Duurzaamheid Verbeteren In Laser Productieprocessen

Lasers worden gebruikt in diverse productieprocessen, en in de afgelopen jaren is het spectrum steeds breder geworden. Of het nu VCSELs in sensortechnologie, blauwe en groene lasers voor het lassen van batterijcellen, krachtige vezellasers in additieve fabricage, of quantum cascade lasers in medische technologie, lasertechnologie revolutioneert momenteel talrijke industrieën. Maar één ding springt eruit — zelfs in moderne productiefaciliteiten wordt de mogelijkheid om laser-gebaseerde processen duurzamer te maken door het lasersysteem zelf te meten vaak verwaarloosd.

Er zijn veel nieuwe technologieën en instrumenten die bijdragen aan verhoogde productiekwaliteit in laser-gebaseerde processen terwijl documentatie vereenvoudigd wordt en middelen bespaard worden. Vandaag de dag is het zelfs mogelijk om de hele bundelcaustica te karakteriseren met cyclus-tijd-neutrale, volledig geautomatiseerde metingen tijdens de zeer korte ladingscyclus van een robottecel of in een afgedichte bouwkamer in additieve fabricage.

Een Paradoxa Met Risico's

Veel jaren was er een volhardende overtuiging dat een laserbundel, per se, "onderhoudsvrij" is, aangezien hij nooit "verstompt" als een gereedschap. Nog steeds zijn er bedrijven die investeren in state-of-the-art productiefaciliteiten maar de laser veel te zelden meten en met verouderde meettechnologie. De realiteit is dat laserprocessen in de loop van de tijd veranderen. Mensen in de industrie beginnen te realiseren hoe belangrijk het is om de gefocuste laserbundel te controleren. Naast toenemende eisen aan componentkwaliteit en de economische druk waar veel bedrijven voor staan, wordt duurzaamheid een cruciale beslissingsfactor. Maar hier moeten lasertechnologie en milieubewustzijn hand in hand gaan. De doelstellingen zijn duidelijk:

• Geen schroot;
• Gereduceerd materiaalverbruik;
• Lager energieverbruik;
• Minimalisatie van herwerk.

Bij het ontwerpen van processen moet één ding in gedachten gehouden worden: een laser werkt alleen maar zo goed als zijn bundelaflevering. En de ingebouwde componenten slijten en vervuilen in de loop van de tijd. Dit veroorzaakt vaak ofwel dat de focusdiameter in het algemeen groter wordt of de focuspositie verschuift, wat ook resulteert in een grotere bundeldiameter. In beide gevallen vermindert dit de vermogensdichtheid op het verwerkingsniveau. Als deze veranderingen onopgemerkt blijven, zullen additionele kosten ontstaan — materiaal verspild in defecte onderdelen en/of tijd en arbeid verspild in het troubleshooten van het probleem. Om de verandering in het proces te compenseren zonder de bron daadwerkelijk te repareren, grijpen gebruikers toe tot het verminderen van de verwerkingssnelheid en/of het verhogen van het laservermogen. Beiden leiden tot hoger verbruik van energie en procesgassen. Met andere woorden... niet iets wat iemand wil of zich kan permitteren tegenwoordig!

Focuskwaliteit En Eenheidskosten

Om de duurzaamheid van het laserproces te vergroten, kan men op een paar verschillende instaptochten beginnen. Eerst is het van vitaal belang om te weten hoe de bundelfocus zich in het algemeen gedraagt en hoe eventuele veranderingen in laservermogen en focuspositie het proces zullen beïnvloeden. Deze onderzoeken worden doorgaans tijdens de ontwikkeling uitgevoerd.

Eenmaal het laserproces in productie genomen wordt, kan een meting vertellen of de laser nog steeds werkt in de productieomgeving zoals het in de ontwikkeling deed. Naarmate de operatie voortduurt, omvatten essentiële onderhoudstaken het controleren van de optische lenzen en beschermingsvensters — en het vervangen ervan waar nodig. Als fouten en afkeur optreden, wordt aanbevolen om een duidelijke meetstrategie te hebben die definieert hoe het lasersysteem snel weer operationeel kan worden.

De volgende procedure levert doorgaans goede resultaten op:

1. Controleer de bundelaanpassing aan de snijmonding (indien relevant).
2. Vervang het beschermingsvenster.
3. Controleer de bundelpad aanpassing.
4. Controleer de outputbundel van de laser op vermogen en bundelprofiel.

De centrale parameters die gemeten moeten worden zijn laservermogen, focusdiameter, focuspositie (x, y, z), focusverschuiving, bundelprofiel en divergentie, bundelkwaliteit M2, alsook BPP (beam parameter product). Echter, voor al deze metingen, moet de vraag welke meettechnologie te gebruiken niet uitsluitend gebaseerd worden op laservermogen; het is essentieel om ook de laservermogensdichtheid te kennen.

Laservermogensdichtheid is gedefinieerd als het vermogen per eenheid oppervlakte (watt/cm²). Een verandering in de focusdiameter — bijvoorbeeld door een onjuist gekoelde lens of een vies beschermingsvenster — oefent een directe invloed uit op de vermogensdichtheid van de laserbundel en kan meerdere gevolgen hebben:

• De voedingsnelheid moet mogelijk verminderd worden.
• De kwaliteit van het bewerkte deel in het snij- of lasproces kan lijden.
• Productietijden en energieverbruik kunnen toenemen, evenals de behoefte aan dure gassen gebruikt in verwerking.
• De warmtebeïnvloede zone (HAZ) zal groter zijn, wat meer na-bewerking vereist zoals richten, ontdoen, of polijsten. Onder bepaalde omstandigheden kan een onopgemerde kwaliteitsverlies leiden tot verminderde sterkte — een defect dat, eenmaal herkend, kan leiden tot dure terugroepacties.

