Abraham Lincoln, de 16e president van de Verenigde Staten, zei ooit: 'Je kunt alle mensen een deel van de tijd voor de gek houden, en je kunt een deel van de mensen de hele tijd voor de gek houden, maar je kunt niet alle mensen de hele tijd voor de gek houden.' [11Hetzelfde geldt voor het monitoren van de prestaties van lasers die in een systeem zijn geïntegreerd. Bij industriële productie kan het hele systeem gedurende een bepaalde periode worden gemonitord, of kan een deel van het systeem voortdurend worden gemonitord, maar het is onmogelijk om het hele systeem voortdurend te monitoren. In het tijdperk van Industrie 4.0, dat wil zeggen het tijdperk van slimme productie, is het erg belangrijk om het verschil tussen beide te begrijpen.
Industrie 4.0 verandert de productiesituatie in alle lagen van de bevolking. Technologische vooruitgang helpt fabrikanten de industriële productie efficiënter, sneller en slimmer uit te voeren. Om slimme machines goed toe te passen, is het noodzakelijk om verschillende data te verzamelen, te analyseren en te filteren om het proces te verbeteren. Te weinig data staat procesverbetering in de weg, maar tegelijkertijd kan te veel data contraproductief zijn.
Laserverwerkingssystemen hebben hun eigen werkingskenmerken en aanverwante problemen. Te veel gegevens over laserprestaties kunnen contraproductief zijn, omdat deze overweldigend en overweldigend kunnen zijn.
Wanneer moeten we laserprestatiestatistieken meten?
Er zijn vier manieren om de laserprestaties te meten. De eerste benadering is waar de meeste lasersysteembeheerders de voorkeur aan geven, namelijk gepland onderhoud. Bij deze aanpak worden de laserprestatiegegevens gemeten op basis van de geplande uitvaltijd van de laser, meestal driemaandelijks, halfjaarlijks of jaarlijks. Gedurende deze tijd worden de laserprestatiestatistieken gemeten en vergeleken met eerdere metingen om trends in de laserwerking te analyseren.
De tweede methode is het meten tijdens processtoringen. Als de laskwaliteit bijvoorbeeld verslechtert tijdens het laserlassen, of als het snijden mislukt of niet kan worden uitgevoerd tijdens het lasersnijden, kunnen de prestaties van de laser worden gemeten om het lasersysteem te herstellen naar de ontworpen bedrijfsparameters.
De derde en vierde methode zijn precies wat dit artikel zal bespreken: monitoring tijdens het proces en monitoring tijdens het proces. Beide methoden hebben hun voor- en nadelen. Operators moeten duidelijk zijn over de voor- en nadelen van deze twee methoden, terwijl ze de optimale verwerkingsmethode van de laser beheersen. Bovendien moeten operators ook begrijpen welke laserindicatoren van cruciaal belang zijn om te meten tijdens industriële productieprocessen.
Hoe verwerkt de laser materialen?
Volgens hoge eisen moeten operators, ongeacht voor welke verwerkingstechnologie de laser wordt gebruikt, begrijpen hoe de laser materialen verwerkt. Om bijvoorbeeld te weten welk type laser geschikt is om te lassen, moet je zelfs begrijpen hoe de laser het deurkozijn van een auto last. De eenvoudigste manier om dit te begrijpen is door middel van laservermogensdichtheid.
De definitie van vermogensdichtheid verwijst naar het laservermogen dat wordt uitgestraald op een eenheid materiaaloppervlak. Vermogensdichtheid wordt gewoonlijk uitgedrukt in W/cm2, waarbij "W" staat voor vermogen "watt". Voor continue (CW) lasers is de waarde de vermogenswaarde; voor gepulseerde lasers is dit de gemiddelde vermogenswaarde. "cm2" vertegenwoordigt het gebied van de laserspot op het werkvlak. Een laser van 100 W, gefocust op een vlekgrootte van 100 mm, heeft bijvoorbeeld een vermogensdichtheid van 1,27 x 103 kW/cm2.
De vermogensdichtheid van een laser wordt beïnvloed door veranderingen in het laservermogen of de lichtgrootte die op het materiaal wordt toegepast. Laseroperators moeten deze twee variabelen meten, analyseren en begrijpen om de efficiënte werking van het laserproces te garanderen.
Belangrijke laserprestatie-indicatormetingen
Het meten van laserlicht gebeurt meestal met een vermogensmeter. Een vermogensmeter is een sensor die laserlicht verzamelt en omzet in een elektrisch signaal, vervolgens het vermogen of de energie afleidt die door de straal wordt geproduceerd en de meetwaarde uiteindelijk aan een meter of computer doorgeeft voor analyse. Dit proces duurt meestal slechts enkele seconden, maar kan variëren afhankelijk van de gebruikte technologie. Deze metingen zijn erg belangrijk voor het verzamelen en analyseren van gegevens, vooral in de productiefase van de laser, omdat de gegevens gebruikers in staat stellen te begrijpen hoe de prestaties van de laser veranderen en hoe deze veranderingen de toepassing van de laser in het verwerkingsproces beïnvloeden.
