אברהם לינקולן, הנשיא ה-16 של ארצות הברית, אמר פעם: "אתה יכול לרמות את כל האנשים חלק מהזמן, ואתה יכול לרמות חלק מהאנשים כל הזמן, אבל אתה לא יכול לרמות את כל האנשים כל הזמן". [11הדבר נכון בעת ניטור הביצועים של לייזרים המשולבים במערכת. בייצור תעשייתי אפשר לפקח על כל המערכת לפרק זמן או לפקח על חלק מהמערכת כל הזמן, אבל אי אפשר לפקח על כל המערכת כל הזמן. בעידן התעשייה 4.0, כלומר עידן הייצור החכם, חשוב מאוד להבין את ההבדל בין השניים.
תעשייה 4.0 משנה את מצב הייצור בכל תחומי החיים. ההתקדמות הטכנולוגית מסייעת ליצרנים לנהל ייצור תעשייתי בצורה יעילה יותר, מהירה יותר וחכמה יותר. כדי ליישם נכון מכונות חכמות, יש צורך לאסוף נתונים שונים, לנתח ולסנן אותם לשיפור התהליך. מעט מדי נתונים יעכבו את שיפור התהליך, אך יחד עם זאת, יותר מדי נתונים עלולים להועיל.
למערכות עיבוד לייזר יש מערכת משלהן של מאפייני פעולה ובעיות קשורות. יותר מדי נתונים על ביצועי הלייזר עלולים להיות מנוגדים, מכיוון שהם יכולים להיות מכריעים ומכריעים.
מתי למדוד מדדי ביצועי לייזר?
ישנן ארבע דרכים למדידת ביצועי לייזר. הגישה הראשונה היא מה שרוב מפעילי מערכות הלייזר מעדיפים, שהיא תחזוקה מתוזמנת. בגישה זו, מדדי ביצועי לייזר נמדדים על סמך זמן השבתה מתוכנן של הלייזר, בדרך כלל רבעוני, חצי שנתי או שנתי. במהלך זמן זה, מדדי ביצועי לייזר נמדדים ומשווים למדידות קודמות כדי לנתח מגמות פעולת לייזר.
השיטה השנייה היא למדוד במהלך כשלים בתהליך. לדוגמה, אם איכות הריתוך יורדת במהלך ריתוך הלייזר, או אם החיתוך נכשל או לא ניתן לבצעו במהלך חיתוך הלייזר, ניתן למדוד את ביצועי הלייזר כדי להחזיר את מערכת הלייזר לפרמטרי הפעולה המתוכננים.
השיטה השלישית והרביעית הן בדיוק מה שמאמר זה ידון בהן - ניטור תוך כדי תהליך וניטור בזמן תהליך. לשתי השיטות יש יתרונות וחסרונות. על המפעילים להיות ברורים לגבי היתרונות והחסרונות של שתי השיטות הללו תוך שליטה בשיטת העיבוד האופטימלית של הלייזר. בנוסף, על המפעילים להבין אילו מדדי לייזר הם קריטיים למדידה במהלך תהליכי ייצור תעשייתיים.
כיצד מעבד הלייזר חומרים?
על פי דרישות גבוהות, לא משנה לאיזו טכנולוגיית עיבוד הלייזר משמש, על המפעילים להבין כיצד הלייזר מעבד חומרים. לדוגמה, כדי לדעת איזה סוג של לייזר מתאים לריתוך, אתה אפילו צריך להבין כיצד הלייזר מרתך את משקוף הדלת של רכב. הדרך הקלה ביותר להבין זאת היא באמצעות צפיפות כוח הלייזר.
ההגדרה של צפיפות הספק מתייחסת לכוח הלייזר המוקרן ליחידת שטח של חומר. צפיפות ההספק מתבטאת בדרך כלל ב-W/cm2, כאשר "W" מייצג כוח "וואט". עבור לייזרים רציפים (CW), הערך שלו הוא ערך ההספק: עבור לייזרים פולסים, זה ערך ההספק הממוצע שלו. "cm2" מייצג את השטח של נקודת הלייזר במישור העבודה. לדוגמה, לייזר של 100 W ממוקד לגודל נקודה של 100 מ"מ הוא בעל צפיפות הספק של 1.27x103kW/cm2.
