I laser sono ormai presenti in quasi ogni fase della produzione automobilistica. Vengono utilizzati in tutti i livelli della catena di fornitura, dai fornitori di componenti e materiali di terzo livello ai più grandi OEM mondiali.
E oggi i laser fanno molto di più che saldare. Oltre all'assemblaggio strutturale, supportano la produzione di batterie, la produzione di elettronica di potenza, la preparazione delle superfici, la tracciabilità e una varietà di applicazioni che nemmeno esistevano dieci anni fa.
Questo articolo offre una panoramica di alto livello sul ruolo dei laser nella moderna produzione automobilistica. Evidenzia inoltre le caratteristiche uniche della lavorazione laser , ovvero i fattori che consentiranno ai laser di mantenere un ruolo di primo piano in un settore che si sta orientando verso una maggiore precisione, una maggiore automazione e la rapida crescita della mobilità elettrica.
Cosa c'è di così speciale nei laser?
Molti settori industriali oggi devono affrontare le stesse pressioni di fondo. Devono fornire prodotti con maggiore precisione, migliore qualità, dimensioni più ridotte e minor consumo energetico. A livello di produzione, devono anche far fronte a richieste di produttività più elevate, requisiti di sostenibilità più severi e una pressione incessante al ribasso sui costi.
I laser sono diventati strumenti di produzione così ampiamente utilizzati perché spesso supportano tutti questi obiettivi in modo più coerente rispetto ai processi meccanici, termici e chimici alternativi. Questo è vero perché:
I laser sono strumenti senza contatto: senza usura degli utensili né applicazione di forza, i processi laser rimangono costanti nel tempo.
I laser sono altamente selettivi dal punto di vista spaziale: un raggio laser può essere focalizzato fino a micron o espanso fino a coprire diversi metri quadrati, aiutando i sistemi e gli operatori a indirizzare l'energia solo dove è necessario.
I laser sono coerenti e luminosi: l'elevata densità di potenza consente saldature con penetrazione profonda, tagli rapidi, intagli puliti e zone termicamente alterate minime.
I laser sono efficienti: convertono l'elettricità in energia ottica con elevata efficienza e poi accoppiano tale energia ai materiali con uno spreco minimo, riducendo l'apporto di calore e la post-lavorazione.
I laser sono facilmente automatizzabili: quasi tutti i parametri di emissione del laser possono essere regolati in remoto in tempo reale. Ciò supporta ricette di processo complesse e cambi rapidi.
I laser funzionano con molti materiali: la stessa piattaforma laser può spesso lavorare acciaio, alluminio, rame, leghe di nichel, acciai rivestiti, plastica, compositi e ceramica.
I laser supportano il monitoraggio avanzato e il controllo a circuito chiuso: il feedback di processo – dalle semplici letture di potenza alle misurazioni in linea della profondità di saldatura – consente il controllo automatico del laser, contribuendo a ottenere una coerenza superiore tra le unità.
Ora, facciamo un breve tour delle aree in cui i laser stanno avendo il maggiore impatto nella produzione automobilistica.
Carrozzeria grezza
Il telaio grezzo è stato il primo ambito in cui i laser hanno fatto il loro ingresso nella produzione automobilistica negli anni '70 e da allora il loro ruolo non ha fatto che ampliarsi. Oggi vengono utilizzati abitualmente per la saldatura ad alta velocità, il taglio e la produzione di semilavorati su misura.
La saldatura laser è vantaggiosa perché produce giunti stretti e profondi con un apporto di calore minimo. Ciò riduce la distorsione, migliora l'adattamento e mantiene tolleranze dimensionali strette in assemblaggi di grandi dimensioni.
Un basso apporto di calore è particolarmente utile quando si lavora con i materiali avanzati di oggi, come gli acciai ad alta e altissima resistenza. Questi possono deformarsi, rompersi o perdere le loro proprietà meccaniche uniche con i metodi di saldatura tradizionali. Un basso apporto di calore aiuta anche quando si uniscono materiali misti, che hanno caratteristiche di espansione termica e fusione diverse e quindi tendono a deformarsi o rompersi con la saldatura convenzionale.
I laser supportano anche movimenti continui e ininterrotti grazie alla saldatura al volo e alle teste di scansione montate su robot. Ciò consente ai produttori di eliminare i ritardi dovuti alle interruzioni e aumentare la produttività.
Inoltre, poiché i processi laser sono puliti, uniformi e ripetibili, riducono la necessità di rilavorazioni e i carichi di ispezione a valle. In combinazione con il monitoraggio in linea della profondità di saldatura e della posizione del cordone, i laser offrono agli OEM un metodo di giunzione di alta qualità che si integra facilmente nelle moderne officine di carrozzeria automatizzate.
