Abraham Lincoln, o 16º presidente dos Estados Unidos, disse certa vez: “Você pode enganar todas as pessoas por algum tempo, e pode enganar algumas pessoas o tempo todo, mas não pode enganar todas as pessoas o tempo todo”. [11O mesmo se aplica ao monitoramento do desempenho de lasers integrados em um sistema. Na produção industrial, todo o sistema pode ser monitorado por um período de tempo, ou parte do sistema pode ser monitorado o tempo todo, mas é impossível monitorar todo o sistema o tempo todo. Na era da Indústria 4.0, ou seja, na era da manufatura inteligente, é muito importante entender a diferença entre as duas.
A Indústria 4.0 está mudando a situação da manufatura em todas as esferas da vida. Os avanços tecnológicos estão ajudando os fabricantes a conduzir a produção industrial de forma mais eficiente, rápida e inteligente. Para aplicar corretamente máquinas inteligentes, é necessário coletar diversos dados, analisá-los e filtrá-los para melhorar o processo. Poucos dados prejudicarão a melhoria do processo, mas, ao mesmo tempo, muitos dados podem ser contraproducentes.
Os sistemas de processamento a laser possuem seu próprio conjunto de características operacionais e questões relacionadas. Muitos dados sobre o desempenho do laser podem ser contraproducentes, pois podem ser opressores e opressores.
Quando medir as métricas de desempenho do laser?
Existem quatro maneiras de medir o desempenho do laser. A primeira abordagem é a preferida pela maioria dos operadores de sistemas a laser, que é a manutenção programada. Nesta abordagem, as métricas de desempenho do laser são medidas com base no tempo de inatividade programado do laser, geralmente trimestral, semestral ou anualmente. Durante esse período, as métricas de desempenho do laser são medidas e comparadas com medições anteriores para analisar as tendências operacionais do laser.
O segundo método é medir durante falhas de processo. Por exemplo, se a qualidade da solda for degradada durante a soldagem a laser, ou se o corte falhar ou não puder ser executado durante o corte a laser, o desempenho do laser pode ser medido para restaurar o sistema de laser aos parâmetros operacionais projetados.
O terceiro e o quarto métodos são exatamente o que este artigo discutirá – monitoramento em processo e monitoramento em processo. Ambos os métodos têm suas vantagens e desvantagens. Os operadores devem ter clareza sobre as vantagens e desvantagens desses dois métodos enquanto dominam o método de processamento ideal do laser. Além disso, os operadores também devem compreender quais indicadores laser são essenciais para medição durante os processos de produção industrial.
Como o laser processa materiais?
De acordo com requisitos elevados, independentemente da tecnologia de processamento para a qual o laser é utilizado, os operadores devem compreender como o laser processa os materiais. Por exemplo, para saber que tipo de laser é adequado para soldagem, é preciso até entender como o laser solda a moldura da porta de um automóvel. A maneira mais fácil de entender isso é por meio da densidade de potência do laser.
A definição de densidade de potência refere-se à potência do laser irradiada em uma unidade de área de material. A densidade de potência é geralmente expressa em W/cm2, onde "W" significa potência "watt". Para lasers contínuos (CW), seu valor é o valor da potência: para lasers pulsados, é o valor médio da potência. “cm2” representa a área do ponto laser no plano de trabalho. Por exemplo, um laser de 100 W focado em um tamanho de ponto de 100 mm tem uma densidade de potência de 1,27x103kW/cm2.
A densidade de potência de um laser é afetada por alterações na potência do laser ou no tamanho da luz aplicada ao material. Os operadores de laser devem medir, analisar e compreender essas duas variáveis para garantir a operação eficiente do processo de laser.
Medições importantes do indicador de desempenho do laser
A medição da luz laser geralmente é realizada por um medidor de potência. Um medidor de potência é um sensor que coleta a luz do laser e a converte em um sinal elétrico, depois infere a potência ou energia produzida pelo feixe e, finalmente, fornece a leitura a um medidor ou computador para análise. Esse processo geralmente leva apenas alguns segundos, mas pode variar dependendo da tecnologia utilizada. Essas medições são muito importantes para coleta e análise de dados, principalmente na etapa de produção do laser, pois os dados permitem aos usuários entender como o desempenho do laser muda e como essas mudanças afetam a aplicação do laser no processo de processamento.