Bovendien moet de diameter van de laserstraal worden gemeten. Er zijn veel manieren om de straaldiameter te berekenen, zoals de D40-methode, de 13,5% piekmethode en de 10/90 meskantmethode, en de berekeningsresultaten van verschillende methoden lopen sterk uiteen. Mensen uit verschillende sectoren, achtergronden en ervaringen gebruiken overeenkomstige berekeningsmethoden op basis van hun toepassingsscenario's.
Bij het berekenen van de straaldiameter moet rekening worden gehouden met de rondheids- of ellipticiteitswaarde van de straal. Het is belangrijk om de vorm van de straal te begrijpen en hoe de energie in het straalprofiel wordt verdeeld. Is het een Gaussiaanse balk of een balk met een platte bovenkant? Wanneer we proberen te begrijpen hoe de laser in het proces wordt gebruikt, moet de meting van de laserstraalparameters worden voltooid met een industriestandaard straalwielmeetsysteem.
Naast de straaldiameter moet ook rekening worden gehouden met de straalkwaliteit bij het selecteren van een laser, het ontwikkelen van een lasertoepassing en het integreren of debuggen van een laserbron in een systeem. In de meeste gevallen wordt de straalkwaliteit, zodra deze in productie is genomen, over het algemeen niet langer geanalyseerd. Het is dus erg belangrijk om de analyse van de straalkwaliteit te voltooien voordat de laser de fabriek verlaat.
De kwaliteit van de laserstraal kan worden uitgedrukt door de M2-waarde, en een M2-waarde van 1.0 geeft aan dat de kwaliteit van de laserstraal optimaal is. Het bundelparameterproduct (BPP=0xw, waarbij 0 de halve hoek is van de divergentiehoek van de verre veldbundel en w de straal van de bundeltaille) en de K-waarde (1/MM2) kunnen ook worden gebruikt om de kwaliteit van de laserstraal uit te drukken. De straalkwaliteit en efficiëntie van laserbronnen zijn verbeterd. Als het gaat om verschillende verwerkingsprocessen, hebben verschillende laserbronnen hun eigen voordelen.
Het is belangrijk dat gebruikers de veranderingen in de prestatie-indicatoren van de laser tijdens het verwerkingsproces begrijpen. Het meten van het laservermogen, de straalgrootte en hoe en waarom deze in de loop van de tijd veranderen, is van cruciaal belang om de systeemprestaties volledig te begrijpen en stabielere prestaties op de lange termijn te garanderen.
Monitoring tijdens het proces versus monitoring tijdens het proces
Tegenwoordig is data-invoer zo dicht mogelijk bij real-time nodig. Dit vereist een techniek die gewoonlijk wordt aangeduid als "in-proces monitoring", waarbij metingen van de laserprestaties worden bewaakt terwijl het laserproces aan de gang is. Op het gebied van additieve productie wordt deze techniek 'in-situ monitoring' genoemd.
De tegenhanger van ‘in-process monitoring’ is ‘at-process monitoring’, waarbij de laserprestaties tussen processen worden gemeten. Beide monitoringmethoden hebben hun eigen voor- en nadelen.
N-procesmkai
In-proces monitoring of in situ monitoring meet een deel van de prestaties van de laser tijdens bedrijf en productie. In het lasersysteem is een speciaal testsubsysteem opgezet om alleen de prestaties van een deel van de laser te meten en in realtime te analyseren.
In-proces monitoring heeft aanzienlijke voordelen. Ten eerste kunnen de twee eenvoudig communiceren, omdat het subsysteem met het hele systeem is geïntegreerd. Er wordt continu realtime feedback gegeven over de laserprestaties, zodat indien nodig snel aanpassingen aan het hele systeem kunnen worden doorgevoerd. Ten tweede zijn deze subsystemen vaak specifiek ontworpen voor het systeem waarin ze zijn geïntegreerd en zijn ze vaak eenvoudig, waardoor ze alleen de feedback bieden die de klant nodig heeft. De informatie die ze verzamelen kan eenvoudig worden gepresenteerd op een mens-machine-interface die door de laseroperator kan worden gezien. Deze gegevens kunnen ook worden opgeslagen en geanalyseerd, en er kunnen waarschuwingen worden afgegeven op basis van de analyseresultaten om de veiligheid van het systeem en de gebruikers te garanderen, of om het uitvalpercentage te verminderen.
Het belangrijkste nadeel van procesmonitoring is dat deze subsystemen slechts een deel van de laserprestaties van het gehele lasersysteem kunnen meten. Een deel van het monster wordt verzameld voordat de laser het verwerkingsgebied bereikt en tijdens de verwerking geanalyseerd. Helaas worden veel problemen die tijdens de verwerking optreden vaak veroorzaakt door functionele degradatie van componenten dichtbij het verwerkingsgebied nadat het lasermeetmonster is verzameld. Als een component in het systeem degradeert of faalt tijdens de verwerking, kan het monster dat voor de lasermeting wordt gebruikt de degradatie of storing missen, waardoor valse feedback aan het systeem wordt gegeven.