צפיפות ההספק של לייזר מושפעת משינויים בעוצמת הלייזר או בגודל האור המופעל על החומר. מפעילי לייזר חייבים למדוד, לנתח ולהבין את שני המשתנים הללו כדי להבטיח את הפעולה היעילה של תהליך הלייזר.
מדידות מחוון ביצועי לייזר חשובות
מדידת אור הלייזר מושגת בדרך כלל על ידי מד כוח. מד כוח הוא חיישן שאוסף אור לייזר וממיר אותו לאות חשמלי, ואז מסיק את ההספק או האנרגיה המופקת מהקרן, ולבסוף מספק את הקריאה למד או למחשב לצורך ניתוח. תהליך זה אורך בדרך כלל מספר שניות בלבד, אך הוא עשוי להשתנות בהתאם לטכנולוגיה שבה נעשה שימוש. מדידות אלו חשובות מאוד לאיסוף וניתוח הנתונים, במיוחד בשלב הייצור של הלייזר, מכיוון שהנתונים מאפשרים למשתמשים להבין כיצד משתנים ביצועי הלייזר וכיצד שינויים אלו משפיעים על יישום הלייזר בתהליך העיבוד.
בנוסף, יש למדוד את קוטר קרן הלייזר. ישנן דרכים רבות לחישוב קוטר הקורה, כמו שיטת D40, שיטת 13.5% peak ושיטת 10/90 קצה סכין, ותוצאות החישוב של שיטות שונות משתנות מאוד. אנשים מתעשיות, רקע וניסיון שונים משתמשים בשיטות חישוב מתאימות בהתאם לתרחישי היישום שלהם.
בעת חישוב קוטר הקורה, יש לקחת בחשבון את ערך העגלגלות או האליפטיות של הקורה. חשוב להבין את צורת הקורה וכיצד מתחלקת האנרגיה בפרופיל הקורה. האם זו קורה גאוסית או קורה שטוחה? כאשר מנסים להבין כיצד נעשה שימוש בלייזר בתהליך, יש להשלים את מדידת פרמטרי קרן הלייזר על ידי מערכת מדידת גלגל קרן סטנדרטית בתעשייה.
בנוסף לקוטר הקרן, יש להתייחס לאיכות הקרן גם בבחירת לייזר, בפיתוח אפליקציית לייזר ובשילוב או איתור באגים של מקור לייזר במערכת. ברוב המקרים, לאחר כניסת לייזר לייצור, איכות הקרן שלו בדרך כלל לא מנותחת יותר, ולכן חשוב מאוד להשלים את ניתוח איכות הקרן לפני שהלייזר יוצא מהמפעל.
ניתן לבטא את איכות הקרן על ידי ערך M2, וערך M2 של 1.0 מציין שאיכות קרן הלייזר אופטימלית. תוצר פרמטר האלומה (BPP=0xw, כאשר 0 הוא חצי הזווית של זווית סטיית השדה הרחוק ו-w הוא רדיוס המותניים של האלומה) וערך K (1/MM2) יכולים גם לשמש לביטוי איכות קרן הלייזר. איכות הקרן והיעילות של מקורות הלייזר השתפרו. כשמדובר בתהליכי עיבוד שונים, למקורות לייזר שונים יש יתרונות משלהם.
חשוב למשתמשים להבין את השינויים במחווני הביצועים של הלייזר במהלך תהליך העיבוד. מדידת כוח הלייזר, גודל האלומה וכיצד ומדוע הם משתנים לאורך זמן היא קריטית להבנה מלאה של ביצועי המערכת ולהבטחת ביצועים יציבים יותר לטווח ארוך.
