Mini-ruota dentata in 15 minuti

Tubicini in vetro di quarzo con un diametro di 1 mm e uno spessore delle pareti di 9 mm. Campi di perforazione con diametri dei fori di 50 µm. Componenti per microfluidica per diagnosi medica con canali con diametro inferiore a 10 µm. Questi esempi mostrano che le misure dei componenti nella meccanica di precisione, nell‘ingegneria biomedica e nella tecnica di misurazione divengono sempre più piccole, mentre nel contempo le strutture devono essere sempre più complesse. Per l‘industria orologiaia, è necessario ad esempio produrre le cosiddette pietre d’orologio con precisione e poi montarle.

Attualmente questi micro-componenti vengono prodotti manualmente da esperti tramite rettifica e lucidatura, e montati, il che richiede molto tempo. Inoltre i processi di asportazione implicano sempre una perdita di materiale pari a circa l’80%, il che rappresenta un notevole fattore di costo a seconda del materiale.

A causa delle dimensioni ridotte dei micro-componenti, i materiali trasparenti, pertanto “incolori”, non sono adatti per la lavorazione manuale. Gli stessi non sono abbastanza visibili per i lavoratori specializzati, pertanto i fabbricanti ricorrono normalmente al rubino, perché tale materiale non solo è molto duro, ma mostra anche una colorazione rossastra ben visibile.

Presso l’Istituto Fraunhofer per la Tecnologia Laser ILT, in cooperazione con la cattedra di tecnologia laser della Rheinisch-Westfalische Technische Hochschule (RWTH) di Aquisgrana, è stato ideato un processo di produzione laser sulla base della morsura selettiva a induzione laser (ISLE), con cui si possono produrre micro-componenti anche in materiale trasparente in modo più rapido. Contrariamente a quanto avviene nel processo per asportazione, grazie alla grande efficienza dei materiali e a un ridotto consumo energetico, il processo si rivela promettente rispetto a quelli utilizzati fino a oggi . A tale scopo gli esperti hanno trasferito la morsura selettiva a induzione laser nella produzione di componenti composti e montati. In questo modo i singoli componenti in sistemi micro-meccanici non devono più essere regolati e montati.

Il nuovo processo si svolge come segue: tramite raggi laser a impulso ultracorto, viene illuminato un pezzo trasparente con risoluzione 3D in volume proprio dove è necessario rimuovere materiale. Il materiale viene modificato chimicamente e fisicamente in modo tale da potervi applicare la morsura selettiva. Nel successivo processo di morsura chimico umido, il materiale illuminato viene rimosso, mentre il materiale non illuminato non viene influenzato dal processo. In questo modo si possono produrre micro-canali, fori di formatura, componenti strutturati nonché componenti e sistemi complessi, compositi e meccanici.

Il processo ISLE può essere utilizzato non solo per il rubino, ma anche per lo zaffiro o il vetro. È riproducibile e in grado di garantire requisiti geometrici dei componenti identici per tutta la serie. Il processo offre una grande libertà geometrica e di design. Le precisioni della forma inferiori a 1 µm nonché i solchi di taglio e i fori con rapporti di aspetto estremamente grandi possono essere ottenuti grazie al piccolo volume di fuoco.

Il compito fondamentale dei ricercatori di Aquisgrana consiste nel mettere a disposizione dei fabbricanti di micro-componenti il processo ISLE. “Lavoriamo al miglioramento continuo della scalabilità del nostro processo, per consentire il futuro trasferimento dall‘istituto di ricerca alla produzione industriale”, dichiara la dott.ssa Dagmar Schaefer, team leader presso Fraunhofer ILT. “A seconda dell‘applicazione, il processo ISLE viene adattato alle esigenze del cliente. Il soddisfacimento delle specifiche necessarie per i componenti, che includa nel contempo una strutturazione abbastanza rapida, è per noi la sfida più grande.“

La velocità dell’illuminazione risiede nelle varie migliaia di millimetri al secondo. In questo modo il tempo di illuminazione per la produzione di una ruota dentata da 3 mm di larghezza, già montata su un albero e inserita in un involucro, è di soli 15 minuti. L‘obiettivo è tuttavia un aumento della velocità di illuminazione a vari metri al secondo. Per la durata dell’illuminazione della ruota dentata montata, ciò comporterebbe una riduzione del fattore 10.

A medio termine la potenza laser dovrebbe crescere, così come i tassi di ripetizione. Anche i sistemi di deviazione dei raggi più rapidi dovrebbero aiutare a utilizzare il potenziale del processo per una produzione in massa personalizzata. La produzione di micro-componenti in serie piccole e grandi, così come la produzione in massa di componenti personalizzati, diventerebbe più conveniente e flessibile.