Miglioramento le prestazioni delle lavorazioni basate su laser ultraveloci: il ruolo dell’ottica adattiva nell’incremento della qualità e della produttività

Ultrafast laser-based manufacturing has become a pivotal technology across diverse industrial sectors, offering exceptional precision and flexibility in material processing. Despite its growing adoption, the scalability of this technique remains limited by fundamental physical constraints. Simply increasing laser power or pulse intensity does not proportionally enhance ablation rates due to saturation effects and material-specific thresholds, such as the maximum achievable groove aspect ratio. Similarly, raising scanning speeds at constant power reduces the laser-material interaction time, thereby hindering some processes and material transformations. This thesis explores how integrating adaptive optics into ultrafast laser systems can address these limitations. The focus is on dynamic beam shaping, thus modifying the spatial characteristics of the laser beam to optimize energy distribution on the workpiece surface. This control is crucial, as the beam profile directly influences process efficiency, accuracy, and adaptability. The research begins by establishing the theoretical and practical foundations of ultrafast laser processing, laser-matter interaction, and adaptive optics as a tool for real-time beam shaping. It then demonstrates how adaptive optics can enable higher processing speeds, decoupling this by the interaction time, thereby improving both throughput and quality. A custom experimental setup was developed within the BrightLab laboratory at Tecnopolo in Reggio Emilia to support this investigation. This system integrates safety protocols, material compatibility considerations, beam quality monitoring, and an adaptive optics module for beam shaping. The setup enables processing across a wide range of scales, from macro to micro and nano, and materials, including those traditionally considered difficult or impossible to machine. These materials include glass, polymers, carbon fiber composites, zirconia, steel, aluminum, sintered titanium, and copper foils. The thesis highlights several application areas, such as microfluidic channel fabrication, surface wettability tuning, biocompatibility enhancement, and selective cleaning. It also establishes the foundational understanding of how adaptive optics can be used to dynamically modify the laser intensity distribution on the workpiece surface. Experimental results show substantial productivity gains: by using elliptical beams with aspect ratios of 1:4 and 1:20, up to 70% faster processing for parallel and grid groove texturing, and over 93% faster for generating Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) on AISI 420 stainless steel are reported. The adaptive optics system enables beam shape reconfiguration within milliseconds, offering high flexibility for industrial applications like large-area mold texturing. Finally, the thesis presents preliminary numerical simulations that integrate beam shaping, demonstrating their potential to predict and optimize system performance in advance. This approach supports the design of more efficient laser processing strategies, paving the way for scalable, high-throughput ultrafast laser manufacturing.

Le lavorazioni con laser a impulsi ultracorti rappresentano oggi una tecnologia fondamentale in numerosi settori industriali, grazie alla loro precisione e versatilità. Tuttavia, gli sforzi per aumentarne la produttività incontrano un limite intrinseco: l’incremento dell’intensità dell’impulso non comporta un aumento proporzionale del tasso di ablazione, a causa di effetti di saturazione e compromessi nella qualità del processo. Ciò è dovuto principalmente ai limiti nella risposta del materiale, ad esempio nel massimo rapporto di forma del solco ablato. Allo stesso modo, l’aumentare della velocità di scansione a fluenza costante riduce il tempo di interazione, inibendo alcuni processi di trasformazione del materiale. Questa tesi esplora l’integrazione dell’ottica adattiva nei sistemi laser ad impulsi ultracorti come strategia per superare tali limitazioni. L’attenzione è rivolta alla modellazione dinamica del fascio laser, ovvero alla modifica delle caratteristiche spaziali del fascio, al fine di ottenere una distribuzione energetica ottimizzata sulla superficie del pezzo. Questo controllo è cruciale, poiché il profilo del fascio influenza direttamente l’efficienza, l’accuratezza e la versatilità del processo. La ricerca inizia con la definizione delle basi teoriche e pratiche della lavorazione laser ad impulsi ultracorti, dell’interazione laser-materia e dell’ottica adattiva come strumento per la modellazione dinamica del fascio. Viene poi dimostrato come l’ottica adattiva consenta di aumentare la velocità di lavorazione, disaccoppiandola dal tempo di interazione, migliorando così sia la produttività che la qualità. Per supportare questa indagine è stato sviluppato ed implementato un sistema sperimentale avanzato efficace sulle diverse classi di materiale all’interno del laboratorio BrightLab, nel Tecnopolo di Reggio Emilia. L’impianto integra dispositivi di sicurezza, di monitoraggio della qualità del fascio e un modulo di ottica adattiva per la modifica della distribuzione del fascio, consente lavorazioni a diverse scale, dal macro al micro fino al nano, e su un’ampia gamma di materiali, inclusi quelli tradizionalmente difficili o impossibili da lavorare con metodi tradizionali. Tra questi: vetro, polimeri, compositi in fibra di carbonio, zirconia, acciaio, alluminio, titanio sinterizzato e fogli di rame. La tesi evidenzia diverse applicazioni, tra cui la fabbricazione di canali microfluidici, la modifica della bagnabilità delle superfici, il miglioramento della biocompatibilità e la pulizia selettiva. Vengono inoltre poste le basi teoriche per l’utilizzo dell’ottica adattiva come tecnica per modificare dinamicamente la distribuzione di intensità incidente sul pezzo. I risultati sperimentali mostrano significativi incrementi di produttività: utilizzando un fascio ellittico con rapporti di forma pari a 1:4 o 1:20 si ottiene un aumento fino al 70% della velocità per la testurizzazione a griglia e parallela, e di oltre il 93% per la generazione di strutture periodiche indotte da laser (LIPSS) su acciaio inox AISI 420. Il sistema di ottica adattiva consente la riconfigurazione del fascio in millisecondi, offrendo un’elevata flessibilità per applicazioni industriali come la testurizzazione di stampi su larga scala. Infine, la tesi presenta simulazioni numeriche preliminari che integrano la modulazione del fascio, dimostrando il potenziale di queste tecniche per prevedere e ottimizzare le prestazioni del sistema, supportando la progettazione di strategie di lavorazione laser più efficienti e scalabili.