Ridurre gli sprechi, non gli angoli: come i laser avanzati stanno plasmando la produzione ecosostenibile / Cutting waste, not corners – how advanced lasers are shaping eco-friendly manufacturing

Ridurre gli sprechi, non gli angoli: come i laser avanzati stanno plasmando la produzione ecosostenibile / Cutting waste, not corners – how advanced lasers are shaping eco-friendly manufacturing

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Una nuova generazione di laser che sfrutta lampi di luce ultrabrevi sta dimostrando un grande potenziale per la produzione sostenibile di componenti di precisione.

I miglioramenti nella tecnologia laser potrebbero aiutare ad aumentare la sostenibilità nella produzione.

L'ingegnere meccanico e responsabile della ricerca tedesco Martin Osbild è un sostenitore dell'evitare gli sprechi. A casa, preferirebbe riparare piuttosto che sostituire gli articoli domestici rotti, dalle lavatrici ai frullatori ed alle biciclette. Al lavoro, gli stessi principi ambientali sono in cima alla sua agenda.

Osbild è a capo di un gruppo di ricercatori presso il Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) di Aquisgrana, in Germania, che sta studiando come i miglioramenti nella tecnologia laser potrebbero contribuire a ridurre gli sprechi e ad aumentare la sostenibilità ambientale nella produzione. 

Il loro lavoro fa parte di una collaborazione di ricerca quadriennale finanziata dall'UE chiamata METAMORPHA che si concluderà nell'agosto 2026.

Produzione di precisione

L'attenzione principale è rivolta alla microlavorazione laser, ovvero alla lavorazione e alla sagomatura ad altissima precisione di metalli e altri materiali, impiegabili in settori quali l'elettronica, l'aerospaziale e le applicazioni mediche. 

Questo lavoro sta diventando sempre più importante in mezzo ad una crescente domanda di componenti in miniatura. Le linee di produzione odierne si basano sulla microlavorazione nella produzione di parti complesse da utilizzare in prodotti che spaziano dall'elettronica di fascia alta agli orologi di lusso. 

Secondo Osbild, molte delle tecniche di microlavorazione esistenti comportano processi meccanici ed elettrochimici inefficienti e poco flessibili, che consumano molta energia e producono al contempo grandi quantità di rifiuti e sostanze chimiche nocive. 

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L'Europa sta guidando lo sviluppo delle economie e della tecnologia della regione verso un mondo migliore.

David Bruneel, LASEA

"Molti processi industriali sono piuttosto vecchi, il che significa che sono stati ben studiati, ma anche che non sono rispettosi dell'ambiente", ha affermato.

Per Osbild ed il suo gruppo, la soluzione risiede nella tecnologia laser, e più specificamente nel cosiddetto laser ad impulsi ultracorti (USP). L'utilizzo di impulsi di luce estremamente brevi, della durata di appena quadrilionesimi o trilionesimi di secondo, per tagliare e strutturare le superfici consente una precisione molto maggiore rispetto ad un impulso laser più lungo od ad una radiazione continua. 

La maggiore accuratezza al primo tentativo della lavorazione laser riduce gli sprechi ed evita anche l'uso di sostanze chimiche richieste nei processi tradizionali. Inoltre, la tecnica aggira la necessità di sostituire gli utensili poiché non c'è usura. Riduce inoltre al minimo il riscaldamento della superficie, la perdita di energia e la necessità di rivestimenti. I laser USP possono elaborare quasi tutti i materiali con una precisione su scala micrometrica.

Dito sul polso

Uno degli ostacoli che i ricercatori devono affrontare è che i laser USP richiedono un'intensa potenza laser per essere efficienti su scala industriale.

"Per anni lo svantaggio dei laser USP è stato che non erano abbastanza potenti da essere competitivi per applicazioni più industriali con parti di grandi dimensioni", ha affermato David Bruneel, coordinatore della ricerca di gruppo presso LASEA, un produttore di macchine laser industriali con sede a Liegi, in Belgio. 

LASEA sta lavorando a stretto contatto con il gruppo del Fraunhofer ILT e con altri partner di ricerca provenienti da Francia, Germania, Grecia, Lussemburgo, Paesi Bassi e Spagna per potenziare la tecnologia laser USP per la produzione su larga scala. 

I ricercatori sono ora impegnati nella sperimentazione di un sistema USP da 1 kilowatt che, a loro avviso, potrebbe ampliare significativamente la gamma di applicazioni della microlavorazione USP rispetto agli attuali sistemi commerciali che operano a potenze da 200 a 300 watt.

"Ora assistiamo ad un vero aumento di potenza, che renderà la microlavorazione molto più produttiva", ha affermato Bruneel.

L'obiettivo è sostituire l'intera catena di produzione di microlavorazione con un singolo sistema laser USP digitale. Questo incorporerà sensori 3D ed algoritmi di apprendimento automatico per massimizzare l'efficienza, aiutare a personalizzare i progetti e monitorare gli sprechi.

