Abraham Lincoln, le 16ème président des États-Unis, a dit un jour : « Vous pouvez tromper tout le monde à un moment donné, et vous pouvez tromper certaines personnes tout le temps, mais vous ne pouvez pas tromper tout le monde tout le temps. » [11Il en va de même lors du suivi des performances des lasers intégrés dans un système. Dans la production industrielle, l'ensemble du système peut être surveillé pendant un certain temps, ou une partie du système peut être surveillée en permanence, mais il est impossible de surveiller l'ensemble du système en permanence. À l'ère de l'Industrie 4.0, c'est-à-dire l'ère de la fabrication intelligente, il est très important de comprendre la différence entre les deux.
L'industrie 4.0 change la situation manufacturière dans tous les domaines. Les progrès technologiques aident les fabricants à mener leur production industrielle de manière plus efficace, plus rapide et plus intelligente. Pour appliquer correctement les machines intelligentes, il est nécessaire de collecter diverses données, de les analyser et de les filtrer pour améliorer le processus. Trop peu de données entraveront l’amélioration des processus, mais en même temps, trop de données peuvent s’avérer contre-productives.
Les systèmes de traitement laser ont leur propre ensemble de caractéristiques de fonctionnement et de problèmes associés. Trop de données sur les performances du laser peuvent être contre-productives, car elles peuvent être accablantes et accablantes.
Quand mesurer les mesures de performances du laser ?
Il existe quatre façons de mesurer les performances du laser. La première approche est celle que préfèrent la plupart des opérateurs de systèmes laser, à savoir la maintenance programmée. Dans cette approche, les mesures de performances du laser sont mesurées sur la base des temps d'arrêt programmés du laser, généralement trimestriels, semestriels ou annuels. Pendant ce temps, les mesures de performances du laser sont mesurées et comparées aux mesures précédentes pour analyser les tendances de fonctionnement du laser.
La deuxième méthode consiste à mesurer lors de défaillances de processus. Par exemple, si la qualité de la soudure est dégradée pendant le soudage au laser, ou si la découpe échoue ou ne peut pas être effectuée pendant la découpe au laser, les performances du laser peuvent être mesurées pour restaurer le système laser aux paramètres de fonctionnement conçus.
Les troisième et quatrième méthodes correspondent exactement à ce que cet article abordera : la surveillance en cours de processus et la surveillance en cours de processus. Les deux méthodes ont leurs avantages et leurs inconvénients. Les opérateurs doivent être clairs sur les avantages et les inconvénients de ces deux méthodes tout en maîtrisant la méthode de traitement optimale du laser. De plus, les opérateurs doivent également comprendre quels indicateurs laser sont essentiels à mesurer au cours des processus de production industrielle.
Comment le laser traite-t-il les matériaux ?
Selon des exigences élevées, quelle que soit la technologie de traitement pour laquelle le laser est utilisé, les opérateurs doivent comprendre comment le laser traite les matériaux. Par exemple, pour savoir quel type de laser est adapté au soudage, il faut même comprendre comment le laser soude le cadre de porte d'une automobile. Le moyen le plus simple de comprendre cela consiste à utiliser la densité de puissance laser.
La définition de la densité de puissance fait référence à la puissance laser irradiée sur une unité de surface de matériau. La densité de puissance est généralement exprimée en W/cm2, où « W » signifie puissance « watt ». Pour les lasers continus (CW), sa valeur est la valeur de puissance : pour les lasers pulsés, c'est sa valeur de puissance moyenne. "cm2" représente la surface du spot laser sur le plan de travail. Par exemple, un laser de 100 W focalisé sur une taille de spot de 100 mm a une densité de puissance de 1,27 x 103 kW/cm2.
La densité de puissance d'un laser est affectée par les changements dans la puissance du laser ou la taille de la lumière appliquée au matériau. Les opérateurs laser doivent mesurer, analyser et comprendre ces deux variables pour garantir le fonctionnement efficace du processus laser.
Mesures importantes des indicateurs de performance du laser
La mesure de la lumière laser est généralement réalisée par un wattmètre. Un wattmètre est un capteur qui collecte la lumière laser et la convertit en signal électrique, puis en déduit la puissance ou l'énergie produite par le faisceau et fournit enfin la lecture à un compteur ou à un ordinateur pour analyse. Ce processus ne prend généralement que quelques secondes, mais il peut varier en fonction de la technologie utilisée. Ces mesures sont très importantes pour la collecte et l'analyse des données, en particulier au cours de la phase de production du laser, car les données permettent aux utilisateurs de comprendre comment les performances du laser changent et comment ces changements affectent l'application du laser dans le processus de traitement.