Deze technische effecten nemen onvermijdelijk een aanzienlijke tol op kosten en duurzaamheid. Hoe groter de afwijking in de bundelkwaliteit op het verwerkingspunt, des te meer uitgegeven aan energie en procesgassen.

Efficiënt Vermogen Meten

Zelfs met deze duidelijke correlaties, claimen critici vaak dat het meten van de laserbundel te duur is en de instrumenten te kwetsbaar. Maar nieuwe technologieën zijn beschikbaar die optimaal aangepast zijn aan industriële toepassingen.

MKS Instruments heeft bijvoorbeeld onlangs een nieuwe vermogenmeter geïntroduceerd die niet alleen een breed bereik van lasertoepassingen dekt, maar ook tamelijk klein, compact, en robuust is. De Ophir Ariel bepaalt laservermogen tot 8 kW op basis van een snelle meting van de energie. Zelfs in continue modus kunnen vermogensniveaus tot 500W gemeten worden. Verschillende golflengtebereiken — 440-550nm, 900-1100nm, 10,6 µm en 2,94 µm — kunnen gekalibreerd en gemeten worden met één apparaat. De inbegrepen diffuser kan gemakkelijk bevestigd worden zodat het instrument ook werkt met hoge vermogensdichtheden, zoals wanneer de bundeldiameter klein is.

Gegeven de soorten industriële omgevingen waarin laser meting gebruikt wordt, moet het systeemontwerp robuust zijn; bij voorkeur schokbestendig, stofbestendig en spatbestendig; zonder behoefte aan koeling met water of lucht. Dit stelt metingen in gesloten bouwkamers toe, zoals vaak de noodzaak is in additieve fabricage of robottecellen. Metingen moeten leesbaar zijn via Bluetooth met een app of op een PC, en direct getoond op een hoog-resolutie display. Als alternatief kunnen ze opgeslagen worden in het interne geheugen en overgedragen via een USB-C interface. Ontwikkelaars, operators en servicetechnici kunnen een eerste indruk van de proceskwaliteit krijgen door snel het laservermogen te bepalen met dergelijke compacte instrumenten.

Geautomatiseerde Processen

Voor prestatiemeting in geautomatiseerde laserproductiesystemen zijn er ook compacte en robuuste systemen beschikbaar die functioneren zonder de noodzaak voor waterkoeling. Dergelijke systemen meten de laserbundel snel en betrouwbaar, en ze transmitteren de data naar een centraal dataopslagsysteem via een geschikte netwerkinterface. Dergelijke systemen omvatten een standaard RS232 interface. Modernere systemen, zoals de Ophir Helios Plus, hebben ook een Profinet of een Ethernet/IP interface. Met een thermische meetmethode kunnen dergelijke apparaten laservolumes tot 10 kW of meer in slechts een paar seconden bepalen.

Zelfs in zeer complexe processen, zoals het lassen van batterijpakketten of het fabriceren van een brandstofcel, kan de proactieve meting van het laservermogen zowel snel als precies zijn. Het moet echter worden opgemerkt dat het meten van het laservermogen alleen een eerste blik geeft in complexere processen.

Om betrouwbare conclusies te trekken over de laserbundelcaustica, vereist men ofwel een camera-gebaseerd meetsysteem of een contactloze meetmethode. Figuur 3, links, toont een camera-gebaseerd meetapparaat dat langs de z-as bewogen moet worden om de focuspositie te vinden door middel van de bepaalde bundelprofielen. Rapide veranderingen in de focuspositie zijn daarom moeilijk te detecteren. Aan de rechterkant is een schematische weergave van een contactloze meettechnologie, die toont dat de caustica van de gehele bundel tegelijkertijd opgenomen wordt. Hier toont een verandering in de focuspositie zich onmiddellijk en is opgelost in ruimte en tijd.

Met name in het veld van geautomatiseerde productie, bewijst contactloze meting van de laserbundel een heldere toekomst te hebben. In gevoelige gebieden, zoals de fabricage van tandwielkasten of batterijpakketten, combineren nieuwe producten meerdere meetmethoden in een enkel systeem. In het Ophir BeamWatch Integrated systeem, bijvoorbeeld, kunnen bundelcaustica opgenomen worden met contactloze meettechnologie; een water-gekoelde meetkop voor hoogvermogen lasers bepaalt het laservermogen; en de meetdata wordt doorgegeven aan het productienetwerk via geïntegreerde interfaces (Profinet, Ethernet/IP, CC-Link, GigE). Verschillende laskoppen en parameters kunnen ook getest worden. Door de bundel op video-framesnelheden vast te leggen, kan focusverschuiving in near real-time gedetecteerd worden, zoals getoond in Figuur 4. Hier was een vies beschermingsvenster de schuldige voor de verschuiving in focus.

Grotere Duurzaamheid

Lasersystemen zijn centraal voor een verscheidenheid aan complexe productieprocessen. Dankzij nieuwe innovaties in meettechnologieën, hebben fabrikanten en gebruikers nu een breed scala aan opties voor proactief meten van de laserbundel. Sleutel laserparameters kunnen snel en accuraat vastgelegd en aangepast worden. Dit zorgt ervoor dat het proces onder optimale condities draait, dat er geen additionele kosten zijn door verspilde energie en materialen, en dat de geproduceerde producten aan de hoogste kwaliteitseisen voldoen. Meettechnologie voor de laser draagt dus significant bij aan duurzame productie.

Dit artikel is geschreven door Christian Dini, Director Business Development, Ophir (North Logan, UT). Voor meer informatie, bezoek hier.