Abraham Lincoln, der 16. Präsident der Vereinigten Staaten, sagte einmal: „Man kann alle Menschen zeitweise zum Narren halten, und man kann einige Menschen immer zum Narren halten, aber man kann nicht alle Menschen immer zum Narren halten.“ [11Das Gleiche gilt für die Überwachung der Leistung von Lasern, die in ein System integriert sind. In der industriellen Produktion kann das gesamte System über einen bestimmten Zeitraum überwacht werden oder ein Teil des Systems kann ständig überwacht werden, es ist jedoch unmöglich, das gesamte System ständig zu überwachen. Im Zeitalter der Industrie 4.0, also der Ära der intelligenten Fertigung, ist es sehr wichtig, den Unterschied zwischen beiden zu verstehen.
Industrie 4.0 verändert die Produktionssituation in allen Lebensbereichen. Technologische Fortschritte helfen Herstellern, die industrielle Produktion effizienter, schneller und intelligenter durchzuführen. Um intelligente Maschinen richtig einzusetzen, ist es notwendig, verschiedene Daten zu sammeln, zu analysieren und zu filtern, um den Prozess zu verbessern. Zu wenige Daten behindern die Prozessverbesserung, gleichzeitig können zu viele Daten jedoch auch kontraproduktiv sein.
Laserbearbeitungssysteme haben ihre eigenen Betriebseigenschaften und damit verbundenen Probleme. Zu viele Daten über die Laserleistung können kontraproduktiv sein, da sie überwältigend und überwältigend sein können.
Wann sollten Laserleistungskennzahlen gemessen werden?
Es gibt vier Möglichkeiten, die Laserleistung zu messen. Der erste Ansatz, den die meisten Lasersystembetreiber bevorzugen, ist die planmäßige Wartung. Bei diesem Ansatz werden Laserleistungsmetriken auf der Grundlage geplanter Ausfallzeiten des Lasers gemessen, normalerweise vierteljährlich, halbjährlich oder jährlich. Während dieser Zeit werden Laserleistungsmetriken gemessen und mit früheren Messungen verglichen, um Laserbetriebstrends zu analysieren.
Die zweite Methode besteht darin, bei Prozessfehlern zu messen. Wenn sich beispielsweise beim Laserschweißen die Schweißnahtqualität verschlechtert oder der Schnitt beim Laserschneiden fehlschlägt oder nicht durchgeführt werden kann, kann die Leistung des Lasers gemessen werden, um das Lasersystem wieder auf die vorgesehenen Betriebsparameter zu bringen.
In diesem Artikel geht es genau um die dritte und vierte Methode: In-Process-Monitoring und At-Process-Monitoring. Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Der Bediener muss sich über die Vor- und Nachteile dieser beiden Methoden im Klaren sein und gleichzeitig die optimale Bearbeitungsmethode des Lasers beherrschen. Darüber hinaus müssen Bediener auch verstehen, welche Laserindikatoren bei industriellen Produktionsprozessen für die Messung von entscheidender Bedeutung sind.
Wie bearbeitet der Laser Materialien?
Entsprechend den hohen Anforderungen müssen Bediener verstehen, wie der Laser Materialien bearbeitet, unabhängig davon, für welche Bearbeitungstechnologie der Laser eingesetzt wird. Um beispielsweise zu wissen, welcher Lasertyp zum Schweißen geeignet ist, muss man sogar verstehen, wie der Laser den Türrahmen eines Automobils schweißt. Der einfachste Weg, dies zu verstehen, ist die Laserleistungsdichte.
Die Definition der Leistungsdichte bezieht sich auf die Laserleistung, die auf eine Materialfläche eingestrahlt wird. Die Leistungsdichte wird üblicherweise in W/cm2 ausgedrückt, wobei „W“ für Leistung „Watt“ steht. Bei kontinuierlichen (CW) Lasern ist der Wert der Leistungswert, bei gepulsten Lasern der durchschnittliche Leistungswert. „cm2“ stellt die Fläche des Laserflecks auf der Arbeitsebene dar. Beispielsweise hat ein 100-W-Laser, der auf eine Punktgröße von 100 mm fokussiert ist, eine Leistungsdichte von 1,27 x 103 kW/cm2.
