STORIA | 60 anni di Laser: Una soluzione per tanti problemi (Parte 1)

STORIA | 60 anni di Laser (1/2) - Il laser è stato inventato 60 anni fa nel 1960. In occasione del suo 60° anniversario, giornalisti ed esperti del settore raccontano l'impatto che la tecnologia laser ha avuto in Germania e ne valutano il futuro.

Il 6 maggio 1964 il New York Times rilasciò un'intervista a Theodor Maiman, l'uomo che aveva costruito il primo laser nel 1960. 60 anni dopo sappiamo quanti problemi ha risolto la sua invenzione. Senza laser non avremmo avuto internet, non avremmo avuto computer e non avremmo avuto il sequenziamento dei geni, per citare solo alcune delle principali applicazioni. Ma ci sono voluti 60 anni e molte menti brillanti in tutto il mondo per risolvere tutti questi problemi con i laser.

Di Nikolaus Fecht (Dipl.-Ing. presso la Deutsche Presse-Agentur) e il Dr. Andreas Thoss (amministratore delegato di THOSS Media GmbH)

Tutto è iniziato nel maggio del 1960, con un punto rosso brillante. In un laboratorio di Malibu, il fisico e ingegnere elettrico Dr. Theodore H. Maiman stava sperimentando un rubino sintetico, lungo diversi centimetri. Questo cristallo a forma di bacchetta aveva uno specchio d'argento alle estremità ed era circondato da una lampada elicoidale allo xeno. La luce intensa di questa lampada faceva brillare la bacchetta di rosa - in termini fisici, eccitava gli atomi nel cristallo. Un impulso di luce rimbalzava e galoppava tra gli specchi e lasciava il rubino rosa come un fascio di luce rosso brillante. È stato il primo raggio laser mai documentato ufficialmente

Raggi della morte?

Nelle sue memorie, How the Laser Happened, il premio Nobel Charles Townes, un altro pioniere del laser, racconta come l'immaginazione dell'esercito sia stata lanciata fin dall'inizio dal potenziale distruttivo del laser. Si parlava di raggi mortali e di far cadere razzi nello spazio. Suo cognato e co-inventore, Arthur Schawlow, ha piuttosto incoraggiato questa idea dimostrando in pubblico come un laser possa essere usato per abbattere i palloncini delle feste

Tali idee hanno portato rapidamente a una massiccia espansione della ricerca e dello sviluppo - sia in Oriente che in Occidente. Gli Stati Uniti pensavano che il laser potesse essere "la più grande scoperta nel campo delle armi dai tempi della bomba atomica" e che avrebbe pompato milioni di dollari nella ricerca a partire dal 1960. In Germania i budget erano molto più ridotti; ma anche qui il Ministero della Difesa federale si è presto rivolto all'industria, sotto forma di aziende come Leitz e Telefunken. Divenne subito chiaro, tuttavia, che l'uso principale del laser era nei settori della misurazione e del rilievo. Lo sviluppo dei "raggi mortali" per abbattere i razzi non è mai andato oltre la fase di test.

Tra i primi a prendere in considerazione ci sono state, naturalmente, aziende affermate del settore dell'ottica. All'inizio degli anni '60, sia Carl Zeiss di Oberkochen, nell'ex Germania occidentale, sia VEB Carl Zeiss di Jena, nell'ex Germania orientale, hanno avviato attività di sviluppo, in parte a proprie spese. Nel 1962, il primo laser era già in funzione a Oberkochen, VEB Carl Zeiss presentò nel 1965 un primo modello di laboratorio di un telemetro laser-based range finder.

