Những điều mà các nhà chế tạo không biết có thể gây hại cho quá trình sản xuất

Các hệ thống đo lường hiệu suất laser có thể đưa ra câu trả lời mà một nhà chế tạo kim loại cần

Ứng dụng của laser công suất cao đang trở nên phổ biến hơn trong môi trường công nghiệp, chẳng hạn như thiêu kết trong sản xuất phụ gia, nối các bộ phận cơ thể trong ngành công nghiệp ô tô và khoan và cắt các bộ phận hàng không vũ trụ. Khi nhiều ứng dụng của các loại laser này được phát hiện và phát triển, nhiều nhà sản xuất đang nhận ra các hệ thống laser công nghiệp có thể lặp lại và đáng tin cậy như thế nào.

Giống như bất kỳ máy công cụ nào khác, các công nghệ xung quanh hệ thống laser đã phát triển vượt bậc trong vài thập kỷ qua. Tuy nhiên, nhiều lầm tưởng xung quanh việc sử dụng, vận hành và bảo trì laser công nghiệp vẫn còn tồn tại. Tách thực tế khỏi hư cấu là rất quan trọng để đảm bảo quy trình laser chất lượng cao.

Lầm tưởng 1: Các quy trình laser ngày nay ổn định đến mức không cần giám sát nhiều.

Việc sử dụng tia laser như một công cụ công nghiệp có thể bắt nguồn gần như từ thời điểm ra đời của chính tia laser. Laser CO ₂ từng là công cụ sản xuất laser với mã lực thô, chi phí vận hành tương đối rẻ và dễ bảo trì. Hàng trăm ngàn vẫn đang được sử dụng cho đến ngày nay.

Những năm 1980 chứng kiến ​​sự ra đời của laser sợi quang như một công cụ công nghiệp và nó đã thay đổi cục diện sản xuất laser công nghiệp. Laser sợi quang mang lại một số lợi ích, chẳng hạn như tăng hiệu quả cắm tường, cải thiện chất lượng chùm tia và giảm bảo trì so với laser CO _{2 đã được thiết lập tốt.} Nhưng các thế hệ đầu tiên của laser sợi quang rất đắt tiền, không tạo ra công suất cần thiết cho các ứng dụng laser công nghiệp và khó bảo trì. Các nhà sản xuất laser sợi quang đã vượt qua hầu hết các rào cản này và hiện đang cung cấp các nguồn và hệ thống thiết thực hơn.

Khi các hệ thống laser ngày nay đã trở nên chất lượng cao và đáng tin cậy, người dùng có thể bị cám dỗ bỏ qua thực tế là hệ thống vẫn được làm từ các bộ phận vật lý với các đặc tính vật lý. Hệ thống laser bao gồm các thành phần cơ và điện xuống cấp hoặc hỏng hóc sau khi sử dụng định kỳ. Khi các tia laser này được sử dụng trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt chứa đầy các mảnh vụn của quy trình, sự xuống cấp và hỏng hóc của các bộ phận sẽ tăng lên gấp bội, dẫn đến giảm hiệu quả và tăng chi phí vận hành.

Các nhà thiết kế hệ thống đã trở nên sáng tạo trong việc quản lý các mảnh vỡ quy trình. Tuy nhiên, nếu không đo lường hiệu suất của hệ thống laser, người dùng không thể hiểu được toàn bộ tác động của sự xuống cấp của các thành phần hệ thống này hoặc cách thức và thời điểm thực hiện hành động để tối đa hóa hiệu quả của hệ thống.

Các hệ thống laser yêu cầu đầu tư tài chính đáng kể để sản xuất các bộ phận nhanh nhất và hiệu quả nhất có thể. Bảo trì định kỳ trên hệ thống là cần thiết, nhưng mong muốn rõ ràng là tối đa hóa lợi tức đầu tư (ROI) có nghĩa là giảm thiểu thời gian cần thiết để bảo trì hệ thống. Một hệ thống đo lường hiệu suất laser có thể cung cấp một dấu hiệu nhanh chóng về cách thức hoạt động của laser và giúp phát triển thói quen bảo trì laser toàn diện hơn.

Lầm tưởng 2: Nếu tia laser không hoạt động khi cần thiết, chỉ cần tăng công suất.

Trong các ứng dụng laser CO ₂ , khi laser bắt đầu lệch khỏi quy trình được tối ưu hóa của nó, người sử dụng laser có thể muốn tăng công suất để tiếp tục xử lý các bộ phận mà không giải quyết được lý do tại sao laser mất hiệu quả. Điều có thể xảy ra là hiệu ứng nhiệt tăng lên trên hệ thống laser do một quang học cũ, hư hỏng hoặc bị nhiễm bẩn gây ra, thường là gần với quy trình. Hiệu ứng nhiệt làm cho điểm tập trung dịch chuyển lên trên, dẫn đến mật độ năng lượng giảm.

