보다 지속 가능한 레이저 공정 만들기

레이저는 다양한 제조 공정에서 사용되며 최근에는 그 스펙트럼이 점점 더 넓어지고 있습니다. 센서 기술의 VCSEL, 배터리 셀 용접용 청색 및 녹색 레이저, 적층 제조의 강력한 파이버 레이저, 의료 기술의 양자 캐스케이드 레이저 등 레이저 기술은 현재 수많은 산업에 혁명을 일으키고 있습니다. 그러나 한 가지 두드러진 점은 현대 생산 공장에서도 레이저 시스템 자체를 측정하여 레이저 기반 공정을 보다 지속 가능하게 만들 수 있는 기회가 종종 간과된다는 점입니다.

문서를 단순화하고 자원을 절약하면서 레이저 기반 공정에서 생산 품질을 높이는 데 기여하는 많은 새로운 기술과 기기가 있습니다. 오늘날에는 로봇 셀의 매우 짧은 로딩 동안 또는 적층 제조의 밀폐된 구조 챔버에서 주기 시간 중립적이고 완전 자동화된 측정을 통해 전체 빔 화선을 특성화하는 것도 가능합니다.

위험이 있는 역설

수년 동안 레이저 빔은 도구로서 "둔해지지" 않기 때문에 그 자체로 "유지 보수가 필요 없다"는 믿음이 있었습니다. 지금도 최첨단 생산설비에 투자하면서도 구식 측정기술을 사용하여 레이저를 측정하는 경우가 너무 적은 기업이 있습니다. 현실은 레이저 공정이 시간이 지남에 따라 변한다는 것입니다. 업계 사람들은 집속된 레이저 빔을 확인하는 것이 얼마나 중요한지 깨닫기 시작했습니다. 부품 품질에 대한 요구 증가와 많은 기업이 직면한 경제적 압박 외에도 지속 가능성이 중요한 결정 요소가 되고 있습니다. 그러나 여기에서 레이저 기술과 환경 인식은 함께 가야 합니다. 목표는 간단합니다.

• 스크랩 없음

• 재료 소비 감소

• 낮은 에너지 소비;

• 재작업 최소화.

프로세스를 설계할 때 한 가지 명심해야 할 점은 레이저는 빔 전달과 함께 작동한다는 것입니다. 그리고 내장 부품은 시간이 지남에 따라 마모되고 더러워집니다. 이로 인해 초점 직경이 전체적으로 커지거나 초점 위치가 이동하여 빔 직경이 커지는 경우가 많습니다. 두 경우 모두 처리 수준에서 전력 밀도를 줄입니다. 이러한 변경 사항이 눈에 띄지 않으면 추가 비용이 발생합니다. 즉, 결함 부품에 자재 낭비 및/또는 문제 해결에 낭비되는 시간과 노동력입니다. 실제로 소스를 수정하지 않고 프로세스의 변화를 보상하기 위해 사용자는 처리 속도를 낮추거나 레이저 출력을 높이는 방법을 사용합니다. 둘 다 에너지 및 공정 가스의 더 높은 소비로 이어집니다. 즉... 요즘은 누구도 원하거나 감당할 수 없는 것이 아닙니다!

품질 및 단가 집중

레이저 공정의 지속 가능성을 높이려면 몇 가지 다른 진입점에서 시작할 수 있습니다. 첫째, 빔 초점이 전반적으로 어떻게 작동하고 레이저 출력 및 초점 위치의 변화가 프로세스에 어떤 영향을 미치는지 아는 것이 가장 중요합니다. 이러한 조사는 일반적으로 개발 중에 수행됩니다.

그러나 일단 레이저 공정이 작동되면 측정을 통해 레이저가 개발 단계에서와 같이 생산 환경에서 여전히 작동하는지 여부를 알 수 있습니다. 작업이 계속됨에 따라 광학 렌즈와 보호 창을 점검하고 필요에 따라 교체하는 것이 필수적인 유지 관리 작업입니다. 오류 및 거부가 발생하는 경우 레이저 시스템을 신속하게 백업하고 다시 작동하는 방법을 정의하는 명확한 측정 전략을 갖는 것이 좋습니다.