Industria 5.0

Le prove dimostrano che questa tecnologia potrebbe potenzialmente ridurre sia gli sprechi che l'uso di energia del 90%. Può essere applicata alla realizzazione di un'ampia gamma di prodotti, dai componenti elettronici alle testine dei rasoi ed alle macchine per la goffratura di lamiere metalliche utilizzate sulle carrozzerie delle auto e sulle lattine per alimenti e bevande. Il potenziale è enorme.

Nel corso degli anni, LASEA ha preso parte a numerosi progetti finanziati dall'UE sullo sviluppo della tecnologia laser e della fotonica, beneficiando sia dei finanziamenti dell'UE sia delle competenze condivise di un'ampia gamma di partner europei. Ciò ha aiutato l'azienda a crescere in modo esponenziale dal 1999. 

Ha inoltre contribuito a mantenere posti di lavoro di alto livello e competenze tecniche in Europa in un settore di importanza strategica.

Per Bruneel, i finanziamenti dell'UE nel settore della produzione laser stanno contribuendo a guidare la regione verso l'Industria 5.0, in cui le persone collaborano con tecnologie avanzate e basate sull'intelligenza artificiale per contribuire al miglioramento ambientale ed alla resilienza, dando priorità al benessere dei lavoratori.

"L'Europa sta guidando lo sviluppo delle economie e della tecnologia della regione verso un mondo migliore", ha affermato.

Ispirazione naturale

LASEA era anche coinvolta in una precedente iniziativa di ricerca finanziata dall'UE chiamata LAMPAS che ha sviluppato un sistema laser USP ad alta potenza ispirato ai processi biologici. L'osservazione delle proprietà autopulenti delle foglie di loto, ad esempio, ha portato allo sviluppo di superfici con caratteristiche idrorepellenti. 

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Imitando questi sistemi biologici, possiamo creare materiali più performanti, più duraturi e che contribuiscono al risparmio energetico.

Professor Andrés Lasagni, LAMPAS

"Trarre ispirazione dalla biologia è particolarmente potente perché la natura ha sviluppato funzionalità di superficie incredibilmente efficienti", ha affermato il professor Andrés Lasagni, specialista in fotonica ed ingegneria delle superfici laser presso l'Università tecnologica di Dresda in Germania, che ha coordinato la ricerca.

La tecnologia sviluppata può essere utilizzata per superfici prodotte al laser con proprietà facili da pulire in forni, frigoriferi ed altri elettrodomestici, nonché superfici anti-impronta. Il trattamento laser degli elettrodomestici per il riscaldamento dell'acqua nelle lavastoviglie ha anche portato ad un minore accumulo di minerali, contribuendo ad impedire che le macchine si intasino.

Un'altra fonte di ispirazione per la progettazione di superfici che riducono l'attrito e la resistenza aerodinamica è stata la pelle di squalo, con implicazioni in settori come i trasporti e l'aerodinamica. 

"Imitando questi sistemi biologici, possiamo creare materiali che funzionano meglio, durano più a lungo e contribuiscono al risparmio energetico", ha affermato Lasagni.

Forza motrice

Lasagni ha anche sottolineato che la collaborazione promossa dal sostegno dell'UE al settore è una forza trainante per l'industria europea. LAMPAS, che si è concluso nel 2022, ha coinvolto aziende di tecnologia laser provenienti da Belgio, Francia, Germania e Spagna.

"Questo livello di collaborazione è fondamentale per promuovere l'innovazione e garantire che gli ultimi progressi tecnologici non siano solo sviluppati in Europa, ma anche commercializzati qui", ha affermato.

Guardando al futuro, ha affermato che le tecnologie laser sono destinate a essere adottate su larga scala, poiché i produttori di tutti i settori continuano a cercare modi per migliorare l'efficienza e le prestazioni, riducendo al contempo l'impatto ambientale. 

"Le funzionalità che tali tecnologie forniscono non sono solo belle da avere", ha affermato. "Possono migliorare fondamentalmente le prestazioni dei prodotti in molti settori".

ENGLISH

A new generation of lasers using ultrashort bursts of light is showing great potential for the sustainable manufacturing of precision parts.

Improvements in laser technology could help increase sustainability in manufacturing.

German mechanical engineer and research manager Martin Osbild is a fan of avoiding waste. At home, he would far sooner repair than replace broken household items – from washing machines to food blenders and bicycles. At work, the same environmental principles are high on his agenda.

Osbild is leading a team of researchers at the Fraunhofer Institute for Laser Technology (Fraunhofer ILT) in Aachen, Germany, who are looking at how improvements in laser technology could help cut down on waste and enhance environmental sustainability in manufacturing. 

Their work is part of a four-year EU-funded research collaboration called METAMORPHA that will conclude in August 2026.

Precision production

The main focus is on laser micromachining – the extremely high-precision shaping and processing of metals and other materials needed in areas such as electronics, aerospace and medical applications. 