Componenti del gruppo motopropulsore e del telaio
I laser svolgono un ruolo sempre più importante anche nella produzione di componenti del gruppo motopropulsore e del telaio, dove la precisione e la ripetibilità influenzano direttamente le prestazioni, la durata e la sicurezza dei veicoli. Molti di questi componenti – alloggiamenti della trasmissione, involucri dell'unità di trasmissione, piastre di raffreddamento, staffe di montaggio e componenti delle sospensioni – presentano geometrie complesse e spessori dei materiali variabili.
Tutte queste applicazioni di saldatura beneficiano dello stretto controllo termico fornito dai laser. Il controllo di precisione dell'apporto di calore contribuisce a produrre giunti resistenti e uniformi con una distorsione minima, aiutando i produttori a mantenere l'allineamento e l'integrità meccanica dei componenti che operano sotto carico continuo.
Le configurazioni laser a fibra a doppio raggio sviluppate di recente ampliano ulteriormente questi vantaggi consentendo la saldatura senza spruzzi di componenti fusi e lavorati, un campo di applicazione un tempo dominato dai laser a CO₂. I laser a doppio raggio offrono un processo pulito e stabile, particolarmente importante per gli assemblaggi che contengono lubrificanti, cuscinetti o superfici di precisione che devono rimanere prive di contaminazioni.
Produzione di batterie per la mobilità elettrica
In nessun altro settore l'adozione del laser ha registrato un'accelerazione così rapida – o svolto un ruolo più determinante – che nella produzione di batterie per veicoli elettrici. Celle, moduli e pacchi batteria richiedono tutti un'unione precisa e ripetibile di componenti in rame, alluminio e nichel. Tutti questi materiali sono notoriamente difficili da saldare con i processi tradizionali.
I laser garantiscono il controllo termico accurato necessario per realizzare connessioni elettriche meccanicamente resistenti e a bassa resistenza. E lo fanno senza danneggiare le pellicole separatrici, gli adesivi o gli strati isolanti circostanti. Consentono la saldatura ad alta velocità di linguette e sbarre collettrici, la saldatura di fogli metallici e il taglio di precisione di collettori di corrente con sbavature e detriti minimi.
Anche in questo caso sono fondamentali le configurazioni laser a fibra a doppio raggio e a raggio oscillante. Il loro utilizzo riduce gli spruzzi e minimizza la porosità. Ciò garantisce una qualità di connessione costante su migliaia di giunti per confezione.
Le innovazioni nel monitoraggio ottico in linea migliorano ulteriormente la qualità del processo fornendo una convalida in tempo reale della profondità di saldatura, della posizione del cordone e dell'uniformità. Tutto ciò offre ai produttori di veicoli elettrici un processo scalabile e ad alto rendimento per la realizzazione delle celle, dei moduli e delle strutture dei pacchi batteria che sono il cuore della moderna mobilità elettrica.
Motori elettrici
La lavorazione laser è preziosa nella produzione di motori di trazione per veicoli elettrici, in particolare quelli costruiti con avvolgimenti a forcina. I loro conduttori in rame devono essere spellati, modellati e saldati con precisione per ridurre al minimo la resistenza elettrica e soddisfare le rigide tolleranze meccaniche nell'avvolgimento finale assemblato.
I laser vengono spesso utilizzati in primo luogo per rimuovere l'isolamento dello smalto in modo pulito e preciso. Sono in grado di esporre il rame sottostante senza contatto meccanico, deformazione o danni termici. Questi risultati sono difficili da ottenere con metodi di rimozione abrasivi o chimici.
Per realizzare i collegamenti elettrici finali, la saldatura laser produce giunti resistenti e con scorie ridotte, con un apporto di calore minimo. Ciò protegge l'isolamento, le laminazioni e i materiali di riempimento epossidici circostanti. Il doppio raggio , e in particolare le implementazioni a fascio oscillante, migliorano ulteriormente il riempimento degli spazi vuoti e l'uniformità della saldatura, garantendo prestazioni uniformi su migliaia di forcelle.
Interni e finiture
I laser supportano una vasta gamma di operazioni di rifinitura e finitura interna. Sono utili in questo campo perché combinano precisione e velocità e spesso offrono risultati esteticamente superiori. Molti componenti in plastica, tessuto, compositi e rivestiti, specialmente quelli visibili al consumatore, richiedono tagli puliti, perforazioni o schemi di forio elementi decorativi.
Gli strumenti meccanici faticano a creare tali bordi senza introdurre rugosità o deformazioni. I laser garantiscono bordi lisci e ripetibili con un impatto termico minimo. Ciò migliora l'aspetto estetico e riduce la necessità di post-lavorazioni a valle per ripristinare l'aspetto. La loro capacità di tagliare contorni complessi li rende ideali per aperture di cruscotti, finestre di sensori, griglie di altoparlanti e perforazioni estetiche.
