala, l'asse verticale essendo espresso in micron (diversamente dagli assi orizzontali espressi in millimetri) per consentire una migliore visualizzazione del profilo. La corsa massima dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione movimentabili è dell'ordine di 10 micron. L'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio lungo la direzione di propagazione è mostrata dal grafico di figura 14c dove il cambiamento della distribuzione di potenza è simulato a diverse profondità dal piano di lavorazione (indicato dalla coordinata 0 lungo l'asse verticale z). In particolare è stata simulata l'evoluzione della distribuzione di potenza in un intervallo di profondità compreso tra 20 millimetri sopra e 20 millimetri sotto il piano di lavorazione, con passo di 5 millimetri.

Secondo un ulteriore esempio di realizzazione del procedimento oggetto dell'invenzione, è attuata una disposizione delle aree di riflessione dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata atta a stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico avente un profilo come quello descritto da Olsen, ossia un profilo complesso asimmetrico comprendente una distribuzione di potenza primaria di picco di forma gaussiana ed una distribuzione di potenza secondaria a mezzaluna posteriormente alla distribuzione di potenza primaria, preferibilmente avente un asse di simmetria nell'area del piano di lavorazione orientato in funzione della direzione locale della traiettoria di lavorazione, ad esempio orientato nella direzione di avanzamento della traiettoria di lavorazione. La distribuzione di potenza secondo il suddetto profilo è mostrata nella figura 15a, dove il grafico superiore è una rappresentazione tridimensionale dell'intensità normalizzata del fascio ed il grafico inferiore è una rappresentazione bidimensionale della distribuzione di intensità del fascio nel piano di focalizzazione, per un fascio tipico avente una dimensione di spot di focalizzazione sull'area del piano di lavorazione dell'ordine di 120 micron, in cui la potenza del profilo primario è dell'ordine del 30% della potenza complessiva del fascio. Nel grafico della figura 15b è mostrata la configurazione tridimensionale della superficie dell'elemento riflettente deformabile a superficie controllata, in cui gli assi del grafico non sono in scala, l'asse verticale essendo espresso in micron (diversamente dagli assi orizzontali espressi in millimetri) per consentire una migliore visualizzazione del profilo. La corsa massima dei moduli di movimentazione delle aree di riflessione movimentabili è dell'ordine di 4 micron. L'elemento riflettente è deformato da una disposizione delle aree di riflessione non radialmente simmetrica: è possibile descrivere tale disposizione come la sovrapposizione tra una deformazione che genera una distribuzione del tipo donut-gaussiana, e una disposizione che ricostruisce un piano inclinato rispetto a quello di riferimento. In funzione dell'entità della rottura di simmetria della distribuzione delle aree di riflessione è possibile produrre profili differenti nella ripartizione della potenza complessiva del fascio tra profilo centrale primario e profilo secondario circostante. L'evoluzione della distribuzione di intensità del fascio lungo la direzione di propagazione è mostrata nel grafico di figura 15c dove il cambiamento della distribuzione di potenza è simulato a diverse profondità dal piano di lavorazione (indicato dalla coordinata 0 lungo l'asse verticale z). In particolare è stata simulata l'evoluzione della distribuzione di potenza in un intervallo di profondità compreso tra il piano di lavorazione e 60 millimetri sotto il piano di lavorazione, con passo di 10 millimetri.

Come è possibile notare nel grafico di figura 15c la distribuzione di potenza come descritta da Olsen è contraddistinta dalla possibilità di realizzare e controllare contemporaneamente una distribuzione di potenza primaria di forma gaussiana ed una distribuzione di potenza secondaria a mezzaluna la cui ripartizione è funzione della propagazione lungo l'asse ottico del fascio, ossia della profondità del piano di lavorazione. Ciò consente vantaggiosamente di controllare in tempo reale la tridimensionalità della lavorazione sul materiale, ad esempio generando una distribuzione di potenza in cui la distribuzione di potenza primaria di forma gaussiana è prevalente in un piano di lavorazione alla superficie del materiale dove è richiesta l’illuminazione, e quindi il riscaldamento, del fronte di avanzamento nel solco, e la distribuzione di potenza secondaria a mezzaluna è prevalente in un piano di lavorazione entro il volume del materiale dove è richiesto illuminare le code di materiale fuso in profondità nel materiale, in via di uscita dal solco stesso, e che rischiano di aderire alle pareti del solco stesso a causa del raffreddamento progressivo derivante dalla mancata illuminazione da parte del fascio laser, nel caso gaussiano.

