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Sunday, 17 Dicembre 2017
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La sfida del laser high-power: misurazioni focalizzate senza contatto migliorano la qualità del prodotto

di Christian Dini

Maggio-Giugno 2017

 

Le supply chain dell’industria produttiva sono sempre più complesse e, contemporaneamente, si riduce il tempo di permanenza presso i costruttori dei pezzi dei subfornitori. In una produzione just in time ottimizzata, nessuno può permettersi problemi di qualità con singoli componenti.
Le numerose campagne di richiamo nell’industria automobilistica sono la dimostrazione delle disastrose conseguenze che possono avere difetti accertati troppo tardi.
Misurazioni automatizzate di parametri importanti nell’ambito della produzione migliorano la qualità e assicurano processi trasparenti, anche quando si tratta di saldatura e taglio laser. Tuttavia, finora, l’analisi di un fascio laser ad alta potenza richiedeva molto tempo e comportava costi molto elevati. Inoltre, non poteva essere integrata automaticamente nel processo di produzione. Ora, Ophir Spiricon ha sviluppato un processo di misura senza contatto che consente una misurazione automatizzata del fascio laser focalizzato.
Il controllo di qualità insegue
arrancando la tecnologia laser
Se si escludono errori di design come causa del difetto di un componente, si devono ricercare problemi di qualità nel processo di produzione. A questo punto, basta poco per scontrarsi con un paradosso della produzione. Le aziende si affidano spesso a tecnologie innovative che, complessivamente, promettono una qualità superiore del prodotto ed effettivamente poi la forniscono.
Tuttavia, questi nuovi impianti vengono verificati troppo raramente oppure utilizzando metodi di misura ormai obsoleti. Prendiamo ancora in considerazione la tecnologia laser: nell’industria si utilizzano impianti di taglio e saldatura sempre più performanti, ma i processi vengono verificati anch’essi con una tecnologia moderna?
Nella maggior parte dei casi, l’impiego di metodi di misura adeguati termina con lo sviluppo e la produzione dell’impianto laser, costituito da sorgente laser, guida e profilo del fascio laser oltre al sistema di movimento.
Dopo la messa in servizio, sono molte le aziende che lavorano basandosi sulla propria esperienza e su processi empirici che richiedono molto tempo e lasciano ampio spazio a diverse interpretazioni. Il risultato: spesso per gli impianti laser non si controlla nemmeno una volta a settimana la qualità del fascio. Se pensiamo che nell’industria automobilistica ogni 30 secondi un veicolo esce dalla catena di produzione, sono evidenti le conseguenze fatali di un intervallo di misura così grande. Un controllo dei componenti finiti non è comunque un’alternativa.
Proprio per i pezzi saldati sono richiesti tempi e costi notevoli per verificarne il rispetto delle specifiche.
Ad esempio, per un cordone di saldatura si deve procedere con una prova distruttiva oppure con un esame agli ultrasuoni. In entrambi i casi si tratta di processi lunghi e costosi che, a loro volta, impongono intervalli di verifica piuttosto lunghi e che non possono certo essere applicati ad ogni singolo componente. Inoltre, è altrettanto importante assicurarsi preventivamente che il fascio laser focalizzato soddisfi i criteri definiti.
Una qualità superiore del laser
migliora la qualità del processo
Proprio nei processi laser della produzione industriale, per i quali è necessario rispettare tolleranze molto strette, solo una misurazione del profilo del fascio garantisce dati accurati sulla qualità del fascio laser.
Da un lato, i diversi materiali che compongono la sorgente laser e la guida del fascio sono soggetti a modifiche termiche. Dall’altro, in molti processi produttivi, sono presenti particelle o vapori che sporcano le ottiche, nonostante i gas protettivi e nonostante i flussi siano indirizzati lontano dalle ottiche.
Il risultato: le proprietà ottiche del sistema laser peggiorano e, nel tempo, si riduce la loro efficienza. Chi intende mantenere a livelli alti la qualità dei suoi processi, deve verificare costantemente i parametri laser quali la posizione del fuoco, nella fattispecie il suo spostamento dovuto a invecchiamento, sporco o variazioni termiche, il fattore di qualità M2 del fascio laser e la densità di potenza del laser.
Tuttavia, come è possibile misurare il fascio laser focalizzato con una densità di potenza enorme, senza danneggiare o distruggere lo strumento di misura?

Lo scattering di Rayleigh consente una misurazione senza contatto
Come base per la definizione di un nuovo processo di misura senza contatto, gli sviluppatori di Ophir Spiricon hanno utilizzato lo scattering di Rayleigh. Lo scattering delle onde elettromagnetiche viene descritto per particelle, il cui diametro è piccolo rispetto alla lunghezza d’onda, come ad esempio per le molecole di ossigeno o azoto nell’aria. Il campo elettrico della radiazione laser induce un’oscillazione del dipolo alla frequenza del laser, determinando uno scattering elastico della stessa frequenza. La luce laser diffusa viene riprodotta di lato su una videocamera CCD o CMOS utilizzando una struttura a lenti telecentriche. Ogni singolo pixel di una riga della videocamera CCD rileva la luce diffusa come un punto di misura dell’intensità nel profilo del fascio. Partendo da queste misurazioni, attraverso un software integrato, è possibile calcolare con grande precisione i parametri del fascio e della qualità del fascio secondo gli standard ISO-13694 e ISO-11146, inclusi il diametro del fuoco, la posizione del fuoco, la divergenza, l’ellitticità, M²(1/k) e il beam parameter product (BPP).
Tuttavia, la radiazione diffusa è molto debole e, pertanto, è necessario controllare e minimizzare qualsiasi sorgente di luce secondaria che potrebbe alterare la luce di Rayleigh e aggiungere artefatti. Allo scopo, i singoli componenti sono stati posizionati in modo ottimale e, nella camera di misura, sono stati utilizzati materiali che assorbono la luce. Attraverso aria di lavaggio in flusso laminare si assicura che nel campo di misura non si trovino particelle, p. es. di polvere, che potrebbero influenzare la misurazione. Ogni singola riga della videocamera CCD fornisce un profilo d’intensità.
Per le tipiche videocamere CCD o CMOS con una risoluzione di 1090 x 2048, vengono misurati contemporaneamente 2048 singoli profili.

BeamWatch e BeamWatch Integrated
Questo innovativo principio di misura viene impiegato nel sistema BeamWatch di Ophir Spiricon. Per il settore della produzione automatizzata, l’azienda offre inoltre BeamWatch Integrated che, oltre alla misurazione senza contatto, consente anche l’integrazione nelle reti di produzione e nei processi di produzione automatizzati. Oltre alla struttura ottimizzata e ad un strumento di misura della potenza integrato, BeamWatch Integrated ha diverse interfacce che consentono la trasmissione diretta dei dati misurati alle reti di produzione. Entrambe le versioni BeamWatch sono inoltre in grado di definire un’immagine esatta della caustica del fascio in una frazione di secondo e quindi di calcolare facilmente ed efficientemente gli spostamenti del fuoco senza contatto con il fascio laser e quindi senza che il fuoco da misurare o lo strumento di misura stesso vengano influenzati.

Assicurare una qualità costante nel tempo
Indubbiamente l’esperienza ha dimostrato che l’investimento per la misurazione del fascio laser si ammortizza rapidamente. I costi che comporta la metrologia senza contatto sono ridotti se si considerano i problemi di qualità che si evitano già durante il processo produttivo e che si spiana la via ad una produzione a zero errori. A parità di potenza laser, o a potenza ridotta, il cordone di saldatura o la linea di taglio possono essere realizzati in modo più preciso, a velocità maggiore e pertanto con un sviluppo minore della zona termicamente alterata. Il tempo di lavorazione per il relativo componente viene mantenuto entro valori costanti, si riduce il consumo dei gas di processo e diminuisce la percentuale di scarti.
Inoltre, sia BeamWatch che BeamWatch Integrated non richiedono quasi manutenzione, poiché la misurazione senza contatto non produce usura sullo strumento di misura. Secondo i principi di Industria 4.0, tutti i parametri possono essere letti tramite interfacce industriali standard e, nel quadro del controllo di processo, essere documentati su richiesta e in modo continuativo per ogni singolo componente. Grazie alla breve durata della misurazione, il fascio laser può essere misurato in modo automatico persino durante le operazioni di carico/scarico del pezzo. Sorge quindi spontanea la domanda: perché contemplare un rischio in produzione, quando è possibile evitarlo in modo sicuro ed efficace con un costo limitato?

QUALIFICA AUTORE
Christian Dini, Director Business Development Ophir

 

The Challenge of High-Power Lasers: Contactless Monitoring of the Focus Increases Product Quality

 

As production supply chains become ever more complex, turnaround times for vendor parts become increasingly shorter for manufacturers. And nobody with a just-in-time production line can afford quality problems with individual components! Numerous recalls in the automobile industry show the often fatal consequences when defects are identified too late. Automated measurement of important parameters in the production context improve quality and ensure transparent processes; this also applies to laser welding and cutting. Heretofore, analyzing a high-power laser beam was both time consuming and costly, and it was complicated to integrate this functionality into the production process. Now, Ophir Spiricon has developed a contactless measurement method that makes it possible to automate the testing of a focused laser beam.

Quality control lags behind
laser technology
If the cause for a component failure cannot be traced back to design error, then it must be due to quality problems in the production process. Here, one quickly runs into a paradox in manufacturing: companies often employ innovative manufacturing technologies that promise - and usually deliver - higher overall product quality. However, these new systems are either too rarely tested or only using outdated measurement techniques. So, back to our laser technology example: with more and more powerful cutting and welding equipment to be found on today’s production lines, are these processes being monitored with the most modern technology? Suitable measurement methods are usually used only in the development and manufacturing of the laser system itself, which consists of laser source, beam steering and beamforming, as well as the motion system. After commissioning, however, many plant operators rely on experience and all kinds of time-consuming empirical methods that leave much to interpretation. The consequence? Laser systems are often not even checked once a week for beam quality. Considering that, in the automotive industry, every 30 seconds a new vehicle rolls off the production line, it is easy to see the potential for disaster inherent in such infrequent monitoring. However, testing of the manufactured components is not a real option. Welded parts can only truly be checked against specifications using elaborate methods. A weld seam requires either a destructive material test or an ultrasound inspection. Because both are time and resource-intensive processes, this leads to calling for longer inspection intervals; in any event, it is prohibitive to examine each and every component. This is why it is crucial to ensure preventively that the focused laser beam meets requirements.

Higher laser quality equals
higher process quality
Especially in industrial laser processes where tight tolerances must be observed, it is only possible to get real information about the quality of the laser beam by taking a measurement of its profile. For one, the various materials of the laser source and beam guidance equipment are subject to thermal changes. Furthermore, many manufacturing processes emit particles or vapors that contaminate the optics, despite protective gases and baffles that redirect exhaust streams away from the optics.
The result: the optical properties of the laser system deteriorate, leading to reduced efficiency over time. In order to maintain high quality in your processes, it is necessary to continuously monitor such parameters as the position of the focus and/or potential shifts due to age, soiling or temperature, as well as the laser’s M2 quality score and power density. But how can one measure a focused laser beam with huge power density without doing damage to - or destroying - the gauge?

Rayleigh scattering for
contactless measurement
The developers at Ophir Spiricon have designed a new, contactless measuring method based on the Rayleigh scattering, which describes the scattering of electromagnetic waves by particles that are smaller than the radiation’s wavelength, such as oxygen or nitrogen molecules in the air. The electric field of the laser radiation induces an oscillation in the dipole molecule at the laser’s frequency, thus leading to elastic scattering at that same frequency. The scattered laser light is imaged from the side using a telecentric lens assembly on a CCD or CMOS camera.
Each individual pixel in a single row of the CCD detects the scattered light as a measuring point of intensity in the beam profile. From these measurements, and using a very accurate integrated software, it is possible to calculate beam and beam-quality parameters according to ISO 13694 and ISO 11146 standards, including focus diameter, focus position, divergence, ellipticity, M² (1/k) and beam parameter product (BBP). However, due to the very weak scattered radiation, it is necessary to minimize and control for any secondary light source that could distort or add artifacts to the Rayleigh light.
This is achieved through optimal placement of the individual components and light-absorbing materials in the measuring chamber. An air purge system ensures that no foreign particles (such as dust) that could affect the measurement are to be found within the measuring range.
Every single row of the CCD delivers an intensity profile. Thus, a typical CCD or CMOS camera with 1090 x 2048 pixels can measure 2048 individual profiles simultaneously.
BeamWatch and BeamWatch Integrated
This innovative measuring principle is used in the BeamWatch system from Ophir Spiricon. For automated production, the company also offers BeamWatch Integrated, which besides contactless measuring also allows the system to be integrated into production networks and automated manufacturing lines. In addition to optimized design and a built-in power meter, BeamWatch Integrated has various interfaces for direct transfer of the measurement data to production networks. Both BeamWatch variants are distinguished by their ability to produce an accurate depiction of the beam caustic within fractions of a second, and they can easily and efficiently calculate shifts in focus without touching the laser beam, and thus without influencing either the beam to be measured or the gauge itself.

Assuring sustainable quality
Experience shows: monitoring the laser beam pays! With a relatively small financial commitment, contactless measurement technology can rule out quality problems directly in the manufacturing phase, leveling the path to zero-defect production. Precise weld seams or kerfs are possible at the same or reduced laser power levels and at faster travel speed, therefore generating less-pronounced heat affected zones. The processing time for the particular component is kept at a constant; less process gas is consumed and rejection rates are lower.
In addition, both BeamWatch and BeamWatch Integrated operate virtually without maintenance, as contactless measurement exerts no wear on the instrument. Plus, in the spirit of Industry 4.0, all parameters can be read out using standard interfaces and - as part of the process monitoring - consistently documented for each individual component, as desired. The short measurement time means that the laser beam can even be checked automatically during the loading / unloading phase. Why should one accept production risks when they can be reliably avoided with so little effort?

Christian Dini, Director Global Business Development Ophir

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