Il lavoro su progetti militari è stato presto affiancato da applicazioni civili, non da ultimo in Germania. Già a metà degli anni Sessanta, l'Accademia di architettura dell'ex Repubblica Democratica Tedesca (Bauakademie der DDR) aveva introdotto l'uso dei laser da costruzione - una ventina in tutto - per la misurazione e il rilievo ad alta precisione nella costruzione, ad esempio, di torri televisive

Piastre di trafilatura a diamante forate al laser

Zeiss a Oberkochen ha continuato a sviluppare laser a stato solido q-switched con una potenza di uscita di picco nella gamma di megawatt. Sebbene inadatti per la lavorazione dei materiali, erano più che adeguati per la misurazione e il rilevamento.

Per una mania del destino, è stato un ingegnere di precisione a spianare la strada alla prima applicazione industriale. Il Dr. Paul Seiler, all'epoca giovane ingegnere di laboratorio, ha avuto mano libera dal Dr. Siegfried Panzer, responsabile del laboratorio ad alta frequenza, per lavorare alla tecnologia laser. Seiler, oggi 82 anni ricorda:

"A seguito di esperimenti esplorativi con l'ottica del microscopio, abbiamo poi costruito un dispositivo da laboratorio. Eravamo in un territorio inesplorato - non era solo la tecnologia laser ad essere nuova, ma anche l'ottica e l'alimentazione a scarica di condensatori"

Ma il lavoro ha dato i suoi frutti, poiché Zeiss è riuscito a vendere il dispositivo da laboratorio, ad esempio, al produttore di lampadine Osram, che lo ha utilizzato per forare le piastre di estrazione dei diamanti

La saldatura laser sostituisce il tradizionale processo di incollaggio

Per Seiler, il passo decisivo è arrivato con un altro cliente, CARL Haas di Schramberg, nel sud-ovest della Germania. Lo specialista in ingegneria di precisione cercava un processo di saldatura con cui fissare la spirale al bilanciere degli orologi meccanici. Seiler ha sviluppato un sistema di laboratorio che ha funzionato così bene nelle prove di saldatura che Haas gli ha offerto un lavoro. Questo nel 1971.

Seiler si sentiva come se stesse arando un solco solitario a Zeiss, così si è trasferito ad Haas a Schramberg, dove insieme ad un piccolo team ha sviluppato un laser a stato solido adatto a scopi industriali. Questo laser ha poi sostituito il tradizionale processo di incollaggio per il fissaggio delle molle per capelli, che ha richiesto dieci volte tanto tempo. La svolta definitiva per Seiler e il suo team è seguita alla fine degli anni '70, quando la tecnologia laser ha aperto la strada alla produzione automatizzata di parti saldate per tubi catodici nella TV a colori recentemente sviluppata. Seiler è stato successivamente nominato amministratore delegato dell'allora società indipendente Haas Laser GmbH, che è entrata a far parte del gruppo TRUMPF nel 1992

Laser a gas contro i laser a stato solido

Alla TRUMPF la tecnologia laser è stata al centro dell'attenzione di un giovane manager - Berthold Leibinger. Inizialmente ingegnere progettista presso TRUMPF e poi, dal 1966, direttore tecnico - nel 1978 volò negli USA e visitò diversi produttori di laser. Nulla di ciò che vedeva era adatto a scopi industriali, ma ha acquistato il suo primo laser a CO2. Alla fine di un anno di intenso lavoro di sviluppo, ha presentato la sua prima macchina industriale per il taglio laser.

Gli ingegneri erano incuriositi dalle differenze tra laser a gas e laser a stato solido, spiega Christian Schmitz, amministratore delegato della TRUMPF per la tecnologia laser:

"Il laser a CO2 è stato in realtà il primo laser in assoluto in grado di fornire un'elevata potenza di uscita in funzionamento ad onde continue, mentre il laser a stato solido aveva un'elevata potenza di uscita in funzionamento ad impulsi, che lo rendeva ideale per l'applicazione di saldature a punti nei componenti elettronici"

Ma per i prossimi 20 anni, il taglio e la saldatura di parti in lamiera rimarranno appannaggio del laser a CO2. Solo all'inizio del nuovo secolo, con lo sviluppo di laser a diodi sempre più efficienti, la tecnologia a stato solido ha avuto la sua svolta.