This work is becoming increasingly important amid a growing demand for miniature components. Today’s production lines rely on micromachining in the production of intricate parts for use in products ranging from high-end electronics to luxury watches. 

According to Osbild, many existing micromachining techniques involve inefficient and inflexible mechanical and electrochemical processes that consume lots of energy while producing extensive waste and harmful chemicals. 

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Europe is guiding the development of the region’s economies and technology towards a better world.

David Bruneel, LASEA

“Many industrial processes are quite old, which means they’re well studied, but also not environmentally friendly,” he said.

For Osbild and his team, the solution lies in laser technology – and more specifically, so-called ultrashort-pulse (USP) lasering. Using extremely short pulses of light lasting just quadrillionths to trillionths of a second to cut and structure surfaces allows far greater precision than a longer laser pulse or continuous radiation. 

The higher first-time accuracy of laser processing reduces waste and also avoids the use of chemicals required in traditional processes. In addition, the technique gets around the need to replace tools as there is no wear and tear. It also minimises surface heating, energy loss and the need for coatings. USP lasers can process almost any material with micrometre-scale precision.

Finger on the pulse

One of the obstacles the researchers face is that USP lasers require intense laser power to be efficient on an industrial scale.

“The drawback of USP lasers for years was that they were not powerful enough to be competitive for more industrial applications with big parts,” said David Bruneel, group research coordinator at LASEA, a manufacturer of industrial laser machines based in Liège, Belgium. 

LASEA is working closely with the team at Fraunhofer ILT and other research partners from France, Germany, Greece, Luxembourg, the Netherlands and Spain to scale up USP laser technology for large-scale manufacturing. 

The researchers are now involved in testing a 1-kilowatt USP system that they believe could significantly open up the range of applications for USP micromachining compared to current commercial systems operating at powers of 200 to 300 watts.

“Now we see a real rise in power, which will make micromachining a lot more productive,” said Bruneel.

The aim is to replace the whole micromachining manufacturing chain with a single digital USP laser system. This will incorporate 3D sensors and machine learning algorithms to maximise efficiency, help tailor designs and monitor waste.

Industry 5.0

Tests show that this technology could potentially cut both waste and energy use by 90%. It can be applied in making a wide variety of products, from electronic components to razor heads and machines for embossing metal sheets used on car bodies and food and drink cans. The potential is huge.

LASEA has been involved in a number of EU-funded projects on the development of laser technology and photonics over the years, benefitting from both EU funding and the shared expertise of a wide range of European partners. This has helped the company to grow exponentially since 1999. 

It has also helped to keep high-end jobs and technical know-how in Europe in a sector of strategic importance.

For Bruneel, EU funding in the laser manufacturing sector is helping to drive the region towards Industry 5.0 – in which people work together with advanced and AI-driven technology to contribute to environmental improvements and resilience, while also prioritising worker well-being.

“Europe is guiding the development of the region’s economies and technology towards a better world,” he said.

Natural inspiration

LASEA was also involved in an earlier EU-funded research initiative called LAMPAS that developed a high-power USP laser system inspired by biological processes. Observing the self-cleaning properties of lotus leaves, for example, led to the development of surfaces with water-repellent features. 

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By mimicking these biological systems, we can create materials that perform better, last longer and contribute to energy savings.

Professor Andrés Lasagni, LAMPAS

“Taking inspiration from biology is especially powerful because nature has evolved incredibly efficient surface functionalities,” said Professor Andrés Lasagni, a photonics and laser surface engineering specialist at Dresden University of Technology in Germany who coordinated the research.

The technology developed can be used for laser-produced surfaces with easy-to-clean properties in ovens, fridges and other household appliances, as well as anti-fingerprint surfaces. Laser-based treatment of appliances for heating water in dishwashers has also resulted in less accumulation of minerals, helping prevent the machines from getting clogged up.

Shark skin was another source of inspiration for surface designs that reduce friction and drag, with implications in sectors like transportation and aerodynamics. 

“By mimicking these biological systems, we can create materials that perform better, last longer and contribute to energy savings,” said Lasagni.

Driving force

Lasagni also stressed that the collaboration fostered by EU support to the sector is a driving force for European industry. LAMPAS, which finished in 2022, involved laser technology companies from Belgium, France, Germany and Spain.

“This level of collaboration is key to fostering innovation and ensuring that the latest advances in technology are not only developed in Europe, but also commercialised here,” he said.

Looking ahead, he said laser technologies are set to become more widely adopted as manufacturers across industries continue seeking ways to improve efficiency and performance while reducing environmental impact. 

“The functionalities such technologies provide are not just nice to have,” he said. “They can fundamentally improve product performance in many industries.”

Da:

https://projects.research-and-innovation.ec.europa.eu/en/horizon-magazine/cutting-waste-not-corners-how-advanced-lasers-are-shaping-eco-friendly-manufacturing?pk_source=newsletter&pk_medium=email&pk_campaign=30112024&pk_content=energy_environment_industry_science-in-society