In figura 16 è mostrato un esempio di lavorazione secondo il procedimento oggetto della presente invenzione, e segnatamente un procedimento di taglio di una cava rettangolare R in un materiale M.

In figura è indicata con T una traiettoria di lavorazione programmata. La traiettoria di lavorazione include un'area di foratura H, un profilo di approccio o raccordo C ed un profilo di taglio P comprendente, a puro titolo di esempio, una successione di tratti rettilinei e di tratti curvi di raccordo formanti una linea chiusa.

Una macchina di taglio laser è programmata per eseguire la lavorazione senza interruzione, variando la distribuzione di potenza del fascio laser incidente sul materiale in funzione della fase di lavorazione corrente.

L'attuazione della disposizione delle aree di riflessione dei mezzi di conformazione del fascio laser è controllata per stabilire una prima distribuzione di potenza trasversale del fascio del tipo gaussiano con spot di focalizzazione più piccolo possibile, in corrispondenza dell'area di foratura H, per stabilire una seconda distribuzione di potenza trasversale del fascio del tipo da gaussiano più allargato a flat top e poi donut, in modo tale da allargare la perforazione di sfogo del materiale fuso e permettere contemporaneamente un facile deflusso del materiale ed una congrua illuminazione del fronte d’onda, quando, finita la perforazione, il fascio inizia a percorrere il profilo di approccio o raccordo A. Una terza distribuzione di potenza trasversale del fascio del tipo asimmetrico per combinazione gaussiano-mezzaluna viene utilizzata in corrispondenza profilo di taglio C, orientata in funzione della direzione locale della traiettoria di lavorazione nella successione di tratti rettilinei e di tratti curvi del profilo di taglio. In corrispondenza di eventuali modifiche di traiettoria a spigolo vivo, quindi in corrispondenza di arresti locali del movimento, la distribuzione di potenza trasversale tiene conto anche del valore di velocità, agevolando il cambio di direzione dell’espulsione di materiale fuso e del gas di assistenza, ad esempio tramite una distribuzione di potenza di forma ellittica.

In figura 17 è mostrato un esempio di lavorazione secondo il procedimento oggetto della presente invenzione, e segnatamente una successione temporale dell'evoluzione della distribuzione di potenza applicabile nel corso di un processo di taglio eseguito lungo una traiettoria predeterminata non illustrata nel suo complesso, ma la cui direzione ed il cui verso di percorrenza sono richiamati in figura della freccia F.

Una macchina di taglio laser è programmata per eseguire la lavorazione senza interruzione, variando la distribuzione di potenza del fascio laser incidente sul materiale nel tempo e ciclicamente secondo una legge descritta in seguito con riferimento alle viste delle figure 17a, 17b e 17c, dove sono mostrate rispettivamente una vista dall'alto, posteriore e laterale di un'area di lavorazione A che si sposta con continuità lungo la traiettoria predeterminata seguendo il movimento relativo tra la testa di lavorazione ed il materiale.

Con S1, ..., S4 sono indicati gli spot di incidenza del fascio laser sul materiale in lavorazione, circoscritti alle posizioni dell'asse ottico del fascio laser e ricompresi in una zona di erogazione del flusso di gas di assistenza sul materiale in lavorazione, che è comune all'intera area di lavorazione A. Si noti che, tipicamente, per lavorazioni di taglio e/o foratura su acciaio al carbonio con spessori da 4 mm a 30 mm , acciaio inossidabile con spessori da 4 mm a 25 mm, leghe di alluminio con spessori da 4 mm a 15 mm, rame ed ottone con spessori da 4 mm a 12 mm, la dimensione tipica della zona di erogazione del flusso di gas di assistenza varia tra 1,8 mm e 4 mm.