La marcatura laser, e in particolare la marcatura giorno/notte, è utilizzata in tutti gli interni delle automobili. È ideale per pulsanti retroilluminati, interruttori e elementi decorativi che richiedono marcature attraenti, altamente leggibili e talvolta complesse. Poiché non richiede l'uso di utensili ed è compatibile con un'ampia gamma di materiali, la marcatura laser facilita rapidi cambiamenti di opzioni e varianti senza necessità di riattrezzaggio.
Tracciabilità e marcatura di conformità
Le proprietà desiderabili della marcatura laser hanno portato a un uso diffuso nelle applicazioni di tracciabilità automobilistica. La principale di queste è l'assenza di contatto o usura degli strumenti, che elimina il rischio di deformare superfici delicate. Inoltre, poiché i laser possono generare marcature estremamente piccole o grandi, supportano qualsiasi applicazione, dalla micro-serializzazione agli identificatori di grandi dimensioni e ad alto contrasto.
La possibilità di controllare la marcatura laser tramite software consente la serializzazione o la modifica dei contenuti dei marchi in tempo reale, senza necessità di riorganizzazione. E poiché i laser funzionano su metalli, plastica, rivestimenti e materiali compositi, una singola piattaforma è in grado di marcare molti dei materiali utilizzati in un veicolo.
Alcune delle principali applicazioni di marcatura includono componenti dei freni, moduli airbag e dispositivi di fissaggio strutturali. Questi richiedono identificatori durevoli e permanenti in grado di resistere al calore, ai fluidi e alle vibrazioni per tutta la durata di vita del veicolo. L'elettronica e gli alloggiamenti, comprese le unità di controllo, i sensori e i moduli di alimentazione, necessitano di marcature che non danneggino i componenti interni né compromettano le guarnizioni. Inoltre, lungo tutta la catena di fornitura, la serializzazione e la codifica a matrice di dati supportano la tracciabilità dei componenti, il controllo delle varianti e la conformità ai requisiti industriali e normativi.
Pulizia delle superfici
I laser vengono sempre più utilizzati per la preparazione delle superfici quando è importante controllare con precisione la profondità di rimozione del materiale e preservare le strutture sottostanti. La pulizia laser consente di ottenere questo risultato rimuovendo ruggine, ossidi, adesivi e vernici senza contatto meccanico o mezzi abrasivi. Il processo espone una superficie pulita e uniforme, evitando la distorsione, il danneggiamento del substrato o risultati incostanti che possono verificarsi con la sabbiatura o la molatura.
Il basso apporto di calore mantiene intatte le proprietà dei materiali circostanti, il che è importante quando si preparano parti per la saldatura o l'incollaggio. I laser possono anche texturizzare le superfici con motivi controllati per migliorare la forza di adesione o favorire la bagnabilità. Poiché il processo è programmabile, i produttori possono applicare questi trattamenti a regioni specifiche senza mascheratura o fissaggio.
Essiccazione del rivestimento in polvere
L'uso di sistemi laser a diodi ad alta potenza per l'essiccazione dei rivestimenti in polvere sta iniziando a prendere piede. Questo perché l'essiccazione laser offre diversi vantaggi rispetto ai tradizionali forni a convezione o a lampade IR.
Poiché i laser forniscono un riscaldamento localizzato, solo le aree rivestite raggiungono le temperature di fusione e di flusso. La luce laser a infrarossi a banda stretta viene fortemente assorbita dalle particelle di polvere, il che migliora l'efficienza di polimerizzazione e riduce al minimo il riscaldamento della parte sottostante. L'efficienza di conversione elettrica dei laser a diodi è anche sostanzialmente superiore a quella di altre sorgenti a infrarossi, il che significa che una maggiore quantità di potenza in ingresso viene utilizzata direttamente per la polimerizzazione anziché andare persa sotto forma di calore in eccesso.
Insieme, queste caratteristiche rendono l'essiccazione laser significativamente più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altri metodi. Inoltre, l'essiccazione laser dei rivestimenti in polvere si presta al controllo in linea del processo per garantire risultati altamente uniformi.
Come iniziare con una soluzione laser
Sebbene la lavorazione laser offra chiaramente numerosi vantaggi, i risultati migliori e più convenienti per un'applicazione specifica si ottengono più facilmente collaborando con un fornitore esperto di soluzioni laser.
Sviluppo o ottimizzazione di un processo di produzione automobilistica? I progetti automobilistici spesso hanno inizio nei nostri laboratori applicativi, dove contribuiamo allo sviluppo, alla convalida e all'ottimizzazione dei processi prima della loro implementazione e scalabilità nella produzione. Con l'espansione dei requisiti automobilistici, IPG rimane un partner affidabile per soluzioni laser affidabili e ad alto rendimento.