De plus, le diamètre du faisceau laser doit être mesuré. Il existe de nombreuses façons de calculer le diamètre du faisceau, telles que la méthode D40, la méthode du pic à 13,5 % et la méthode du tranchant 10/90, et les résultats de calcul des différentes méthodes varient considérablement. Des personnes de différents secteurs, horizons et expériences utilisent les méthodes de calcul correspondantes en fonction de leurs scénarios d'application.
Lors du calcul du diamètre du faisceau, la valeur de rondeur ou d'ellipticité du faisceau doit être prise en compte. Il est important de comprendre la forme du faisceau et la façon dont l’énergie est distribuée dans le profil du faisceau. S'agit-il d'un faisceau gaussien ou d'un faisceau plat ? Lorsque l'on tente de comprendre comment le laser est utilisé dans le processus, la mesure des paramètres du faisceau laser doit être complétée par un système de mesure de roue à faisceau conforme aux normes de l'industrie.
Outre le diamètre du faisceau, la qualité du faisceau doit également être prise en compte lors de la sélection d'un laser, du développement d'une application laser et de l'intégration ou du débogage d'une source laser dans un système. Dans la plupart des cas, une fois qu'un laser est mis en production, la qualité de son faisceau n'est généralement plus analysée. Il est donc très important de terminer l'analyse de la qualité du faisceau avant que le laser ne quitte l'usine.
La qualité du faisceau peut être exprimée par la valeur M2, et une valeur M2 de 1.0 indique que la qualité du faisceau laser est optimale. Le produit des paramètres du faisceau (BPP=0xw, où 0 est le demi-angle de l'angle de divergence du faisceau en champ lointain et w est le rayon de taille du faisceau) et la valeur K (1/MM2) peut également être utilisé pour exprimer la qualité du faisceau laser. La qualité du faisceau et l’efficacité des sources laser se sont améliorées. Lorsqu'il s'agit de différents processus de traitement, différentes sources laser présentent leurs propres avantages.
Il est important que les utilisateurs comprennent les changements dans les indicateurs de performance du laser au cours du processus de traitement. Mesurer la puissance laser, la taille du faisceau, ainsi que comment et pourquoi ces changements au fil du temps est essentiel pour bien comprendre les performances du système et garantir des performances plus stables à long terme.
Surveillance en cours de processus ou surveillance en cours de processus
Aujourd’hui, la saisie des données est requise aussi près que possible du temps réel. Cela nécessite une technique communément appelée « surveillance en cours de processus », qui implique la surveillance des mesures de performances du laser pendant que le processus laser est en cours. Dans le domaine de la fabrication additive, cette technique est appelée « surveillance in situ ».
L'équivalent de la « surveillance en cours de processus » est la « surveillance en cours de processus », qui mesure les performances du laser entre les processus. Les deux méthodes de surveillance présentent leurs propres avantages et inconvénients.
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La surveillance en cours de processus ou la surveillance in situ mesure une partie des performances du laser pendant le fonctionnement et la production. Un sous-système de test dédié est mis en place dans le système laser pour mesurer uniquement les performances d'une partie du laser et l'analyser en temps réel.
La surveillance en cours de processus présente des avantages significatifs. Premièrement, puisque le sous-système est intégré à l’ensemble du système, les deux peuvent communiquer facilement. Des informations en temps réel sur les performances du laser sont fournies en continu, ce qui permet d'effectuer rapidement des ajustements sur l'ensemble du système si nécessaire. Deuxièmement, ces sous-systèmes sont souvent conçus spécifiquement pour le système dans lequel ils sont intégrés et sont souvent simples, fournissant uniquement le feedback requis par le client. Les informations qu'ils collectent peuvent être facilement présentées sur une interface homme-machine vue par l'opérateur laser. Ces données peuvent également être stockées et analysées, et des avertissements peuvent être émis sur la base des résultats de l'analyse pour garantir la sécurité du système et des utilisateurs, ou pour réduire le taux de rebut.
Le principal inconvénient de la surveillance en cours de processus est que ces sous-systèmes ne peuvent mesurer qu'une partie des performances laser de l'ensemble du système laser. Une partie de l'échantillon est collectée avant que le laser n'atteigne la zone de traitement et analysée pendant le traitement. Malheureusement, de nombreux problèmes qui surviennent lors du traitement sont souvent dus à une dégradation fonctionnelle des composants proches de la zone de traitement après la collecte de l'échantillon de mesure laser. Si un composant du système se dégrade ou tombe en panne pendant le traitement, l'échantillon utilisé pour la mesure laser peut manquer la dégradation ou la défaillance, fournissant ainsi un faux retour au système.