La distribuzione di potenza controllata nell'area di lavorazione A è ottenuta dalla combinazione di due fasci gaussiani separati, allineati trasversalmente rispetto alla direzione della traiettoria di lavorazione ed è pertanto descrivibile come un modo elettromagnetico trasversale TEM10. Questa distribuzione è ottenibile ripartendo l'elemento riflettente 200 dei mezzi di conformazione del fascio laser in due semi-elementi 200', 200'' congiunti lungo un asse (diametro) dell'elemento riflettente e per mezzo dell'area centrale, ed orientabili in modo tale da formare un angolo diedro concavo (dell'ordine di 0,1-0,3 gradi) rivolto verso lo spazio di propagazione del fascio laser, come mostrato in figura 18. Si comprenderà che il diametro di congiunzione dei due semielementi dell'elemento riflettente può essere uno qualsiasi dei diametri identificati dalla disposizione dei moduli di movimentazione. Ciascun semielemento riflettente 200', 200'' è atto a generare una distribuzione di potenza trasversale gaussiana (per separazione del fascio originario) ed i rispettivi moduli di movimentazione sono controllati in modo tale da realizzare predeterminati movimenti di inclinazione generale del semi-elemento nel suo complesso rispetto alla rispettiva condizione di riposo, preferibilmente in sincrono con l'altro ed in maniera speculare all'altro, che determinano la traslazione spaziale dello spot del fascio laser sul materiale in lavorazione.

La posizione relativa del rispettivo asse ottico di propagazione dei due fasci gaussiani varia nel tempo secondo la legge spaziale mostrata nelle figure. Il movimento dei due fasci nell'area di lavorazione avviene in sincrono in funzione della direzione locale della traiettoria di lavorazione ed in una successione di piani di lavorazione. Esso può essere descritto, con riferimento alle figure 17a, 17b e 17c, mediante la combinazione dei movimenti seguenti:

1) Il baricentro della distribuzione di potenza complessiva avanza nel tempo secondo la direzione locale della traiettoria di lavorazione F, ed è coincidente con l’asse di erogazione del flusso del gas di assistenza, o si trova ad una distanza dall'asse di erogazione del flusso del gas di assistenza non superiore alla metà del raggio della bocca dell’ugello, in posizione avanzata rispetto alla direzione di avanzamento della traiettoria di lavorazione.

2) In proiezione sul piano orizzontale di figura 17a, l'asse ottico di ciascuno dei due fasci gaussiani si muove localmente secondo una traiettoria ellittica intorno ad un rispettivo baricentro geometrico di rivoluzione temporale predeterminato, rispettivamente in senso orario a destra del baricentro della distribuzione di potenza complessiva rispetto alla direzione di avanzamento della lavorazione, e in senso anti-orario a sinistra del baricentro della distribuzione di potenza complessiva rispetto alla direzione di avanzamento della lavorazione, ad una distanza dal rispettivo baricentro di rivoluzione compresa tra 0,3 volte e 2 volte il raggio dello spot di focalizzazione del singolo fascio nel waist.

3) Nel corso del movimento di rivoluzione temporale intorno al rispettivo baricentro predeterminato, la localizzazione del piano di focalizzazione di ciascuno dei due fasci gaussiani lungo il rispettivo asse ottico di propagazione varia in profondità nello spessore del materiale, con andamento retrogrado secondo una traiettoria a parallelogramma nella proiezione sul piano sagittale di figura 17c, ciò che determina l'andamento dell'asse ottico di ciascuno dei due fasci gaussiani nella proiezione in un piano frontale illustrato in figura 17b. 4) I baricentri di rivoluzione dell'asse ottico di ciascuno dei due fasci gaussiani avanzano nel tempo secondo direzioni parallele alla direzione di movimento del baricentro della distribuzione di potenza complessiva, rispettivamente a destra ed a sinistra di esso, determinando nella proiezione sul piano frontale e sul piano sagittale, una evoluzione complessiva secondo un andamento sinusoidale.

I movimenti descritti ai passi 1-4 precedenti sono rappresentati nella figura dalle linee orientate. Con S1 è indicato lo spot di focalizzazione di ciascun fascio gaussiano sulla superficie del materiale nella posizione localmente più avanzata secondo la traiettoria di lavorazione F. Con S2' e S2'' sono indicati gli spot di focalizzazione separati dei fasci gaussiani ad una prima profondità intermedia nel volume di materiale ed in una prima posizione intermedia arretrata per confronto alla posizione S1 rispetto alla traiettoria di lavorazione F, nel corso del movimento di rivoluzione intorno ad un rispettivo baricentro geometrico di rivoluzione temporale predeterminato. Con S3' e S3'' sono indicati gli spot di focalizzazione separati dei fasci gaussiani ad una massima profondità nel volume di materiale ed in una seconda posizione intermedia arretrata per confronto alla posizione S1 ed ulteriormente arretrata per confronto alle posizioni S2' e S2'' rispetto alla traiettoria di lavorazione F, nel corso del movimento di rivoluzione intorno al rispettivo baricentro geometrico di rivoluzione temporale predeterminato. Infine, Con S4 è indicato lo spot di focalizzazione di ciascun fascio gaussiano ad una seconda profondità intermedia nel volume di materiale ed in una terza posizione intermedia arretrata per confronto alla posizione S1 rispetto alla traiettoria di lavorazione F, nel corso del movimento di rivoluzione intorno al rispettivo baricentro geometrico di rivoluzione temporale predeterminato.