ניטור תוך כדי תהליך לעומת ניטור בתהליך
כיום נדרשת קלט נתונים קרוב לזמן אמת ככל האפשר. זה דורש טכניקה המכונה בדרך כלל "ניטור תוך-תהליך", הכוללת ניטור מדידות ביצועי לייזר בזמן תהליך הלייזר בעיצומו. בתחום הייצור המוסף, טכניקה זו נקראת "ניטור במקום".
המקביל ל"ניטור תוך-תהליך" הוא "ניטור בתהליך", המודד את ביצועי הלייזר בין תהליכים. לשתי שיטות הניטור יש יתרונות וחסרונות משלהן.
n-processmkai
ניטור תוך-תהליך או ניטור באתר מודד חלק מביצועי הלייזר במהלך ההפעלה והייצור. מערכת בדיקה ייעודית מוקמת במערכת הלייזר כדי למדוד רק את הביצועים של חלק מהלייזר ולנתח אותו בזמן אמת.
לניטור בתהליך יש יתרונות משמעותיים. ראשית, מאחר שתת המערכת משולבת עם המערכת כולה, השניים יכולים לתקשר בקלות. משוב בזמן אמת על ביצועי הלייזר מועבר באופן רציף, כך שניתן לבצע התאמות לכל המערכת במהירות במידת הצורך. שנית, תתי-מערכות אלו לרוב מתוכננות במיוחד עבור המערכת שבה הן משולבות ולעיתים פשוטות, ומספקות רק את המשוב הנדרש על ידי הלקוח. המידע שהם אוספים ניתן להציג בקלות על ממשק אדם-מכונה הנראה על ידי מפעיל הלייזר. ניתן גם לאחסן ולנתח נתונים אלו, וניתן להנפיק אזהרות על סמך תוצאות הניתוח כדי להבטיח את בטיחות המערכת והמשתמשים, או כדי להפחית את שיעור הגרוטאות.
החיסרון העיקרי של ניטור תוך-תהליך הוא שתתי-מערכות אלו יכולות למדוד רק חלק מביצועי הלייזר של מערכת הלייזר כולה. חלק מהדגימה נאסף לפני שהלייזר מגיע לאזור העיבוד ומנתח במהלך העיבוד. למרבה הצער, בעיות רבות המתעוררות במהלך העיבוד נגרמות לרוב על ידי השפלה תפקודית של רכיבים קרובים לאזור העיבוד לאחר איסוף דגימת מדידת הלייזר. אם רכיב במערכת מתקלקל או נכשל במהלך העיבוד, הדגימה המשמשת למדידת לייזר עלולה להחמיץ את השפלה או הכשל, ולספק משוב כוזב למערכת.
חיסרון נוסף של ניטור תוך תהליך הוא הקושי בכיול רכיבי המדידה האופטית. מכיוון שתתי-מערכות משולבות עם המערכת הכוללת, לעתים קרובות קשה או בלתי אפשרי להסיר רכיבים לכיול מחדש. רכיבי מדידת הספק חייבים להיות מכוילים לעתים קרובות (אופיר ממליץ על כיול כל 12 חודשים) כדי להבטיח דיוק המדידה.
תת-מערכות מדידה כאלה מספקות גם משוב חושי נוסף למערכת הלייזר כדי להצביע על ביצועי הלייזר מבלי להסתמך על מדידות בפועל של ביצועי הלייזר. לדוגמה, צג טמפרטורה מותקן על זכוכית הכיסוי קרוב לאזור העיבוד כדי להגן על רכיבי הלייזר. כאשר יש יותר מדי פסולת עיבוד על זכוכית הכיסוי והפסולת סופגת את אנרגיית הלייזר, מה שגורם לטמפרטורה לעלות, צג הטמפרטורה יזכיר למשתמשי הלייזר ויספק מידע רב ערך למערכת ולמשתמשים.