Thiết bị định hình chùm tia cho phép người dùng cuối điều chỉnh các quy trình laser của họ để đạt được mức độ chiếu xạ chính xác, đủ cho nhiệm vụ, nhưng không quá mạnh khiến mối hàn, ví dụ, quá nóng và cho kết quả kém tối ưu hơn. Các công cụ đo laze ngày nay giúp người dùng hiểu được hiệu suất của đèn laze và tối ưu hóa hoạt động cũng như bảo trì hệ thống của họ.

Một lưu ý liên quan, các nhà sản xuất nên biết sự khác biệt chính giữa laser CO ₂ và laser sợi quang. Laser CO ₂ hoạt động ở bước sóng 10,6 µm rất ổn định. Hệ thống quang học của những tia laser này rất chắc chắn, ít bị hư hại do các mảnh vụn của quy trình xung quanh và dễ bảo trì hơn. Laser sợi quang, đĩa và diode hiện đại hoạt động gần bước sóng 1 µm. Hệ thống quang học được sử dụng trong các tia laser này dễ bị hư hại hơn do các mảnh vụn được tạo ra trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt của chúng và phải được xử lý hết sức cẩn thận khi được thay thế. Một số người vận hành laser dựa vào phương pháp cũ là thay đổi quang học laser CO ₂ , nhưng những phương pháp này cuối cùng có thể làm hỏng đầu xử lý của laser bước sóng 1 µm của họ.

Các hệ thống sản xuất bồi đắp dựa trên laser yêu cầu công suất đầu ra chính xác và kích thước điểm tập trung tại quy trình để sản xuất các bộ phận chất lượng một cách nhất quán.

Lầm tưởng 3: Thực hiện các phép đo trên hệ thống laser quá đắt và tốn thời gian.

Lầm tưởng rằng ROI với hệ thống đo laze thấp bắt nguồn từ quan niệm sai lầm rằng các hệ thống này đắt tiền, khó cài đặt và sử dụng. Ngoài ra, nhiều nhà sản xuất nghĩ rằng, mặc dù có thiết bị đo laser là tốt, nhưng nó có thể không cung cấp thông tin hữu ích hoặc có liên quan đến ứng dụng.

Về mặt lịch sử, chi phí để mua các hệ thống đo lường laze rất cao. Khi các sản phẩm đo laze điện tử bắt đầu xuất hiện vào những năm 1970, chúng chủ yếu được sử dụng trong các phòng thí nghiệm khoa học và môi trường được kiểm soát chặt chẽ. Thông tin mà họ cung cấp đặc biệt hữu ích, nhưng chi phí sở hữu chỉ cho phép các tổ chức được tài trợ tốt mới có những công cụ này.

Ngày nay, với những tiến bộ trong công nghệ máy ảnh, linh kiện quang học, mạng và công nghệ truyền thông, cũng như sức mạnh tính toán và phần mềm, các sản phẩm đo laze ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn. Máy đo công suất laser và các sản phẩm định hình chùm tia đã phát triển thành các công cụ bảo trì tiết kiệm chi phí có thể tích hợp trực tiếp vào các ô làm việc bằng laser. Ví dụ, ngày càng phổ biến các nhà sản xuất ô tô tích hợp thiết bị đo công suất kết hợp công nghiệp và định hình chùm tia vào ô làm việc của họ để theo dõi hiệu suất laser nhằm phân tích xu hướng, truy xuất nguồn gốc quy trình và dự đoán bảo trì thông minh hơn.

Ngoài việc cải thiện chi phí, một số tiến bộ cho phép vận hành các sản phẩm này dễ dàng hơn. Các hệ thống đo laze ngày nay có tính đến nhu cầu của các nhà tích hợp hệ thống, người vận hành và nhân viên bảo trì. Chẳng hạn, chúng sử dụng các giao thức truyền thông tiêu chuẩn công nghiệp và được thiết kế với các kết nối phần cứng công nghiệp chắc chắn. Chúng cũng bao gồm các cải tiến an toàn để bảo vệ chống lại thiệt hại từ các mảnh vụn trong quá trình và quá nhiệt. Máy đo công suất laser và các sản phẩm định hình chùm tia được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học và nghiên cứu và thường được thiết kế cho những môi trường đó. Những sản phẩm này cũng đang được áp dụng trong các lĩnh vực công nghiệp vì thông tin hiệu suất laser liên quan mà chúng cung cấp. Do đó, thiết kế của họ đã được điều chỉnh để phù hợp với môi trường sản xuất khắc nghiệt hơn.

Lầm tưởng 4: Các quy trình laser có thể được quản lý tốt dù có hoặc không có phép đo laser.

Không có gì lạ khi nghe nhân viên laser trong ngành công nghiệp nói: “Quy trình laser này rất mạnh mẽ, hiếm khi xảy ra sự cố với nó” hoặc “Laser này dùng để hàn tấm kim loại, vậy tại sao tôi phải quan tâm đến hiệu suất của nó?” Trong một số trường hợp, một ứng dụng laser được phát triển và triển khai, và hiệu suất được cho là duy trì nhất quán cho đến khi xảy ra sự cố. Đó không phải là cách tốt nhất để quản lý một quy trình. Ngoài ra, chúng tôi đặc biệt lo lắng khi nghe những tuyên bố này của những người làm trong các ứng dụng có độ chính xác cao, chẳng hạn như sản xuất ô tô, vốn chú trọng đến sự an toàn và chất lượng.

