第 16 代アメリカ合衆国大統領エイブラハム・リンカーンはかつてこう言いました。「国民全員を時々騙すことはできるし、一部の国民を常に騙すこともできるが、常に全ての国民を騙すことはできない。」 [11システムに統合されたレーザーのパフォーマンスを監視する場合にも同じことが当てはまります。工業生産では、システム全体を一定期間監視したり、システムの一部を常時監視したりできますが、システム全体を常に監視することは不可能です。インダストリー 4.0 の時代、つまりスマート製造の時代では、この 2 つの違いを理解することが非常に重要です。
業界 4.0 は、あらゆる分野の製造状況を変えています。技術の進歩により、メーカーは工業生産をより効率的、より速く、よりスマートに行うことができるようになりました。スマートマシンを適切に適用するには、さまざまなデータを収集し、分析し、フィルタリングしてプロセスを改善する必要があります。データが少なすぎるとプロセスの改善が妨げられますが、同時にデータが多すぎると逆効果になる可能性があります。
レーザー加工システムには、独自の動作特性と関連する問題があります。レーザーのパフォーマンスに関するデータが多すぎると、圧倒されて圧倒される可能性があるため、逆効果になる可能性があります。
レーザーのパフォーマンス指標をいつ測定するか?
レーザーのパフォーマンスを測定するには 4 つの方法があります。最初のアプローチは、ほとんどのレーザー システム オペレーターが好むものであり、計画的なメンテナンスです。このアプローチでは、レーザーのパフォーマンス指標は、レーザーの計画されたダウンタイム (通常は四半期、半年、または毎年) に基づいて測定されます。この間に、レーザーのパフォーマンス指標が測定され、以前の測定値と比較されて、レーザーの動作傾向が分析されます。
2 番目の方法は、プロセス障害時に測定することです。たとえば、レーザー溶接中に溶接品質が低下した場合、またはレーザー切断中に切断が失敗したり実行できなかった場合、レーザーの性能を測定して、レーザー システムを設計された動作パラメータに復元できます。
3 番目と 4 番目の方法は、まさにこの記事で説明する方法、つまりインプロセス監視とアットプロセス監視です。どちらの方法にも長所と短所があります。オペレーターは、これら 2 つの方法の長所と短所を理解し、レーザーの最適な加工方法を習得する必要があります。さらに、オペレータは、工業生産プロセス中に測定するためにどのレーザーインジケータが重要であるかを理解する必要もあります。
レーザーはどのように材料を加工するのでしょうか?
高い要件に従って、レーザーがどのような加工技術に使用されるかに関係なく、オペレーターはレーザーが材料をどのように加工するかを理解する必要があります。たとえば、どのタイプのレーザーが溶接に適しているかを知るには、レーザーが自動車のドアフレームをどのように溶接するのかを理解する必要さえあります。これを理解する最も簡単な方法は、レーザー出力密度を調べることです。
パワー密度の定義は、材料の単位面積に照射されるレーザーパワーを指します。電力密度は通常 W/cm2 で表され、「W」は電力「ワット」を表します。連続 (CW) レーザーの場合、その値はパワー値です。パルスレーザーの場合、それは平均パワー値です。 「cm2」は作業面上のレーザースポットの面積を表します。たとえば、100 mm のスポット サイズに集束された 100 W レーザーの出力密度は 1.27x103kW/cm2 です。
レーザーの出力密度は、材料に適用されるレーザー出力または光のサイズの変化によって影響を受けます。レーザー オペレーターは、レーザー プロセスの効率的な運用を確保するために、これら 2 つの変数を測定、分析、理解する必要があります。
重要なレーザーパフォーマンスインジケーターの測定
レーザー光の測定は通常、パワーメーターによって行われます。パワー メーターは、レーザー光を収集して電気信号に変換し、ビームによって生成されるパワーまたはエネルギーを推測し、最終的に読み取り値を分析のためにメーターまたはコンピューターに提供するセンサーです。通常、このプロセスには数秒しかかかりませんが、使用するテクノロジーによって異なる場合があります。これらの測定は、データの収集と分析にとって、特にレーザーの製造段階において非常に重要です。データによって、ユーザーはレーザーの性能がどのように変化するか、またこれらの変化が加工プロセスでのレーザーの用途にどのような影響を与えるかを理解できるからです。