Die Leistungsdichte eines Lasers wird durch Änderungen der auf das Material einwirkenden Laserleistung oder Lichtgröße beeinflusst. Laserbediener müssen diese beiden Variablen messen, analysieren und verstehen, um den effizienten Betrieb des Laserprozesses sicherzustellen.
Wichtige Messungen der Laserleistungsindikatoren
Die Messung von Laserlicht erfolgt üblicherweise mit einem Leistungsmesser. Ein Leistungsmesser ist ein Sensor, der Laserlicht sammelt und in ein elektrisches Signal umwandelt, daraus die vom Strahl erzeugte Leistung oder Energie ableitet und den Messwert schließlich zur Analyse an ein Messgerät oder einen Computer weiterleitet. Dieser Vorgang dauert in der Regel nur wenige Sekunden, kann jedoch je nach verwendeter Technologie variieren. Diese Messungen sind für die Datenerfassung und -analyse, insbesondere in der Produktionsphase des Lasers, sehr wichtig, da Benutzer anhand der Daten verstehen können, wie sich die Leistung des Lasers ändert und wie sich diese Änderungen auf die Anwendung des Lasers im Bearbeitungsprozess auswirken.
Zusätzlich muss der Durchmesser des Laserstrahls gemessen werden. Es gibt viele Möglichkeiten, den Strahldurchmesser zu berechnen, beispielsweise die D40-Methode, die 13,5 %-Peak-Methode und die 10/90-Messerkantenmethode, und die Berechnungsergebnisse der verschiedenen Methoden variieren stark. Menschen mit unterschiedlichen Branchen, Hintergründen und Erfahrungen nutzen entsprechende Berechnungsmethoden entsprechend ihren Anwendungsszenarien.
Bei der Berechnung des Strahldurchmessers muss der Rundheits- bzw. Elliptizitätswert des Strahls berücksichtigt werden. Es ist wichtig, die Form des Strahls und die Verteilung der Energie im Strahlprofil zu verstehen. Handelt es sich um einen Gaußschen Strahl oder einen Flat-Top-Strahl? Um zu verstehen, wie der Laser im Prozess eingesetzt wird, sollte die Messung der Laserstrahlparameter durch ein branchenübliches Strahlrad-Messsystem ergänzt werden.
Neben dem Strahldurchmesser muss auch die Strahlqualität bei der Auswahl eines Lasers, der Entwicklung einer Laseranwendung und der Integration oder Fehlerbehebung einer Laserquelle in ein System berücksichtigt werden. Sobald ein Laser in Produktion geht, wird in den meisten Fällen seine Strahlqualität im Allgemeinen nicht mehr analysiert. Daher ist es sehr wichtig, die Analyse der Strahlqualität abzuschließen, bevor der Laser das Werk verlässt.
Die Strahlqualität kann durch den M2-Wert ausgedrückt werden, und ein M2-Wert von 1.0 zeigt an, dass die Laserstrahlqualität optimal ist. Das Strahlparameterprodukt (BPP=0xw, wobei 0 der halbe Winkel des Fernfelddivergenzwinkels des Strahls und w der Taillenradius des Strahls ist) und der K-Wert (1/MM2) können ebenfalls verwendet werden kann verwendet werden, um die Qualität des Laserstrahls auszudrücken. Die Strahlqualität und Effizienz von Laserquellen haben sich verbessert. Wenn es um unterschiedliche Bearbeitungsprozesse geht, haben unterschiedliche Laserquellen ihre eigenen Vorteile.
Für Anwender ist es wichtig, die Veränderungen der Leistungsindikatoren des Lasers während des Bearbeitungsprozesses zu verstehen. Die Messung der Laserleistung und der Strahlgröße sowie der Art und Weise, warum sie sich im Laufe der Zeit ändern, ist entscheidend, um die Systemleistung vollständig zu verstehen und eine stabilere Langzeitleistung sicherzustellen.