Una siffatta lavorazione è condotta, ad esempio, per il taglio di una lastra di acciaio da 10 mm di spessore in atmosfera di azoto, con una velocità tipica di avanzamento lungo una predeterminata traiettoria di lavorazione compresa tra 1000 e 2000 mm/min. Una frequenza di controllo ciclico della distribuzione di potenza del fascio di almeno 500 Hz e preferibilmente di 1 kHz, o più in generale che è multiplo intero di v/2D, con v che è la velocità di avanzamento del baricentro della distribuzione di potenza complessiva, espressa in micron/secondo e D che è il diametro dello spot di focalizzazione del fascio laser nel waist, espresso in micron, permette di ottenere un volume di interazione apparente strutturato, creato dal rapido spostamento locale della coppia di fasci gaussiani. I due fasci si incontrano sulla superficie del materiale, nella posizione S1, per fornire una massima quantità di energia al fronte di taglio, per poi scendere in profondità e sulle code del materiale in espulsione, per mantenerlo fluido. Vantaggiosamente, questo procedimento di lavorazione permette, in linea di principio, di mantenere o aumentare lo sforzo di taglio sul fronte di avanzamento, per aumentare la forza di auto-espulsione del materiale stesso, con conseguente riduzione della necessità di gas di assistenza.

Si intende che quanto riferito nell'esempio di realizzazione che precede a distribuzioni di potenza di tipo gaussiano può estendersi ad altri tipi di distribuzione di potenza del fascio laser, generati da ciascun semi-elemento, uguali o differenti tra loro, ed altri movimenti, speculari oppure no, di ciascun fascio.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di lavorazione laser di un materiale metallico, in particolare per il taglio, la foratura o la saldatura laser di detto materiale, mediante un fascio laser focalizzato avente una prestabilita distribuzione di potenza trasversale in corrispondenza di almeno un piano di lavorazione del materiale metallico, comprendente le fasi di: - predisporre una sorgente di emissione di un fascio laser; - condurre il fascio laser emesso da detta sorgente di emissione lungo un percorso ottico di trasporto del fascio ad una testa di lavorazione disposta in prossimità di detto materiale metallico; - collimare il fascio laser lungo un asse ottico di propagazione incidente sul materiale metallico; - focalizzare detto fascio laser collimato in un'area di un piano di lavorazione di detto materiale metallico; e - condurre detto fascio laser focalizzato lungo una traiettoria di lavorazione sul materiale metallico comprendente una successione di aree di lavorazione, caratterizzato dal fatto che il procedimento comprende conformare il fascio laser, in cui con formare il fascio laser comprende: - riflettere detto fascio collimato mediante un elemento riflettente deformabile a superficie controllata avente una superficie riflettente a curvatura continua includente una pluralità di aree di riflessione indipendentemente movimentabili, e - controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una predeterminata distribuzione di potenza trasversale del fascio in corrispondenza di almeno un piano di lavorazione del materiale metallico in funzione dell'area del piano di lavorazione corrente e/o della direzione corrente della traiettoria di lavorazione sul materiale metallico.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente le fasi di: - erogare un flusso di gas di assistenza verso detta area del piano di lavorazione del materiale metallico lungo un asse del flusso di gas di assistenza, e - controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire detta prestabilita distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area del piano di lavorazione sul materiale metallico compresa in un intorno predeterminato dell'asse del flusso di gas di assistenza ed entro una zona di erogazione di detto flusso.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, comprendente la traslazione relativa dell'asse del flusso di gas di assistenza lungo una traiettoria di lavorazione prestabilita sul materiale metallico, il rilevamento della posizione corrente e/o della direzione di traslazione corrente dell'asse del flusso di gas di assistenza, e il controllo automatico della distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in funzione della posizione corrente e/o della direzione di traslazione corrente rilevata dell'asse del flusso di gas di assistenza.
4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, in cui il controllo automatico della distribuzione di potenza trasversale del fascio laser in funzione della posizione corrente e/o della direzione di traslazione corrente rilevata dell'asse del flusso di gas di assistenza è attuato per riferimento ad un modello o programma di controllo prestabilito.
5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente la fase di controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area di almeno un piano di lavorazione sul materiale metallico avente una forma gaussiana di diametro predeterminato.