Un autre inconvénient de la surveillance en cours de processus est la difficulté de calibrer les composants de mesure optique. Étant donné que les sous-systèmes sont intégrés au système global, il est souvent difficile, voire impossible, de retirer des composants pour le réétalonnage. Les composants de mesure de puissance doivent être calibrés fréquemment (Ophir recommande un calibrage tous les 12 mois) pour garantir la précision des mesures.
De tels sous-systèmes de mesure fournissent également un retour sensoriel supplémentaire au système laser pour indiquer les performances du laser sans s'appuyer sur des mesures réelles des performances du laser. Par exemple, un moniteur de température est installé sur la vitre de protection à proximité de la zone de traitement pour protéger les composants laser. Lorsqu'il y a trop de débris de traitement sur le verre de protection et que les débris absorbent l'énergie du laser, provoquant une augmentation de la température, le moniteur de température rappelle aux utilisateurs du laser et fournit des informations précieuses au système et aux utilisateurs.
Surveillance en cours de processus
La surveillance en cours de processus utilise généralement un ensemble distinct de produits pour prendre des mesures dans la zone de traitement laser et analyser l'ensemble du système laser. Ces systèmes de surveillance peuvent être composés de produits distincts pour mesurer la puissance laser, l'énergie et l'analyse de la qualité du faisceau, ou ils peuvent être composés de produits capables de tester ces paramètres simultanément (voir Figure 2). Ces systèmes d'inspection peuvent être interdépendants ou indépendants les uns des autres, intégrés dans le système global, ou le système peut être régulièrement entretenu entre les processus.
Semblable à la surveillance in situ, la surveillance en cours de processus présente des avantages et des inconvénients. Le principal avantage de la surveillance en cours de processus est une évaluation plus complète de l’ensemble des performances du laser au sein du système. 100 % du faisceau laser est collecté pour la mesure de puissance ou d'énergie, et le point focalisé peut également être analysé pour fournir à l'utilisateur une analyse complète des performances du laser à ce moment précis. Ces données peuvent être enregistrées, stockées ou enregistrées dans tout le système, puis consultées pour une analyse des tendances afin d'assurer la récupération du système après une panne et de maintenir l'efficacité d'origine du système. La collecte de données à l'aide de cette méthode donne finalement à l'utilisateur une image complète de l'utilisation du laser, mais cela a un coût.
L’inconvénient le plus évident de la surveillance en cours de processus est le temps d’arrêt. La mesure étant effectuée sur l’ensemble du laser, le laser doit être retiré de la production pour effectuer la mesure. Si le système de mesure laser est intégré à la machine, ce n'est généralement pas grave, mais le temps, c'est de l'argent. Cependant, même si l’intégration d’un système de mesure laser dans le système global est pratique, elle peut s’avérer coûteuse et parfois même considérée comme inutile. S’ils ne sont pas intégrés dans le système global, les produits de mesure laser peuvent être utilisés comme outils de maintenance. Cependant, le laser doit être retiré de la production pour effectuer les mesures, et lorsque le personnel de maintenance n'est pas familiarisé avec le fonctionnement de l'outil laser, les mesures prennent beaucoup de temps, ce qui peut entraîner des mesures moins fréquentes, voire aucune mesure. tous.
De plus, il existe d'autres produits qui peuvent fournir aux utilisateurs des informations sur le processus. Par exemple, plusieurs entreprises proposent des produits capables d’analyser le processus de soudage en temps réel à l’aide de diverses technologies. Ces systèmes mettent en œuvre des limites « go/no-go » ou « pass/no-go » sur le processus de soudage, permettant aux utilisateurs de savoir quand le système peut rencontrer des problèmes, garantissant la production de produits de meilleure qualité et réduisant les taux de rebut.
Il est essentiel de garantir que le laser fonctionne de manière stable tout au long de son cycle de vie pour maximiser et maintenir la cohérence et l'efficacité du processus, prolonger la durée de vie du laser et améliorer le retour sur investissement du système. Ce n'est qu'en mesurant les performances du laser sur le terrain, sur le chantier, que les utilisateurs peuvent savoir exactement comment le laser fonctionne.
Les méthodes de mesure en cours de processus et pendant le processus ont leurs propres avantages et inconvénients, mais les deux méthodes peuvent fournir des informations importantes sur le traitement laser. Les produits qui mesurent les indicateurs de performance laser évoluent constamment, devenant plus faciles à utiliser et plus durables. En mesurant plusieurs indicateurs de performance clés du laser, les utilisateurs comprendront plus facilement le principe de fonctionnement du laser et effectueront la maintenance des performances à long terme du laser.