Além disso, o diâmetro do feixe laser deve ser medido. Existem muitas maneiras de calcular o diâmetro do feixe, como o método D40, o método de pico de 13,5% e o método do fio de navalha 10/90, e os resultados do cálculo de diferentes métodos variam muito. Pessoas de diferentes setores, origens e experiências usam métodos de cálculo correspondentes de acordo com seus cenários de aplicação.
Ao calcular o diâmetro da viga, deve-se considerar o valor de circularidade ou elipticidade da viga. É importante compreender a forma da viga e como a energia é distribuída no perfil da viga. É uma viga gaussiana ou uma viga plana? Ao tentar entender como o laser é usado no processo, a medição dos parâmetros do feixe de laser deve ser concluída por um sistema de medição de roda de feixe padrão da indústria.
Além do diâmetro do feixe, a qualidade do feixe também deve ser considerada ao selecionar um laser, desenvolver uma aplicação de laser e integrar ou depurar uma fonte de laser em um sistema. Na maioria dos casos, uma vez que um laser é colocado em produção, a qualidade do seu feixe geralmente não é mais analisada, por isso é muito importante concluir a análise da qualidade do feixe antes do laser sair da fábrica.
A qualidade do feixe pode ser expressa pelo valor M2, e um valor M2 de 1.0 indica que a qualidade do feixe de laser é ideal. O produto do parâmetro do feixe (BPP=0xw, onde 0 é o meio ângulo do ângulo de divergência do campo distante do feixe e w é o raio da cintura do feixe) e o valor K (1/MM2) também pode ser usado para expressar a qualidade do feixe de laser. A qualidade do feixe e a eficiência das fontes de laser melhoraram. Quando se trata de diferentes processos de processamento, diferentes fontes de laser têm suas próprias vantagens.
É importante que os usuários compreendam as mudanças nos indicadores de desempenho do laser durante o processo de processamento. Medir a potência do laser, o tamanho do feixe e como e por que eles mudam ao longo do tempo é fundamental para compreender totalmente o desempenho do sistema e garantir um desempenho mais estável a longo prazo.
Monitoramento em processo vs. monitoramento em processo
Hoje, a entrada de dados é necessária o mais próximo possível do tempo real. Isso requer uma técnica comumente chamada de “monitoramento em processo”, que envolve o monitoramento das medições de desempenho do laser enquanto o processo do laser está em andamento. No campo da manufatura aditiva, essa técnica é chamada de “monitoramento in-situ”.
A contrapartida do “monitoramento em processo” é o “monitoramento em processo”, que mede o desempenho do laser entre processos. Ambos os métodos de monitoramento têm suas próprias vantagens e desvantagens.
N-processmkai
O monitoramento em processo ou monitoramento in situ mede parte do desempenho do laser durante a operação e produção. Um subsistema de teste dedicado é configurado no sistema laser para medir apenas o desempenho de parte do laser e analisá-lo em tempo real.
O monitoramento em processo tem vantagens significativas. Primeiro, como o subsistema está integrado a todo o sistema, os dois podem se comunicar facilmente. O feedback em tempo real sobre o desempenho do laser é fornecido continuamente, para que ajustes em todo o sistema possam ser feitos rapidamente, se necessário. Em segundo lugar, estes subsistemas são frequentemente concebidos especificamente para o sistema ao qual estão integrados e são muitas vezes simples, fornecendo apenas o feedback exigido pelo cliente. As informações coletadas podem ser facilmente apresentadas em uma interface homem-máquina vista pelo operador do laser. Esses dados também podem ser armazenados e analisados, e avisos podem ser emitidos com base nos resultados da análise para garantir a segurança do sistema e dos usuários, ou para reduzir a taxa de descarte.
A principal desvantagem do monitoramento em processo é que esses subsistemas só podem medir uma parte do desempenho do laser de todo o sistema laser. Uma parte da amostra é coletada antes do laser atingir a área de processamento e analisada durante o processamento. Infelizmente, muitos problemas que surgem durante o processamento são frequentemente causados pela degradação funcional de componentes próximos à área de processamento após a coleta da amostra de medição a laser. Se um componente do sistema se degradar ou falhar durante o processamento, a amostra usada para medição a laser pode perder a degradação ou falha, fornecendo feedback falso ao sistema.
