Un brindisi al taglio laser del vetro

I bicchieri da vino sono in uso letteralmente da millenni, e la maggior parte delle persone difficilmente li considererebbe un oggetto “ad alta tecnologia”. Ma l’azienda tedesca iPROTec (Innovative Process Technology) ha sviluppato uno dei più sofisticati metodi per la lavorazione laser dei materiali installato nei suoi sistemi automatizzati per la rimozione del “tappo” (il cosiddetto moil) presente nella parte superiore dei bicchieri da vino. In particolare, la società utilizza un laser a impulsi ultracorti (USP) di Coherent per eseguire il taglio SmartCleave, che garantisce alte prestazioni, costi ridotti e una produzione più rispettosa dell’ambiente.

di Sara Rota

iPROTec, azienda con sede a Zwiesel in Germania, è stata fondata nel 2006 ed è stata successivamente acquisita dai proprietari di Zwiesel Kristallglas nel 2011. Le tre società consorelle – Zwiesel Kristallglas, Ullrich e iPROTec – condividono la stessa sede.
iPROTec conta attualmente oltre 160 dipendenti. L’obiettivo principale di iPROTec è quello di fornire sistemi automatizzati per la produzione di bicchieri di vetro in grado di svolgere tutte le fasi del processo di produzione (alimentazione, pressatura, soffiaggio, fusione, separazione, lucidatura dei bordi, collaudo, marcatura laser, imballaggio, ecc). iPROTec collabora anche con l’industria automobilistica occupandosi di operazioni come l’assemblaggio, l’incollaggio, il collaudo, la prova, la saldatura, … oltre a realizzare sistemi di produzione speciali sviluppati in base alle specifiche esigenze. Poter disporre internamente di un proprio ufficio di progettazione, di un ufficio acquisti oltre che di un reparto elettrico, di produzione e di assemblaggio garantisce un’elevata flessibilità e un servizio clienti particolarmente efficiente.
iPROTec adotta un approccio olistico allo sviluppo delle macchine, cercando di progettare e fornire sistemi che si integrino in maniera ottimale nell’ambiente di produzione già esistente all’interno delle officine dei propri clienti. Uno dei loro principali obiettivi è la riduzione dei costi di produzione e, contemporaneamente, il miglioramento della qualità e dell’efficienza. La scelta di adottare processi di produzione in grado di rispettare l’ambiente è un altro valore fondamentale per l’azienda.

Un bicchiere da vino prima e dopo la rimozione del tappo.
Un bicchiere da vino prima e dopo la rimozione del tappo.

Taglio del vetro tradizionale

L’immagine di apertura dell’articolo mostra uno schema semplificato del ciclo di produzione di bicchieri da vino. Una goccia di vetro fuso viene messa in una forma, e l’aria viene soffiata nella goccia per farla espandere fino a dare vita alla forma desiderata. Il vetro viene fatto raffreddare nello stampo cavo, che ha anche un “tappo” (il cosiddetto moil) di materiale nella parte superiore.
Questo tappo è utile perché permette di manipolare e trattenere il vetro durante le fasi successive della produzione, come l’attacco del gambo e della base, ma alla fine deve essere rimosso. Il bordo dal quale questo tappo viene rimosso costituisce il bordo stesso del bicchiere una volta finito; poiché è questo il punto in cui le labbra toccano il vetro nell’atto del bere, la levigatura del bordo tagliato è di primaria importanza.
Le tecnologie usate convenzionalmente per la rimozione del tappo sono raggruppabili in due gruppi distinti: la rimozione a caldo o a freddo. Il tappo può essere eliminato riscaldando il vetro, o incidendo il bordo e utilizzando lo shock termico. In questo secondo caso, il tappo viene rimosso successivamente adottando una forza meccanica, che può essere un getto d’aria o un intervento di tipo fisico.

Negli ultimi anni, l’utilizzo di una fiamma per la rimozione a caldo è stato sostituito da un riscaldamento indotto per mezzo di un laser a CO2. In questo modo, è necessario effettuare un passaggio successivo che consenta di rimuovere fisicamente il tappo.
In molti casi, i metodi di taglio assicurano una qualità inferiore rispetto a quella richiesta dal pezzo finito. Spesso è quindi necessario ricorrere a ulteriori lavorazioni, come la smerigliatura meccanica e la lucidatura a fiamma, per ottenere la qualità superficiale desiderata.
Ovviamente, questi processi richiedono tempi e costi aggiuntivi. Inoltre, la smerigliatura richiede l’utilizzo di acqua e crea detriti di vetro che hanno entrambi un impatto negativo sull’ambiente; i vetri devono poi essere asciugati, il che richiede anche un consumo energetico. Utilizzare la forza meccanica sul vetro durante le operazioni di smerigliatura può poi causare rotture. Da sottolineare anche che, poiché esistono variazioni di spessore del vetro da unità a unità, questi processi di taglio non sono del tutto ripetibili.