さらに、レーザービームの直径を測定する必要があります。ビーム径の計算方法にはD40法、13.5%ピーク法、10/90ナイフエッジ法など数多くの方法があり、方法によって計算結果は大きく異なります。さまざまな業界、背景、経験を持つ人々が、アプリケーション シナリオに応じて対応する計算方法を使用します。
ビーム直径を計算するときは、ビームの真円度または楕円率の値を考慮する必要があります。ビームの形状と、ビーム プロファイル内でエネルギーがどのように分布するかを理解することが重要です。ガウスビームですか、それともフラットトップビームですか?プロセスでレーザーがどのように使用されるかを理解しようとする場合、レーザービームパラメータの測定は業界標準のビームホイール測定システムによって完了する必要があります。
レーザーの選択、レーザーアプリケーションの開発、レーザー光源のシステムへの統合またはデバッグ時には、ビーム直径に加えてビーム品質も考慮する必要があります。ほとんどの場合、レーザーが生産されると、そのビーム品質は分析されなくなるため、レーザーが工場から出荷される前にビーム品質分析を完了することが非常に重要です。
ビーム品質は M2 値で表すことができ、M2 値 1.0 はレーザー ビーム品質が最適であることを示します。ビームパラメータ積 (BPP=0xw、ここで 0 はビーム遠視野発散角の半角、w はビームウエスト半径) と K 値 (1/MM2) も計算できます。レーザー光の品質を表現するために使用されます。レーザー光源のビーム品質と効率が向上しました。さまざまな加工プロセスに関しては、さまざまなレーザー源にそれぞれの利点があります。
ユーザーにとって、加工プロセス中のレーザーの性能指標の変化を理解することが重要です。レーザーパワー、ビームサイズ、およびそれらが時間の経過とともにどのように、そしてなぜ変化するかを測定することは、システムパフォーマンスを完全に理解し、より安定した長期パフォーマンスを確保するために重要です。
プロセス内監視とプロセス内監視
現在、データ入力は可能な限りリアルタイムに近いことが求められています。これには、一般に「プロセス内モニタリング」と呼ばれる技術が必要です。これには、レーザープロセスの進行中にレーザー性能測定値をモニタリングすることが含まれます。積層造形の分野では、この技術は「現場モニタリング」と呼ばれます。
「インプロセスモニタリング」に相当するのが、プロセス間のレーザーパフォーマンスを測定する「アットプロセスモニタリング」です。どちらの監視方法にも、それぞれ長所と短所があります。
NプロセスMKI
プロセス内モニタリングまたは現場モニタリングでは、動作および生産中のレーザーのパフォーマンスの一部を測定します。専用のテストサブシステムがレーザーシステム内にセットアップされ、レーザーの一部の性能のみを測定し、リアルタイムで分析します。
プロセス内監視には大きな利点があります。まず、サブシステムはシステム全体と統合されているため、両者は容易に通信できます。レーザーのパフォーマンスに関するリアルタイムのフィードバックが継続的に提供されるため、必要に応じてシステム全体を迅速に調整できます。第 2 に、これらのサブシステムは、統合されるシステム専用に設計されていることが多く、顧客が必要とするフィードバックのみを提供するシンプルなものが多くあります。収集した情報は、レーザーオペレーターが見るヒューマンマシンインターフェイス上に簡単に表示できます。このデータは保存および分析することもでき、分析結果に基づいて警告を発することで、システムやユーザーの安全を確保したり、廃棄率を削減したりすることができます。
インプロセスモニタリングの主な欠点は、これらのサブシステムがレーザーシステム全体のレーザーパフォーマンスの一部しか測定できないことです。レーザーが加工領域に到達する前にサンプルの一部が収集され、加工中に分析されます。残念ながら、加工中に発生する多くの問題は、レーザー測定サンプルが収集された後の加工領域に近いコンポーネントの機能低下によって引き起こされることがよくあります。システム内のコンポーネントが処理中に劣化または故障した場合、レーザー測定に使用されるサンプルが劣化または故障を見逃す可能性があり、システムに誤ったフィードバックが提供されます。