Tuy nhiên, thực tế của thế giới sản xuất là việc thúc đẩy an toàn và chất lượng được đối trọng với nhịp trống liên tục để giảm chi phí vận hành. Nhưng điều này đôi khi có thể khó khăn, đặc biệt là đối với các ứng dụng laser, chẳng hạn như hàn các vật liệu có tính phản xạ cao, trong đó việc đạt được một quy trình laser nhất quán không phải lúc nào cũng dễ dàng. Để đảm bảo rằng tia laser hoạt động ổn định theo thời gian, các phép đo hiệu suất chính phải được thực hiện, phân tích và hành động. Khi các thông số laser này không xác định, quá trình có thể trôi dạt và cuối cùng dẫn đến các bộ phận bị loại bỏ. Ví dụ, nếu điểm tập trung trong ứng dụng hàn đồng dịch chuyển khỏi vị trí thiết kế của nó, thì có thể xảy ra hiện tượng mất độ ngấu của mối hàn do kích thước chùm tia tăng lên tại điểm xử lý. Nếu theo dõi được sự dịch chuyển tiêu cự trên hệ thống laze, thì có thể tránh được sự trôi dạt này.

Tính bền vững cũng là một cân nhắc chính. Các công ty sản xuất đang tìm cách tiêu thụ tài nguyên một cách khôn ngoan hơn để giảm tác động lên hành tinh. Bất kỳ ai đã tham gia vào các sáng kiến ​​này đều biết rằng mọi cải tiến nhỏ đối với quy trình đều có ích.

Việc đo lường, theo dõi và phân tích hiệu suất laze cũng như thực hiện hành động để duy trì hiệu suất laze ổn định có thể hỗ trợ tính bền vững. Một hệ thống laser được bảo trì đúng cách sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn và tối đa hóa thông lượng, điều này không chỉ tốt cho việc giảm chi phí vận hành mà còn tốt cho hành tinh.

Lầm tưởng 5: Các công nghệ đo laze cũ đã được thử nghiệm qua thời gian và cung cấp cho chúng tôi đủ thông tin về laze của chúng tôi.

Triết lý “không sửa chữa những gì không bị hỏng” vẫn tồn tại và phát triển tốt trong sản xuất. Ví dụ, một số nhân viên dịch vụ laser vẫn sử dụng các công cụ rất đơn giản để bảo trì và khắc phục sự cố laser. Laser “pucks”, khối chế độ acrylic và tấm huỳnh quang phủ phốt pho rất nhanh và dễ sử dụng, nhưng những sản phẩm kế thừa này vẽ nên một bức tranh không đầy đủ về cách thức hoạt động của laser tại bất kỳ thời điểm nào.

Với những phương pháp nguyên thủy này, một tia laze được chiếu vào một thiết bị nhiệt lớn trong vài giây, tạo ra một con số duy nhất tương ứng với công suất đầu ra. Chùm tia laze được chụp vào một khối acrylic hoặc tấm huỳnh quang và được phân tích một cách chủ quan mà không có bất kỳ dữ liệu xu hướng hoặc tiêu chuẩn đo lường nào của ngành. Các sản phẩm đo laser điện tử ngày nay cung cấp các phép đo dựa trên thời gian, cho phép phân tích xu hướng ngắn hạn hoặc dài hạn của hiệu suất laser. Chúng được hiệu chuẩn theo các tiêu chuẩn có thể theo dõi của NIST và sử dụng các phương pháp đo chùm tia tuân thủ ISO. Điều này cung cấp cho người dùng một phân tích toàn diện hơn về các đặc tính của laser và sự tự tin về độ chính xác của các phép đo.

Trong thời đại Công nghiệp 4.0 này, nhu cầu phản hồi từ máy công cụ đang tỏ ra rất có giá trị để cải thiện quy trình công nghiệp. Laser, khi được xem như một máy công cụ, cũng không ngoại lệ. Các sản phẩm hiện có thể cung cấp thông tin về các đặc tính hiệu suất của laser bằng một vài cách tiếp cận khác nhau. Phép đo trong quá trình hoặc “tại chỗ” có thể cung cấp phản hồi theo thời gian thực về cách hoạt động của tia laser, nhưng thường chỉ phân tích một phần của hệ thống laser, điều này giới hạn thông tin có thể được cung cấp. Mặt khác, các sản phẩm đo lường trong quá trình cung cấp phân tích đầy đủ hơn về cách hoạt động của laser tại điểm xử lý; tuy nhiên, các sản phẩm này phải được sử dụng giữa các lần chạy bộ phận, vì vậy thông tin kết quả không theo thời gian thực.