In-Prozess-Überwachung vs. Prozess-Überwachung
Heutzutage ist eine möglichst echtzeitnahe Dateneingabe erforderlich. Dies erfordert eine Technik, die allgemein als „In-Prozess-Überwachung“ bezeichnet wird und die Überwachung der Laserleistungsmessungen während des Laserprozesses umfasst. Im Bereich der additiven Fertigung wird diese Technik „In-situ-Monitoring“ genannt.
Das Gegenstück zur „In-Prozess-Überwachung“ ist die „At-Prozess-Überwachung“, die die Laserleistung zwischen Prozessen misst. Beide Überwachungsmethoden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile.
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Die In-Prozess-Überwachung bzw. In-situ-Überwachung misst einen Teil der Leistung des Lasers während des Betriebs und der Produktion. Im Lasersystem ist ein spezielles Testsubsystem eingerichtet, um nur die Leistung eines Teils des Lasers zu messen und in Echtzeit zu analysieren.
Die prozessbegleitende Überwachung bietet erhebliche Vorteile. Erstens können beide problemlos kommunizieren, da das Subsystem in das gesamte System integriert ist. Es erfolgt kontinuierlich Echtzeit-Feedback zur Laserleistung, sodass bei Bedarf schnell Anpassungen am gesamten System vorgenommen werden können. Zweitens sind diese Subsysteme oft speziell für das System konzipiert, in das sie integriert sind, und oft einfach, da sie nur das vom Kunden benötigte Feedback liefern. Die gesammelten Informationen können einfach auf einer Mensch-Maschine-Schnittstelle dargestellt werden, die für den Laserbediener sichtbar ist. Diese Daten können auch gespeichert und analysiert werden, und auf Basis der Analyseergebnisse können Warnungen ausgegeben werden, um die Sicherheit des Systems und der Benutzer zu gewährleisten oder die Ausschussrate zu reduzieren.
Der Hauptnachteil der In-Prozess-Überwachung besteht darin, dass diese Subsysteme nur einen Teil der Laserleistung des gesamten Lasersystems messen können. Ein Teil der Probe wird gesammelt, bevor der Laser den Bearbeitungsbereich erreicht, und während der Bearbeitung analysiert. Leider werden viele Probleme, die während der Bearbeitung auftreten, oft durch eine funktionale Beeinträchtigung von Komponenten in der Nähe des Bearbeitungsbereichs verursacht, nachdem die Lasermessprobe entnommen wurde. Wenn sich eine Komponente im System während der Verarbeitung verschlechtert oder ausfällt, kann es sein, dass die für die Lasermessung verwendete Probe die Verschlechterung oder den Ausfall nicht wahrnimmt, was zu einer falschen Rückmeldung an das System führt.
Ein weiterer Nachteil der In-Prozess-Überwachung ist die Schwierigkeit bei der Kalibrierung der optischen Messkomponenten. Da Subsysteme in das Gesamtsystem integriert sind, ist es oft schwierig oder unmöglich, Komponenten für eine Neukalibrierung zu entfernen. Leistungsmesskomponenten müssen häufig kalibriert werden (Ophir empfiehlt eine Kalibrierung alle 12 Monate), um die Messgenauigkeit sicherzustellen.
Solche Messsubsysteme liefern außerdem zusätzliche sensorische Rückmeldungen an das Lasersystem, um die Laserleistung anzuzeigen, ohne sich auf tatsächliche Messungen der Laserleistung zu verlassen. Zum Schutz der Laserkomponenten ist beispielsweise ein Temperaturwächter auf dem Deckglas in der Nähe des Bearbeitungsbereichs angebracht. Wenn zu viele Bearbeitungsrückstände auf dem Deckglas vorhanden sind und die Rückstände die Laserenergie absorbieren, was zu einem Temperaturanstieg führt, wird der Temperaturmonitor Laserbenutzer daran erinnern und dem System und den Benutzern wertvolle Informationen liefern.