インプロセスモニタリングのもう 1 つの欠点は、光学測定コンポーネントの校正が難しいことです。サブシステムはシステム全体と統合されているため、再調整のためにコンポーネントを取り外すことが困難または不可能なことがよくあります。測定精度を確保するには、電力測定コンポーネントを頻繁に校正する必要があります (Ophir では 12 か月ごとの校正を推奨しています)。
このような測定サブシステムは、レーザー性能の実際の測定に依存することなく、レーザーシステムに追加の感覚フィードバックも提供して、レーザー性能を示します。たとえば、レーザーコンポーネントを保護するために、処理エリアに近いカバーガラスに温度モニターが取り付けられています。カバーガラス上に加工破片が多すぎて、その破片がレーザーエネルギーを吸収して温度上昇を引き起こす場合、温度モニターがレーザーユーザーに注意を促し、システムとユーザーに貴重な情報を提供します。
工程内モニタリング
プロセス中のモニタリングでは通常、別個の製品セットを使用してレーザー加工領域で測定を行い、レーザー システム全体を分析します。これらの監視システムは、レーザー出力、エネルギー、ビーム品質分析を測定するための個別の製品で構成することも、これらのパラメーターを同時にテストできる製品で構成することもできます (図 2 を参照)。これらの検査システムは、相互に依存することも、互いに独立することも、システム全体に統合することも、プロセス間でシステムを定期的に保守することもできます。
現場モニタリングと同様に、プロセスモニタリングにも長所と短所があります。プロセス監視の主な利点は、システム内のレーザー全体のパフォーマンスをより完全に評価できることです。レーザー ビームの 100% がパワーまたはエネルギー測定のために収集され、集光スポットを分析して、その時点でのレーザーのパフォーマンスの包括的な分析をユーザーに提供することもできます。このデータは、システム全体で保存、保管、または記録され、傾向分析のためにアクセスされ、障害後のシステム回復を確実にし、元のシステム効率を維持することができます。この方法を使用してデータを収集すると、最終的にユーザーはレーザーの使用状況の全体像を把握できますが、コストがかかります。
プロセス内監視の最も明白な欠点は、ダウンタイムです。測定はレーザー全体で実行されるため、測定を実行するにはレーザーを生産から取り外す必要があります。レーザー測定システムが機械に統合されている場合、通常は大した問題ではありませんが、時は金なりです。ただし、レーザー測定システムをシステム全体に統合するのは便利ですが、コストがかかる可能性があり、場合によっては不要であるとさえ考えられます。レーザー測定製品は、システム全体に統合されていない場合でも、メンテナンス ツールとして使用できます。ただし、測定を行うにはレーザーを生産から外す必要があり、保守担当者がレーザーツールの操作に慣れていない場合、測定に非常に時間がかかり、その結果、測定の頻度が減ったり、測定がまったく行われなかったりする可能性があります。全て。
さらに、プロセスに関する情報をユーザーに提供できる製品もあります。たとえば、いくつかの企業が、さまざまなテクノロジーを使用して溶接プロセスをリアルタイムで分析できる製品を提供しています。これらのシステムは、溶接プロセスに「ゴー/ノーゴー」または「パス/ノーゴー」制限を実装しているため、ユーザーはシステムに問題が発生する可能性がある時期を知ることができ、より高品質の製品の生産を確保し、スクラップ率を削減できます。
レーザーがライフサイクル全体にわたって安定して動作することを保証することは、プロセスの一貫性と効率を最大化して維持し、レーザーの寿命を延ばし、システムの投資収益率を向上させるために重要です。現場の現場でレーザーのパフォーマンスを測定することによってのみ、ユーザーはレーザーがどのように機能するかを正確に知ることができます。
インプロセス測定方法とアットプロセス測定方法にはそれぞれ長所と短所がありますが、どちらの方法でも重要なレーザー加工情報が得られます。レーザーパフォーマンスインジケーターを測定する製品は常に進化しており、操作が簡単になり、耐久性も向上しています。レーザーの複数の重要な性能指標を測定することにより、ユーザーはレーザーの動作原理を理解し、レーザーの長期的な性能維持を容易に行うことができます。