Een ander nadeel van monitoring tijdens het proces is de moeilijkheid bij het kalibreren van de optische meetcomponenten. Omdat subsystemen zijn geïntegreerd met het totale systeem, is het vaak moeilijk of onmogelijk om componenten te verwijderen voor herkalibratie. Componenten voor vermogensmeting moeten regelmatig worden gekalibreerd (Ophir raadt kalibratie elke 12 maanden aan) om de meetnauwkeurigheid te garanderen.
Dergelijke meetsubsystemen bieden ook aanvullende sensorische feedback aan het lasersysteem om de laserprestaties aan te geven zonder te vertrouwen op daadwerkelijke metingen van de laserprestaties. Om de lasercomponenten te beschermen, is er bijvoorbeeld een temperatuurmonitor op het dekglas dichtbij het verwerkingsgebied geïnstalleerd. Wanneer er te veel verwerkingsafval op het dekglas zit en het afval de laserenergie absorbeert, waardoor de temperatuur stijgt, zal de temperatuurmonitor de lasergebruikers eraan herinneren en waardevolle informatie aan het systeem en de gebruikers verstrekken.
Controle tijdens het proces
Bij procesbewaking wordt doorgaans gebruik gemaakt van een afzonderlijke set producten om metingen uit te voeren in het laserverwerkingsgebied en om het gehele lasersysteem te analyseren. Deze monitoringsystemen kunnen bestaan uit afzonderlijke producten voor het meten van laservermogen, energie en analyse van de straalkwaliteit, of ze kunnen bestaan uit producten die deze parameters gelijktijdig kunnen testen (zie figuur 2). Deze inspectiesystemen kunnen onderling of onafhankelijk van elkaar zijn, geïntegreerd in het totale systeem, of het systeem kan tussen processen door regelmatig worden onderhouden.
Net als bij in situ monitoring heeft monitoring tijdens het proces zijn voor- en nadelen. Het belangrijkste voordeel van procesbewaking is een vollediger beoordeling van de volledige laserprestaties binnen het systeem. 100% van de laserstraal wordt verzameld voor vermogens- of energiemetingen, en het scherpgestelde punt kan ook worden geanalyseerd om de gebruiker een uitgebreide analyse te geven van de prestaties van de laser op dat moment. Deze gegevens kunnen in het hele systeem worden opgeslagen, opgeslagen of geregistreerd en vervolgens worden geopend voor trendanalyse om het systeemherstel na een storing te garanderen en de oorspronkelijke systeemefficiëntie te behouden. Het verzamelen van gegevens met behulp van deze methode geeft de gebruiker uiteindelijk een volledig beeld van het gebruik van de laser, maar brengt wel kosten met zich mee.
Het meest voor de hand liggende nadeel van monitoring tijdens het proces is downtime. Omdat de meting op de gehele laser wordt uitgevoerd, moet de laser uit productie worden gehaald om de meting uit te voeren. Als het lasermeetsysteem in de machine is geïntegreerd, is dat meestal geen probleem, maar tijd is geld. Hoewel het handig is om een lasermeetsysteem in het totale systeem te integreren, kan het duur zijn en soms zelfs als onnodig worden beschouwd. Als ze niet in het totale systeem zijn geïntegreerd, kunnen lasermeetproducten worden gebruikt als onderhoudshulpmiddel. De laser moet echter uit productie worden genomen om de metingen te kunnen uitvoeren, en als het onderhoudspersoneel niet bekend is met de werking van het laserapparaat, zijn de metingen zeer tijdrovend, wat kan resulteren in minder frequente metingen of zelfs helemaal geen metingen. alle.
Daarnaast zijn er nog andere producten die gebruikers van informatie over het proces kunnen voorzien. Verschillende bedrijven bieden bijvoorbeeld producten aan die het lasproces in realtime kunnen analyseren met behulp van verschillende technologieën. Deze systemen implementeren "go/no-go"- of "pass/no-go"-limieten voor het lasproces, waardoor gebruikers weten wanneer het systeem mogelijk problemen ondervindt, waardoor de productie van producten van hogere kwaliteit wordt gegarandeerd en de afvalpercentages worden verminderd.
Ervoor zorgen dat de laser gedurende zijn hele levenscyclus stabiel presteert, is van cruciaal belang voor het maximaliseren en behouden van de consistentie en efficiëntie van het proces, het verlengen van de levensduur van de laser en het verbeteren van het rendement op de investering van het systeem. Alleen door de prestaties van de laser in het veld op de werkplek te meten, kunnen gebruikers precies weten hoe de laser werkt.
Zowel meetmethoden tijdens het proces als tijdens het proces hebben hun eigen voor- en nadelen, maar beide methoden kunnen belangrijke informatie over laserverwerking opleveren. Producten die laserprestatie-indicatoren meten, evolueren voortdurend, worden eenvoudiger te bedienen en duurzamer. Door meerdere belangrijke prestatie-indicatoren van de laser te meten, zullen gebruikers het gemakkelijker vinden om het werkingsprincipe van de laser te begrijpen en prestatie-onderhoud van de laser op de lange termijn uit te voeren.