Outra desvantagem do monitoramento em processo é a dificuldade de calibrar os componentes de medição óptica. Como os subsistemas são integrados ao sistema geral, muitas vezes é difícil ou impossível remover componentes para recalibração. Os componentes de medição de potência devem ser calibrados com frequência (a Ophir recomenda calibração a cada 12 meses) para garantir a precisão da medição.
Tais subsistemas de medição também fornecem feedback sensorial adicional ao sistema de laser para indicar o desempenho do laser sem depender de medições reais do desempenho do laser. Por exemplo, um monitor de temperatura é instalado na tampa de vidro próximo à área de processamento para proteger os componentes do laser. Quando há muitos detritos de processamento na tampa de vidro e os detritos absorvem a energia do laser, fazendo com que a temperatura suba, o monitor de temperatura lembrará os usuários do laser e fornecerá informações valiosas ao sistema e aos usuários.
Monitoramento no processo
O monitoramento durante o processo normalmente usa um conjunto separado de produtos para fazer medições na área de processamento do laser e analisar todo o sistema laser. Esses sistemas de monitoramento podem ser compostos por produtos separados para medição da potência do laser, energia e análise da qualidade do feixe, ou podem ser compostos por produtos que podem testar esses parâmetros simultaneamente (ver Figura 2). Estes sistemas de inspeção podem ser interdependentes ou independentes entre si, integrados no sistema global, ou o sistema pode ser mantido regularmente entre processos.
Semelhante ao monitoramento in situ, o monitoramento no processo tem seus prós e contras. O principal benefício do monitoramento durante o processo é uma avaliação mais completa de todo o desempenho do laser dentro do sistema. 100% do feixe de laser é coletado para medição de potência ou energia, e o ponto focalizado também pode ser analisado para fornecer ao usuário uma análise abrangente do desempenho do laser naquele momento. Esses dados podem ser salvos, armazenados ou registrados em todo o sistema e, em seguida, acessados para análise de tendências para garantir a recuperação do sistema após uma falha e manter a eficiência original do sistema. A coleta de dados usando esse método dá ao usuário uma visão completa do uso do laser, mas tem um custo.
A desvantagem mais óbvia do monitoramento durante o processo é o tempo de inatividade. Como a medição é realizada em todo o laser, o laser deve ser retirado da produção para realizar a medição. Se o sistema de medição a laser estiver integrado à máquina, geralmente não é grande coisa, mas tempo é dinheiro. No entanto, embora a integração de um sistema de medição a laser no sistema geral seja conveniente, pode ser dispendiosa e às vezes até considerada desnecessária. Se não estiverem integrados no sistema geral, os produtos de medição a laser podem ser usados como ferramentas de manutenção. No entanto, o laser deve ser retirado de produção para fazer as medições, e quando o pessoal de manutenção não está familiarizado com a operação da ferramenta a laser, as medições são muito demoradas, o que pode resultar em medições menos frequentes ou mesmo nenhuma medição no momento. todos.
Além disso, existem outros produtos que podem fornecer aos usuários informações sobre o processo. Por exemplo, diversas empresas oferecem produtos que podem analisar o processo de soldagem em tempo real utilizando uma variedade de tecnologias. Esses sistemas implementam limites “passa/não passa” ou “aprova/não passa” no processo de soldagem, permitindo aos usuários saber quando o sistema pode ter problemas, garantindo a produção de produtos de maior qualidade e reduzindo as taxas de refugo.
Garantir que o laser tenha um desempenho estável durante todo o seu ciclo de vida é fundamental para maximizar e manter a consistência e a eficiência do processo, prolongar a vida útil do laser e melhorar o retorno do investimento do sistema. Somente medindo o desempenho do laser em campo no local de trabalho os usuários podem saber exatamente como o laser está funcionando.
Os métodos de medição em processo e em processo têm suas próprias vantagens e desvantagens, mas ambos os métodos podem fornecer informações importantes sobre o processamento a laser. Os produtos que medem os indicadores de desempenho do laser estão em constante evolução, tornando-se mais fáceis de operar e mais duráveis. Ao medir vários indicadores-chave de desempenho do laser, os usuários acharão mais fácil compreender o princípio de funcionamento do laser e realizar a manutenção de desempenho do laser a longo prazo.