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, comprendente la fase di controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area di almeno un piano di lavorazione sul materiale metallico avente forma anulare.
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, comprendente la fase di controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area di almeno un piano di lavorazione sul materiale metallico avente una forma a profilo piatto di diametro predeterminato.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, comprendente la fase di controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area di almeno un piano di lavorazione sul materiale metallico includente una distribuzione gaussiana di diametro predeterminato ed una distribuzione anulare esternamente concentrica alla distribuzione gaussiana.
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, comprendente la fase di controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area di almeno un piano di lavorazione sul materiale metallico includente una distribuzione gaussiana di diametro predeterminato ed una distribuzione semi-anulare esternamente concentrica alla distribuzione gaussiana.
10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, comprendente l'orientamento nell'area del piano di lavorazione dell'asse di simmetria di detta distribuzione di potenza trasversale del fascio includente una distribuzione gaussiana di diametro predeterminato ed una distribuzione semi-anulare esternamente concentrica alla distribuzione gaussiana, in funzione della direzione locale della traiettoria di lavorazione.
11. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, comprendente la fase di controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una distribuzione di potenza trasversale del fascio in un'area di almeno un piano di lavorazione sul materiale metallico avente una forma gaussiana di sezione ellittica.
12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, comprendente l'orientamento nell'area del piano di lavorazione dell'asse di simmetria di detta distribuzione di potenza trasversale del fascio avente una forma gaussiana di sezione ellittica, in funzione della direzione locale della traiettoria di lavorazione.
13. Procedimento secondo la rivendicazione 2, comprendente la traslazione relativa dell'asse del flusso di gas di assistenza lungo una traiettoria di lavorazione prestabilita sul materiale metallico, il rilevamento della posizione corrente e/o della direzione di traslazione corrente dell'asse del flusso di gas di assistenza, e la regolazione automatica della posizione dell'asse ottico di propagazione del fascio laser in funzione della posizione corrente e/o della direzione di traslazione corrente rilevata dell'asse del flusso di gas di assistenza.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 13, in cui la regolazione automatica della posizione dell'asse ottico di propagazione del fascio laser in funzione della posizione corrente e/o della direzione di traslazione corrente rilevata dell'asse del flusso di gas di assistenza è attuata per riferimento ad un modello o programma di regolazione prestabilito.
15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, comprendente la fase di controllare la disposizione di dette aree di riflessione per stabilire una distribuzione di potenza trasversale complessiva del fascio in un'area di almeno un piano di lavorazione sul materiale metallico corrispondente ad un modo elettromagnetico trasversale TEM10, includente una combinazione di due distribuzioni gaussiane di diametro predeterminato allineate trasversalmente rispetto alla direzione della traiettoria di lavorazione, in cui la posizione relativa dell'asse ottico di propagazione ed il piano di focalizzazione di dette due distribuzioni gaussiane varia ciclicamente nel tempo in funzione della direzione locale della traiettoria di lavorazione secondo una legge che comprende la combinazione dei movimenti seguenti: - avanzamento del baricentro della distribuzione di potenza complessiva secondo la direzione locale della traiettoria di lavorazione; - in proiezione su un piano orizzontale, movimentazione dell'asse ottico di ciascuna di dette due distribuzioni gaussiane secondo una traiettoria ellittica di rivoluzione intorno ad un rispettivo baricentro geometrico di rivoluzione temporale predeterminato, rispettivamente in senso orario a destra del baricentro della distribuzione di potenza complessiva rispetto alla direzione di avanzamento della lavorazione, e in senso anti-orario a sinistra del baricentro della distribuzione di potenza complessiva rispetto alla direzione di avanzamento della lavorazione; - nel corso del movimento di rivoluzione temporale intorno al rispettivo baricentro predeterminato, variare la localizzazione del piano di focalizzazione di ciascuna di dette due distribuzioni gaussiane lungo il rispettivo asse ottico di propagazione, con andamento retrogrado secondo una traiettoria a parallelogramma in proiezione su un piano sagittale; - avanzamento dei baricentri di rivoluzione dell'asse ottico di ciascuna di dette due distribuzioni gaussiane secondo direzioni parallele alla direzione di movimento del baricentro della distribuzione di potenza complessiva, rispettivamente a destra ed a sinistra di esso.