Schema del processo di filamentazione che comporta l’autofocus periodico di un raggio laser ad impulsi ultracorti. Il movimento tra il raggio laser e il pezzo in lavorazione crea una linea o “tenda” di filamenti con una spaziatura da 3 µm a 7 µm. I filamenti indeboliscono il materiale e consentono una separazione netta.
Schema del processo di filamentazione che comporta l’autofocus periodico di un raggio laser ad impulsi ultracorti. Il movimento tra il raggio laser e il pezzo in lavorazione crea una linea o “tenda” di filamenti con una spaziatura da 3 µm a 7 µm. I filamenti indeboliscono il materiale e consentono una separazione netta.

Taglio laser del filamento

La “filamentazione” è un metodo di taglio del vetro alternativo al riscaldamento in massa (tramite l’utilizzo di un laser a fiamma o a CO2) che sfrutta l’elevata densità di potenza che può essere raggiunta con un laser a impulsi focalizzati e ultracorti con una potenza complessiva anche modesta. Il nome di questo processo di taglio ad alta efficienza energetica, brevettato e sviluppato da Coherent, è SmartCleave. Nello specifico, consente il taglio ad alta velocità di linee rette, curve e inserti, senza conicità, di materiali trasparenti e fragili da 50 μm a 10 mm di spessore. SmartCleave garantisce inoltre elevata finitura superficiale, con una rugosità (Ra) inferiore a 1 μm e con sfridi con bordi di dimensione inferiore a 5 μm. È importante notare che tale processo ha una resistenza alla piegatura finale superiore a quella garantita dai processi meccanici, che la rende particolarmente attraente per i produttori di touchscreen.

Taglio di filamentazione su un bicchiere di vino eseguito con il laser HyperRapid NX di Coherent.
Taglio di filamentazione su un bicchiere di vino eseguito con il laser HyperRapid NX di Coherent.

Nell’ambito della rimozione del tappo del bicchiere da vino, SmartCleave gestisce tutti gli inconvenienti del taglio laser a fiamma o a CO2. In particolare, applica l’energia laser in modo talmente preciso che non si verifica alcun riscaldamento del vetro in massa e quindi nessun danno termico al materiale. Crea un bordo estremamente liscio, senza bave, crepe o rotture, che elimina completamente la necessità di una successiva lavorazione. In questo modo, tutte le fasi aggiuntive di smerigliatura, lavaggio e asciugatura, insieme al relativo consumo in termini di energia, tempo, costo e impatto ambientale negativo, sono assenti (nessuna polvere e precipitazione sui vetri). SmartCleave aumenta i rendimenti, migliora la qualità e abbassa i costi di produzione.
Per realizzare il taglio di filamentazione, l’uscita di un laser a impulsi ultracorti (< 15 picosecondi) è focalizzata su un piccolo punto all’interno del substrato. L’alta intensità del laser produce l’autofocus del fascio (grazie all’effetto ottico Kerr) all’interno del vetro.
Questo autofocus aumenta ulteriormente la densità di potenza, fino a quando, ad una certa soglia, si crea nel materiale un plasma a bassa densità.

Questo plasma abbassa l’indice di rifrazione del materiale al centro del percorso del fascio laser e fa sì che il fascio si sfocalizzi. Se le ottiche di messa a fuoco del fascio sono configurate correttamente, questo effetto di messa a fuoco/defocalizzazione può essere bilanciato per ripetersi periodicamente e autosostenersi. Ciò forma un filamento stabile, cioè una linea di minuscoli vuoti, che si estende per diversi millimetri di profondità nel vetro. Il diametro tipico del filamento è compreso tra 0,5 μm e 1 μm.
Per effettuare un taglio, il substrato viene spostato rispetto al raggio così da creare una serie di filamenti strettamente distanziati, generati dal laser. La velocità di avanzamento va da 100 mm/s a 2 m/s, a seconda dello spessore del materiale e della geometria di taglio desiderata.
Con vetro rinforzato chimicamente o termicamente, le sollecitazioni interne al pezzo causano poi una separazione spontanea, senza la necessità di un ulteriore passaggio. In caso di vetri non rinforzati e altri materiali trasparenti (come lo zaffiro), dopo una lavorazione con SmartCleave è necessario eseguire una operazione successiva affinché avvenga la separazione. Ciò può essere realizzato ricorrendo sia a una piccola forza meccanica sia a una forza termica. Ad esempio, quest’ultima si ottiene spesso con il riscaldamento tramite un laser a CO2 oppure con l’utilizzo della fiamma.