다음 절차는 일반적으로 좋은 결과를 가져옵니다.

1. 절단 노즐에서 빔 조정을 확인합니다(해당되는 경우).
2. 보호 창을 교체합니다.
3. 빔 경로 조정을 확인하십시오.
4. 레이저의 출력 빔에서 출력 및 빔 프로필을 확인합니다.

측정할 중심 매개변수는 레이저 출력, 초점 직경, 초점 위치(x, y, z), 초점 이동, 빔 프로파일 및 발산, 빔 품질 M2 및 BPP(빔 매개변수 곱)입니다. 그러나 이러한 모든 측정에 대해 어떤 측정 기술을 사용할 것인지에 대한 질문은 전적으로 레이저 출력에만 근거하여 결정되어서는 안 됩니다. 레이저 출력 밀도도 알아야 합니다.

레이저 출력 밀도는 단위 면적당 출력으로 정의됩니다(watt/cm ² ). 예를 들어 잘못 냉각된 렌즈나 더러운 보호 창으로 인한 초점 직경의 변화는 레이저 빔의 출력 밀도에 직접적인 영향을 미치며 여러 가지 결과를 초래할 수 있습니다.

• 이동 속도를 줄여야 할 수도 있습니다.

• 절단 또는 용접 과정에서 가공 부품의 품질이 저하될 수 있습니다.

• 가공에 사용되는 값비싼 가스의 필요성과 마찬가지로 생산 시간과 전력 소비가 증가할 수 있습니다.

• 열영향부(HAZ)가 더 커지므로 곧게 펴기, 버 제거 또는 연마와 같은 후처리 마무리 작업이 더 많이 필요합니다. 특정 상황에서 감지되지 않은 제품 품질 손실은 강도 감소로 이어질 수 있습니다. 결함은 일단 인식되면 값비싼 리콜을 초래할 수 있습니다.

이러한 기술적 효과는 불가피하게 비용과 지속 가능성에 상당한 타격을 줍니다. 처리 지점에서 빔 품질의 편차가 클수록 에너지 및 공정 가스에 더 많이 소비됩니다.

효율적인 전력 측정

이러한 명확한 상관 관계에도 불구하고 비평가들은 종종 레이저 빔을 측정하는 것이 너무 비싸고 기기가 너무 취약하다고 주장합니다. 그러나 산업용 애플리케이션에 최적화된 새로운 기술을 사용할 수 있습니다.

예를 들어, MKS Instruments는 최근 광범위한 레이저 응용 분야를 포괄할 뿐만 아니라 매우 작고 컴팩트하며 견고한 새로운 파워 게이지를 출시했습니다. Ophir Ariel은 에너지의 빠른 측정을 기반으로 최대 8kW의 레이저 출력을 결정합니다. 연속 모드에서도 최대 500W의 전력 레벨을 측정할 수 있습니다. 다양한 파장 범위(440-550nm, 900-1100nm, 10.6μm 및 2.94μm)를 하나의 장치로 교정 및 측정할 수 있습니다. 포함된 디퓨저는 쉽게 부착할 수 있어 빔 직경이 작은 경우와 같이 고출력 밀도에서도 기기가 작동합니다.

레이저 측정이 사용되는 산업 환경의 종류를 감안할 때 시스템 설계는 견고해야 합니다. 바람직하게는 충격 방지, 방진 및 방적; 물이나 공기로 냉각할 필요가 없습니다. 이것은 종종 적층 제조 또는 로봇 셀에서 요구되는 것과 같이 폐쇄된 구조 챔버에서 측정을 허용합니다. 측정값은 앱이나 PC를 사용하여 Bluetooth를 통해 읽을 수 있어야 하며 고해상도 디스플레이에 직접 표시되어야 합니다. 또는 내부 메모리에 저장하고 USB-C 인터페이스를 통해 전송할 수 있습니다. 개발자, 운영자 및 서비스 기술자는 이러한 소형 기기로 레이저 출력을 신속하게 결정하여 공정 품질에 대한 첫인상을 얻을 수 있습니다.