16. Procedimento secondo la rivendicazione 15, in cui la variazione ciclica della posizione relativa dell'asse ottico di propagazione di ciascuna di dette due distribuzioni gaussiane e della localizzazione del piano di focalizzazione di ciascuna di dette due distribuzioni gaussiane lungo il rispettivo asse ottico di propagazione avviene con una frequenza che è multiplo intero di v/2D, con v che è la velocità di avanzamento del baricentro della distribuzione di potenza complessiva e D che è il diametro dello spot di focalizzazione del fascio laser nel waist.
17. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui controllare la disposizione di dette aree di riflessione dell'elemento riflettente a superficie controllata comprende controllare una combinazione di movimentazione di dette aree rispetto ad una superficie riflettente piana di riferimento.
18. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui controllare una combinazione di movimentazione di dette aree di riflessione dell'elemento riflettente a superficie controllata comprende controllare la traslazione di dette aree lungo l'asse ottico dell'elemento riflettente e/o la rotazione di dette aree per ottenere una inclinazione rispetto all'asse ottico dell'elemento riflettente.
19. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente la predisposizione di un elemento riflettente deformabile a superficie controllata avente una superficie riflettente a curvatura continua includente una pluralità di aree di riflessione indipendentemente movimentabili per mezzo di una corrispondente pluralità di moduli di movimentazione che comprendono un'area centrale ed una pluralità di ranghi di settori di corona circolare concentrici a detta area centrale.
20 Procedimento secondo la rivendicazione 19, in cui detti ranghi di settori di corona circolare concentrici sono in numero di 6, i settori di corona circolare sono in numero di 8 per ogni rango, e l'altezza dei settori di corona circolare è crescente dal primo al terzo rango e dal quarto al sesto rango in direzione radiale verso l'esterno dell'elemento riflettente, l'altezza dei settori di corona circolare del quarto rango essendo intermedia tra l'altezza dei settori di corona circolare del primo e secondo rango.
21. Macchina per la lavorazione laser di un materiale metallico, in particolare per il taglio, la foratura o la saldatura laser di detto materiale, mediante un fascio laser focalizzato avente una prestabilita distribuzione di potenza trasversale in corrispondenza di almeno un piano di lavorazione del materiale metallico, comprendente: - una sorgente di emissione di un fascio laser; - mezzi di conduzione del fascio laser emesso da detta sorgente di emissione lungo un percorso ottico di trasporto del fascio ad una testa di lavorazione disposta in prossimità di detto materiale metallico; - mezzi ottici di collimazione del fascio laser lungo un asse ottico di propagazione incidente sul materiale metallico; - mezzi ottici di focalizzazione di detto fascio laser collimato in un'area di un piano di lavorazione di detto materiale metallico, in cui almeno detti mezzi ottici di focalizzazione di detto fascio laser collimato sono portati da detta testa di lavorazione ad una distanza controllata da detto materiale metallico; e - mezzi di controllo della posizione reciproca tra detta testa di lavorazione e detto materiale metallico, atti a condurre detto fascio laser focalizzato lungo una traiettoria di lavorazione sul materiale metallico comprendente una successione di aree di lavorazione, caratterizzata dal fatto che comprende: - mezzi ottici di conformazione del fascio laser includenti un elemento riflettente deformabile a superficie controllata avente una superficie riflettente a curvatura continua comprendente una pluralità di aree di riflessione indipendentemente movimentabili, atto a riflettere detto fascio laser collimato, la disposizione di dette aree di riflessione essendo atta a stabilire una predeterminata distribuzione di potenza trasversale del fascio in corrispondenza di almeno un piano di lavorazione del materiale metallico; e - mezzi elettronici di elaborazione e controllo predisposti per attuare una conformazione di detto fascio laser in accordo con il procedimento di lavorazione laser secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 20.
22. Programma per elaboratore comprendente uno o più moduli di codice per l'attuazione di un procedimento di conformazione di un fascio laser in una macchina per la lavorazione laser di un materiale metallico, in accordo con il procedimento di lavorazione laser secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 20, quando il programma è eseguito da mezzi elettronici di elaborazione e controllo di detta macchina.