Massimizzare la qualità e la resistenza dei bordi

Un fattore chiave nello sviluppo della tecnologia di taglio SmartCleave è l’uso di un laser USP che adotta la modalità “burst mode”, come il laser Coherent HyperRapid NX. In modalità burst mode, il laser emette una serie di impulsi a intervalli ravvicinati. Se il tempo tra gli impulsi successivi nella sequenza è più breve del tempo di diffusione termica del materiale, allora il calore si accumula nel substrato che aumenta la duttilità del vetro.
Ciò produce un profilo di riscaldamento localizzato più dolce (e quindi meno stressante) rispetto ad una serie di impulsi con energia equivalente, erogati su un periodo più lungo. Questo ciclo di riscaldamento più dolce assicura diversi effetti positivi. In primo luogo, aumenta la velocità di taglio di un fattore pari a due. Successivamente, produce fori che sono più lisci e più diritti di quelli ottenuti con il taglio a filamentazione a singolo impulso. Inoltre, elimina la formazione di microfratture sui lati dei fori, un aspetto molto importante perché le microfratture possono ridurre significativamente la resistenza del vetro.

Il sistema proposto da IPROTec è una macchina completamente automatica in grado di eseguire la rimozione del tappo di un bicchiere da vino utilizzando la tecnologia di taglio SmartCleave, che raggiunge una velocità massima di 80 pezzi/min.
Il sistema proposto da IPROTec è una macchina completamente automatica in grado di eseguire la rimozione del tappo di un bicchiere da vino utilizzando la tecnologia di taglio SmartCleave, che raggiunge una velocità massima di 80 pezzi/min.

Implementato un sotto-sistema

IPROTec ha progettato e distribuito un sistema completamente automatizzato che utilizza la tecnologia di taglio SmartCleave per la rimozione dei tappi di vetro. Più precisamente, è stato utilizzato un sotto-sistema Coherent PowerLine® SmartCleave, che incorpora un singolo laser HyperRapid NX con 50 W di potenza media in uscita ad una lunghezza d’onda di 1.064 nm. Il sotto-sistema comprende anche diversi componenti ottici, interruttori del fascio, sensori ed elettronica. Tutti sono gestiti da un sistema di controllo laser Coherent, che ha un concetto di sicurezza laser che può essere facilmente integrato nel concetto di sicurezza della macchina del sistema IPROTec. A seconda di come la macchina viene configurata e utilizzata, è possibile processare fino a 80 bicchieri al minuto. Il sistema IPROTec è la prima apparecchiatura per il taglio dei bicchieri su cui è possibile adottare la tecnologia SmartCleave, offrendo così all’azienda un vantaggio importante perché consente ai propri clienti di ridurre il consumo energetico, migliorando al tempo stesso i rendimenti e riducendo gli scarti.

Il sistema ha già dato prova di sé sul campo, garantendo un’affidabilità 24 ore su 24, 7 giorni su 7, tanto richiesta da chi produce alti volumi di bicchieri in vetro. “All’inizio dello sviluppo dei nostri attuali sistemi per la rimozione dei tappi di vetro, abbiamo capito che il taglio SmartCleave era in grado di offrire enormi vantaggi per i nostri utenti finali”, ha commentato Tobias Bredl, Project Manager di IPROTec. “Uno dei motivi principali per cui abbiamo scelto Coherent come nostro fornitore di sotto-sistemi laser è stata la sua disponibilità e la sua capacità di collaborare con noi nello sviluppo del processo e della tecnologia. Questo aspetto è particolarmente importante per noi quando si tratta di implementare per la prima volta una nuova tecnologia che non conosciamo. Non volevamo dover diventare esperti di laser per poter sfruttare SmartCleave, quindi abbiamo molto apprezzato la volontà di Coherent di essere coinvolta e di mettere al nostro servizio le proprie conoscenze e le proprie soluzioni di prodotto in modo da aiutarci a ridurre il nostro time to market e abbassare i costi complessivi di sviluppo. Inoltre, ci è piaciuto il loro laser HyperRapid NX per diversi motivi. Implementa la modalità burst in modo molto efficace e ha una comprovata affidabilità. Il design compatto di HyperRapid NX rende poi facile l’integrazione nelle nostre macchine. Da segnalare anche che i laser e i sotto-sistemi Coherent sono supportati da una solida infrastruttura in grado di assicurare un servizio di assistenza globale. Si tratta di un aspetto molto importante, perché i nostri sistemi vengono installati in tutto il mondo”.

In conclusione, la capacità di IPROTec di fornire una soluzione high-tech in grado di svolgere un compito secolare e a basso contenuto tecnologico dimostra come le capacità di elaborazione dei laser USP possano rivoluzionare anche le industrie tradizionali. Questo è un esempio di come la “rivoluzione industriale nella scienza ultraveloce” di Coherent si estenda ben oltre il laboratorio laser e includa processi complessi come la realizzazione di display per smartphone, così come la produzione di alti volumi dell’umile bicchiere da vino, uno dei più antichi prodotti di consumo utilizzati dall’umanità.