ניטור בתהליך
ניטור בזמן תהליך משתמש בדרך כלל בסט נפרד של מוצרים כדי לבצע מדידות באזור עיבוד הלייזר ולנתח את מערכת הלייזר כולה. מערכות ניטור אלו יכולות להיות מורכבות ממוצרים נפרדים למדידת הספק לייזר, אנרגיה וניתוח איכות קרן, או שהן יכולות להיות מורכבות ממוצרים שיכולים לבדוק פרמטרים אלו בו-זמנית (ראה איור 2). מערכות בדיקה אלו יכולות להיות תלויות זו בזו או בלתי תלויות זו בזו, משולבות במערכת הכוללת, או שניתן לתחזק את המערכת באופן שוטף בין תהליכים.
בדומה לניטור באתרו, לניטור בתהליך יש את היתרונות והחסרונות שלו. היתרון העיקרי של ניטור בתהליך הוא הערכה מלאה יותר של כל ביצועי הלייזר בתוך המערכת. 100% מקרן הלייזר נאספת לצורך מדידת הספק או אנרגיה, וניתן גם לנתח את הנקודה הממוקדת כדי לספק למשתמש ניתוח מקיף של ביצועי הלייזר באותה נקודת זמן. ניתן לשמור, לאחסן או לרשום נתונים אלה בכל המערכת, ולאחר מכן לגשת לניתוח מגמות כדי להבטיח שחזור מערכת לאחר תקלה ולשמור על יעילות המערכת המקורית. איסוף נתונים בשיטה זו נותן בסופו של דבר למשתמש תמונה מלאה של השימוש בלייזר, אך יש לכך מחיר.
החיסרון הבולט ביותר של ניטור בתהליך הוא זמן השבתה. מכיוון שהמדידה מתבצעת על כל הלייזר, יש להוציא את הלייזר מהייצור לביצוע המדידה. אם מערכת מדידת הלייזר משולבת במכונה, זה בדרך כלל לא עניין גדול, אבל זמן זה כסף. עם זאת, בעוד ששילוב מערכת מדידת לייזר במערכת הכוללת הוא נוח, הוא עלול לעלות ביוקר ולעיתים אף להיחשב מיותר. אם לא משולבים במערכת הכוללת, ניתן להשתמש במוצרי מדידת לייזר ככלי תחזוקה. עם זאת, יש להוציא את הלייזר מייצור לצורך ביצוע המדידות, וכאשר אנשי התחזוקה אינם בקיאים בהפעלת כלי הלייזר, המדידות גוזלות זמן רב, מה שעלול לגרום למדידות פחות תכופות או אף לא מדידות בשעה כֹּל.
בנוסף, ישנם מוצרים נוספים שיכולים לספק למשתמשים מידע על התהליך. לדוגמה, מספר חברות מציעות מוצרים שיכולים לנתח את תהליך הריתוך בזמן אמת תוך שימוש במגוון טכנולוגיות. מערכות אלו מיישמות מגבלות "go/no-go" או "pass/no-go" על תהליך הריתוך, מה שמאפשר למשתמשים לדעת מתי המערכת עשויה להיתקל בבעיות, מבטיחות ייצור של מוצרים באיכות גבוהה יותר והפחתת שיעורי גרוטאות.
הבטחת ביצועי הלייזר ביציבות לאורך כל מחזור חייו היא קריטית למיצוי ושימור העקביות והיעילות של התהליך, הארכת חיי הלייזר ושיפור ההחזר על ההשקעה של המערכת. רק על ידי מדידת ביצועי הלייזר בשטח באתר העבודה יכולים המשתמשים לדעת בדיוק כיצד פועל הלייזר.
לשיטות מדידה תוך-תהליך וגם בתהליך מדידה יש יתרונות וחסרונות משלהן, אך שתי השיטות יכולות לספק מידע חשוב על עיבוד לייזר. מוצרים המודדים מדדי ביצועי לייזר מתפתחים כל הזמן, הופכים לקלים יותר לתפעול ועמידים יותר. על ידי מדידת מספר מדדי ביצועים מרכזיים של הלייזר, למשתמשים יהיה קל יותר להבין את עקרון העבודה של הלייזר ולבצע תחזוקת ביצועים ארוכת טווח של הלייזר.