Luce su misura con un'ampia gamma di lunghezze d'onda

Gli anni '80 hanno portato una nuova generazione di scienziati e un'ondata di nuovi istituti di ricerca. Uno di questi futuri ricercatori era Reinhart Poprawe. Ispirato da una visita al Lawrence Livermore National Laboratory in California, ha proseguito gli studi - e completato il dottorato - sotto la guida del professor Gerd Herziger alla Technical University di Darmstadt. Nel 1985, insieme a Herziger, ha poi fondato il Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT di Aquisgrana. All'epoca, Poprawe era amministratore delegato della Thyssen Laser Technik GmbH, che si stava allora facendo un nome con lo sviluppo delle prime macchine per il taglio laser su scala industriale per lamiere spesse e la successiva generazione di pezzi grezzi su misura per l'industria automobilistica. Dopo un altro paio d'anni, però, è passato a diventare direttore della Fraunhofer ILT

Alla Fraunhofer ILT, Poprawe ha potuto testimoniare come la tecnologia laser, in ogni nuova variante, si sia progressivamente affermata nell'industria manifatturiera. Guardando indietro, egli sceglie alcuni punti salienti: lo sviluppo del laser a impulsi ultracorti, del laser InnoSlab e, ultimo ma non meno importante, del concetto di "luce su misura" - tecnologia laser che fornisce luce perfettamente personalizzata per le singole applicazioni

Produzione additiva: La lunga strada verso l'applicazione industriale

Dopo l'euforia dei primi anni, la tecnologia laser ha dovuto dimostrare di poter battere i processi convenzionali in termini di qualità e costi. L'avvento della produzione additiva di parti metalliche offre un buon esempio di come le tecnologie rivali si sono battute per la supremazia. Secondo Schmitz, TRUMPF "ha avuto la sua parte nell'inventare" questa tecnologia. È stato nel 2004/05 che TRUMPF ha lanciato le sue prime macchine per la deposizione laser di metallo (LMD). Schmitz ricorda:

"Più o meno nello stesso periodo, però, sono arrivate sul mercato le prime fresatrici a cinque assi veramente veloci. E con la produzione additiva, i pezzi avevano sempre bisogno di un po' di finitura. Così la gente pensava che fosse meglio fresarli da un unico pezzo di materiale"

Mentre lo sviluppo di LMD continuava, TRUMPF ha sospeso il suo lavoro sulla fusione dei metalli laser (LMF). La produzione della Trumaform - la prima macchina LMF di TRUMPF - è stata interrotta e riavviata solo nel 2013/14, in collaborazione con l'azienda italiana Sisma.

Poi ad Aquisgrana è stata sviluppata una nuova idea che si è rivelata rivoluzionaria: la deposizione di materiale laser ad altissima velocità - un processo noto anche con l'acronimo tedesco EHLA. È stato sviluppato e brevettato presso il Fraunhofer ILT in collaborazione con la cattedra di produzione di additivi digitali (DAP) della RWTH Aachen University. Questo ha aumentato la velocità di deposizione da 2 metri, al massimo, a diverse centinaia di metri al minuto. In seguito alla stretta collaborazione con la società di ingegneria olandese Hornet Laser Cladding e con ACunity, spin-off di Fraunhofer ILT, la tecnologia EHLA è stata poi lanciata per la produzione industriale in tutto il mondo. Anche il pioniere del laser TRUMPF è rimasto impressionato dalle velocità di rivestimento elevate consentite dalla tecnologia EHLA e nel 2017 ha avviato la produzione della sua gamma di grande successo di TruLaser Cell di macchine EHLA per la lavorazione di componenti di varie dimensioni. Attualmente l'idea è stata estesa a veri e propri processi 3D.

Dopo 20 anni di alti e bassi, i processi di produzione additiva basata sul laser hanno finalmente raggiunto la svolta del mercato.