Überwachung während des Prozesses
Bei der Prozessüberwachung werden in der Regel separate Produkte verwendet, um Messungen im Laserbearbeitungsbereich durchzuführen und das gesamte Lasersystem zu analysieren. Diese Überwachungssysteme können aus separaten Produkten zur Messung der Laserleistung, Energie und Strahlqualitätsanalyse bestehen oder aus Produkten, die diese Parameter gleichzeitig testen können (siehe Abbildung 2). Diese Inspektionssysteme können voneinander abhängig oder unabhängig sein, in das Gesamtsystem integriert sein oder das System kann regelmäßig zwischen Prozessen gewartet werden.
Ähnlich wie die In-situ-Überwachung hat auch die Prozessüberwachung ihre Vor- und Nachteile. Der Hauptvorteil der Prozessüberwachung ist eine umfassendere Beurteilung der gesamten Laserleistung innerhalb des Systems. 100 % des Laserstrahls werden zur Leistungs- oder Energiemessung gesammelt, und der fokussierte Punkt kann auch analysiert werden, um dem Benutzer eine umfassende Analyse der Laserleistung zu diesem Zeitpunkt zu liefern. Diese Daten können im gesamten System gespeichert, gespeichert oder protokolliert werden und dann zur Trendanalyse abgerufen werden, um die Systemwiederherstellung nach einem Ausfall sicherzustellen und die ursprüngliche Systemeffizienz aufrechtzuerhalten. Durch das Sammeln von Daten mit dieser Methode erhält der Benutzer letztendlich ein vollständiges Bild über die Verwendung des Lasers, ist jedoch mit Kosten verbunden.
Der offensichtlichste Nachteil der Prozessüberwachung sind Ausfallzeiten. Da die Messung am gesamten Laser durchgeführt wird, muss der Laser zur Durchführung der Messung aus der Produktion genommen werden. Wenn das Lasermesssystem in die Maschine integriert ist, ist das meist keine große Sache, aber Zeit ist Geld. Die Integration eines Lasermesssystems in das Gesamtsystem ist zwar praktisch, kann jedoch kostspielig sein und manchmal sogar als unnötig angesehen werden. Sofern sie nicht in das Gesamtsystem integriert sind, können Lasermessprodukte als Wartungswerkzeuge eingesetzt werden. Allerdings muss der Laser zur Durchführung der Messungen aus der Produktion genommen werden, und wenn das Wartungspersonal nicht mit der Bedienung des Laserwerkzeugs vertraut ist, sind die Messungen sehr zeitaufwändig, was dazu führen kann, dass Messungen seltener oder gar nicht durchgeführt werden alle.
Darüber hinaus gibt es weitere Produkte, die Anwendern Informationen über den Prozess liefern können. Beispielsweise bieten mehrere Unternehmen Produkte an, die mithilfe verschiedener Technologien den Schweißprozess in Echtzeit analysieren können. Diese Systeme implementieren „Go/No-Go“- oder „Pass/No-Go“-Grenzwerte für den Schweißprozess, sodass Benutzer erkennen können, wann das System möglicherweise Probleme hat, wodurch die Produktion hochwertigerer Produkte sichergestellt und die Ausschussquote gesenkt wird.
Um die Konsistenz und Effizienz des Prozesses zu maximieren und aufrechtzuerhalten, die Lebensdauer des Lasers zu verlängern und die Kapitalrendite des Systems zu verbessern, muss sichergestellt werden, dass der Laser während seines gesamten Lebenszyklus stabil arbeitet. Nur durch die Messung der Leistung des Lasers vor Ort am Einsatzort können Benutzer genau wissen, wie der Laser funktioniert.
Sowohl In-Prozess- als auch At-Prozess-Messmethoden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, aber beide Methoden können wichtige Informationen zur Laserbearbeitung liefern. Produkte zur Messung der Laserleistungsindikatoren werden ständig weiterentwickelt, sind einfacher zu bedienen und langlebiger. Durch die Messung mehrerer wichtiger Leistungsindikatoren des Lasers wird es für Benutzer einfacher, das Funktionsprinzip des Lasers zu verstehen und eine langfristige Leistungserhaltung des Lasers durchzuführen.