자동화된 프로세스

자동화된 레이저 생산 시스템의 성능 측정을 위해 수냉식 없이 작동하는 작고 견고한 시스템도 있습니다. 이러한 시스템은 레이저 빔을 빠르고 안정적으로 측정하고 적절한 네트워크 인터페이스를 통해 중앙 데이터 저장 시스템으로 데이터를 전송합니다. 이러한 시스템에는 표준 RS232 인터페이스가 포함됩니다. Ophir Helios Plus와 같은 최신 시스템에는 Profinet 또는 이더넷/IP 인터페이스도 있습니다. 이러한 장치는 열 측정 방법을 사용하여 단 몇 초 만에 최대 10kW 이상의 레이저 출력을 결정할 수 있습니다.

배터리 팩 용접 또는 연료 전지 제조와 같은 매우 복잡한 공정에서도 레이저 출력의 사전 예방적 측정은 빠르고 정확할 수 있습니다. 그러나 레이저 출력을 측정하는 것은 더 복잡한 프로세스를 처음 엿볼 수 있다는 점에 유의해야 합니다.

레이저 빔 화선에 대한 신뢰할 수 있는 결론을 도출하려면 카메라 기반 측정 시스템이나 측정을 위한 비접촉 방식이 필요합니다. 그림 3(왼쪽)은 결정된 빔 프로파일을 통해 초점 위치를 찾기 위해 z축을 따라 이동해야 하는 카메라 기반 측정 장치를 보여줍니다. 따라서 초점 위치의 급격한 변화는 감지하기 어렵습니다. 오른쪽은 전체 빔의 부식제가 한 번에 기록된다는 것을 보여주는 비접촉 측정 기술의 개략도입니다. 여기서 초점 위치의 변경은 즉시 나타나며 시공간적으로 해결됩니다.

특히 자동화 생산 분야에서 레이저 빔의 비접촉 측정은 미래가 밝습니다. 기어박스 또는 배터리 팩 제조와 같은 민감한 영역에서 신제품은 단일 시스템에서 여러 측정 방법을 결합합니다. 예를 들어 Ophir BeamWatch Integrated 시스템에서 비접촉 측정 기술을 사용하여 빔 화선을 기록할 수 있습니다. 고출력 레이저용 수냉식 측정 헤드가 레이저 출력을 결정합니다. 측정 데이터는 통합 인터페이스(Profinet, Ethernet/IP, CC-Link, GigE)를 통해 생산 네트워크로 전달됩니다. 다른 용접 헤드와 매개변수도 테스트할 수 있습니다. 비디오 프레임 속도로 빔을 캡처하면 그림 4와 같이 거의 실시간으로 초점 이동을 감지할 수 있습니다. 여기에서 초점 이동의 원인은 더러운 보호 창 때문이었습니다.

지속 가능성 향상

레이저 시스템은 다양한 복잡한 제조 공정의 핵심입니다. 측정 기술의 새로운 혁신 덕분에 제조업체와 사용자는 이제 레이저 빔을 사전에 측정할 수 있는 다양한 옵션을 갖게 되었습니다. 주요 레이저 매개변수를 빠르고 정확하게 기록하고 조정할 수 있습니다. 이를 통해 공정이 최적의 조건에서 실행되고 에너지 및 재료 낭비로 인한 추가 비용이 발생하지 않으며 제조된 제품이 최고 품질 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 따라서 레이저 측정 기술은 지속 가능한 생산에 크게 기여합니다.

이 기사는 Ophir(North Logan, UT)의 사업 개발 이사인 Christian Dini가 작성했습니다. 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .