Sistemi di diagnostica del fascio di sorgenti laser per applicazioni industriali

da Primes GmbH

I laser ad alta potenza per applicazioni industriali, che essi siano CO2, Nd:YAG, a diodo o in fibra, generano fasci nel range spettrale NIR o IR e dunque invisibili all’occhio umano, pertanto variazioni nella qualità del fascio stesso o nella potenza non possono essere rilevate direttamente e diventano evidenti solo dal risultato della loro applicazione cioè dalla qualità del prodotto finale.

In alcuni casi questo è causa di scarti di produzione molto costosi. 

Se il degrado della qualità nel processo produttivo non è prontamente individuato, questo di solito provoca il progressivo fallimento del lotto o dell’intera produzione e comporta la necessità da parte del produttore di intraprendere azioni di rettifica o sostituzione del prodotto con conseguente perdita di immagine.

Questo è il settore in cui i sistemi Primes di diagnostica del fascio laser, per la misura di potenza e per l’analisi della qualità di propagazione e di focalizzazione, trovano ampio impiego. 

Il monitoraggio del processo di produzione con i sistemi di diagnostica del fascio laser di Primes GmbH garantisce il mantenimento costante dello standard di qualità e permette la tempestiva individuazione ed eliminazione della causa del malfunzionamento del sistema laser.

Questo è un requisito fondamentale che non dovrebbe essere sottostimato in molti settori industriali come quello Automotive o quello della lavorazione laser dei materiali.

Features
Power meter digitali compatti e portatili
Misure di potenza laser nel range multi-kilowatt
Sistemi con interfaccia operatore o FieldBUS per l’integrazione in macchina
Sistemi di diagnostica per laser focalizzati o raw beam
Analisi 2D/3D della caustica del fascio laser in modalità free-running
Presentazione 2D/3D della distribuzione della densità di potenza

PRIMES sviluppa e produce sofisticati sistemi di diagnostica e monitoraggio del fascio laser analizzando i parametri caratteristici in tempo reale ed in condizioni operative. Con i sistemi Primes, la risoluzione dei problemi legati alla qualità del fascio in applicazioni con impiego di sorgenti laser è notevolmente semplificata. Caratteristiche come il profilo di intensità del fascio, le dimensioni e la posizione del fascio non focalizzato e quelle del fuoco, l’analisi 3D della caustica e la potenza laser possono essere direttamente misurate ed analizzate.

Primes possiede oltre 20 anni di esperienza nello sviluppo e nella produzione di sistemi di diagnostica del fascio laser per applicazioni industriali. Il primo sistema prodotto per il controllo di qualità del fascio laser è stato il FocusMonitor, sistema aggiornato negli anni e ancora disponibile e di largo impiego.

La gamma di prodotti per la diagnostica del fascio laser di Primes GmbH è molto ampia e svaria dai compatti e flessibili power meter portatili agli strumenti di analisi del fascio integrabili nei sistemi di controllo industriale tramite interfaccia field-bus come PROFIBUS, PROFINET, Ethernet/IP, DeviceNet, CC-Link e altri.

Il range di sistemi di analisi del fascio laser è ad oggi molto ampio ed include:

  • Misuratori digitali di potenza laser
  • Sistemi di diagnostica del fascio laser focalizzato
  • Sistemi di analisi del fascio laser non focalizzato
  • Sistemi automatizzati per l’integrazione nei sistemi di controllo di processo industriale

La diagnostica di sorgenti laser CO2, a stato solido, in fibra, a disco ed a diodo durante il processo di lavorazione dei materiali, come quello di saldatura, di taglio, di foratura e di marcatura, permette di rilevare e correggere tempestivamente eventuali malfunzionamenti di processo la cui qualità può dipendere anche da uno solo dei parametri che caratterizzano il fascio.

Automotive

Nell’industria Automotive, una varietà di materiali e componenti con un'elevata percentuale di valore aggiunto sono lavorati mediante processo di saldatura laser. Il monitoraggio dei parametri del laser durante il processo di produzione di apparati quali propulsori, organi di trasmissione come assali e frizioni, o altri componenti come pompe di iniezione, airbag, gruppi di illuminazione, meccanismi dei sedili, telaio e carrozzeria o ancora come batterie e accumulatori diviene essenziale per la definizione degli intervalli di manutenzione, il mantenimento di uno standard di qualità costante nel tempo e soprattutto la riduzione degli scarti dovuti a produzione di lotti difettosi. Dal 2010 sono disponibili sistemi senza interfaccia umana. Nell’industria Automotive, dove sono richiesti cicli di misura ad alta frequenza, viene spesso richiesta l’automatizzazione delle misure tramite integrazione dei sistemi per la diagnostica del fascio laser con i robot della linea di produzione. Tale integrazione viene implementata tramite interfaccia di tipo field-BUS con il sistema interno di controllo del processo industriale con il quale avviene lo scambio dati relativo ai parametri del laser.

Collaudo di sorgenti laser

Le sorgenti laser, quelle impiegate sono tipicamente in continua a CO2 o NIR (in fibra, a disco, Nd:YAG o a diodo), rappresentano l’unità centrale delle macchine impiegate in applicazioni laser ad alta potenza. Sia per i produttori che per gli utilizzatori, il test di accettazione della sorgente laser è evidentemente di fondamentale importanza. Con il crescente innalzamento dei requisiti del Controllo Qualità, la misura dei parametri caratterizzanti il fascio è ad oggi una procedura standard ai fini del collaudo interno e della messa in servizio di macchine laser presso l’impianto industriale del cliente. Con i sistemi Primes è possibile misurare in modo diretto i parametri critici sia del fascio laser focalizzato che del raw beam come la potenza laser, il diametro e la simmetria del fascio, la posizione del fuoco, la caustica prima e dopo il piano focale, la distribuzione della densità di potenza, il beam propagation factor (M2) ed il beam parameter product (BPP). I sistemi di analisi del fascio laser giocano un ruolo rilevante anche nelle attività di manutenzione e Service delle macchine per la lavorazione laser. Poiché, ad esempio, le dimensioni del fuoco dipendono dal raw beam e dalla qualità delle ottiche di focalizzazione, i sistemi Primes permettono anche di risalire alla causa del malfunzionamento del sistema laser.

Lavorazione laser dei materiali

La qualità del prodotto finito nei processi di lavorazione laser dei materiali dipende fortemente dalle proprietà del fascio, pertanto l’analisi delle sue caratteristiche durante la produzione garantisce l’ottenimento dei risultati voluti. Il monitoraggio continuo di questi parametri è un’attività di manutenzione preventiva che permette di ridurre drasticamente i tempi di interruzione della produzione non pianificati. Le caratteristiche del fascio laser focalizzato influenzano la qualità dei risultati e la velocità di produzione e dunque in generale l’efficienza del processo produttivo. Il monitoraggio e l’analisi del faccio laser è pertanto una procedura indispensabile quando si tratta di produzione di serie automatizzata. Per un determinato processo di lavorazione è raccomandabile dunque monitorare non solo la potenza laser designata ma anche i valori di potenza minima e massima ammissibili. I principali parametri da monitorare per l’analisi del fascio laser sono il diametro del fuoco, la posizione del fuoco nello spazio, la distribuzione della densità di potenza e la sua simmetria, il beam propagation factor (M2) ed il beam parameter product (BPP). La diagnostica di sorgenti laser CO2, a stato solido, in fibra, a disco e a diodo durante la lavorazione dei materiali come la saldatura, il taglio, la foratura e la marcatura, permette di rilevare e correggere tempestivamente eventuali malfunzionamenti di processo la cui qualità può dipendere anche da uno solo dei parametri che caratterizzano il fascio. Nel caso del processo di taglio, ad esempio, questo si riflette sulla qualità dei bordi dei componenti tagliati mentre per quanto riguarda la saldatura sono il grado di penetrazione ed il profilo di durezza della zona di giuntura ad essere influenzati.

Additive Manufacturing/SLM

Uno dei mercati più in forte crescita in ambito della lavorazione laser è attualmente la stampa 3D mediante tecnica di Additive Manufacturing, ed in particolare il settore della Selective Laser Melting (SLM). Nella produzione additiva con SLM, la stampa di componenti 3D è ottenuta tramite fusione laser di molti strati di polvere metallica che vengono continuamente depositati nell’area di lavoro. Tale tecnica a non contatto offre maggiore flessibilità in merito a progettazione, costruzione e funzionalità dei componenti. Le machine SLM sono tipicamente molto compatte e la camera di lavoro non prevede molto spazio all’interno per l’installazione di un sistema di diagnostica laser. Per questo motivo Primes ha sviluppato un sistema, il MicroSpotMonitor-Compact (MSMc) dotato di camera CCD per l’analisi del piano focale e di circuito di raffreddamento ad acqua integrato, caratterizzato da ridottissimi ingombri e appositamente progettato per l’installazione all’interno di macchine con limitato spazio utile. Il MSMc è particolarmente compatto ed integra tutti i suoi componenti, elettronica, assorbitore, attenuatore e camera CCD, all’interno di un unico housing che può essere adattato alle esigenze delmparticolare impianto SLM. Il sistema permette di eseguire misure della distribuzione del fascio laser focalizzato direttamente nel piano di lavorazione alla potenza nominale e, attraverso il controllo dell’asse Z della macchina SLM, eventualmente ricostruire l’intera caustica 3D per l’analisi di tutti i più importanti parametri di caratterizzazione del fascio laser.

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