Лазерный мир

Оптическая когерентная томография (ОКТ) позволяет производить детали непосредственно из цифровой модели путем бесконтактной обработки.

РИСУНОК 1. Показано схематическое представление ОКТ, адаптированной к стандартной лазерной обрабатывающей головке.

Сенсорная технология  является ведущим компонентом Умного Производства и обеспечивает профилактическое обслуживание и даже управление процессом. Преобразование элементов машины в интеллектуальные киберфизические системы включает в себя интеграцию интеллектуальных датчиков для мониторинга состояния и процессов. Разработка сенсорных систем, особенно для этой промышленной зоны, является одним из основных направлений деятельности компании Precitec, а использование оптической когерентной томографии (ОКТ) в лазерной обработке материалов стало существенным элементом современной деятельности по мониторингу и контролю процессов.

Как работает ОКТ

Технология ОКТ — это метод визуализации, основанный на низкокогерентной интерферометрии (LCI, low-coherence interferometry), и это давно представленная процедура медицинского обследования. Интерферометр с источником света с низкой длиной когерентности используется для измерения расстояний и состава тканей человека, например роговицы. Низкая длина когерентности определяется  использованием источников света, излучающих свет широкого спектра. Применяемые источники света обычно представляют собой суперлюминесцентные диоды (SLD) с излучаемым диапазоном в несколько десятков нанометров.

В отличие от сенсорных технологий, которые обычно используются при лазерной обработке материалов и которые определяют состояние процесса с использованием излучений, возникающих при взаимодействии излучения с материалом, в ОКТ используется специальный источник света, встроенный в траекторию  обрабатывающего лазерного луча  . Это позволяет устанавливать положение измерения индивидуально, соосно или с небольшим смещением относительно обрабатывающего луча или  использовать независимый отклоняющий блок. Чрезвычайно высокая частота измерений позволяет использовать эту технологию даже при высокоскоростных лазерных процессах. Технология ОКТ также называется низкокогерентной интерферометрией, которая описывает базовую схему метода, состоящую из эталонной и измерительной траектории. Разница между двумя путями может быть точно измерена, и, поскольку эталонный путь является фиксированным, значение, полученное для измеряемого пути, точно соответствует разности путей, которая, например, представляет собой глубину канала проплавления или топологию поверхности при лазерной наплавке в порошковом слое (LPBF, laser powder-bed fusion) или в процессах поверхностной абляции (РИСУНОК 1).

Инновации и преимущества

Помимо всех усилий по механической и оптической интеграции компонентов датчика, реальная инновация, достигнутая с помощью адаптированной технологии, заключается в следующем: на точность интерферометрических измерений не влияют электромагнитные излучения от пара в канале проплавления или прилегающих к нему областей, ни при сварке с глубоким  проплавлением, ни при лазерной модификации поверхности. Только специфический свет, излучаемый от низкокогерентного источника света, приводит к интерференции между эталонным и измерительным трактом.

Эти преимущества сенсорного принципа побудили Precitec сосредоточиться на этой технологии более 10 лет назад. Таким образом, при точном позиционировании точки измерения, измерение глубины канала проплавления возможно соосно обрабатывающему лазеру независимо от геометрии сварного шва и материала, и топография структурированной поверхности может быть точно определена независимо от состояния поверхности. Единственными ограничениями являются размер точки измерения относительно размера пятна лазерной обработки и размер диапазона измерения в осевом направлении.

Эта технология открывает новые горизонты для производства с помощью лазеров, особенно благодаря:

• Снижению производственных затрат на существующий продукт
• Улучшенному качество в существующем продукте
• Новый дизайн продукта
• Снижением стоимости процесса
• Более короткому времени разработки
• Улучшенной гарантии качества
• Обнаружению и исправлению дефектов на ранних стадиях производства
• Контролируемости процесса в режиме реального времени

Все эти утверждения подтвердились в промышленном применении, где лазер использовался для сварки деталей, важных для безопасности, для автомобильной промышленности (РИСУНОК 2). Это было первое применение во всем мире, в котором измерение ОКТ-датчиком было проведено для контроля мощности лазера и, таким образом, для контроля глубины проникновения сварного шва во время серийного производства. Пригодность измерительного оборудования была подтверждена заказчиком — эти усилия и затраты на датчик окупились через три месяца. В частности, резкое сокращение разрушающего контроля является одной из основных причин удовлетворённости клиента.

РИСУНОК 2. Этот пример применения показывает  сигнал IDM (In-Process Depth Meter, измерение глубины проплавления on-line, прим. пер.) для сварного шва из нержавеющей стали при трех преднамеренных прерываниях мощности лазера.

Было показано, что точное позиционирование точки измерения ОКТ является ключевым элементом для успешного промышленного внедрения. Чтобы обеспечить правильное положение пятна во время производства от различных внешних воздействий, например, теплового воздействия на оптические компоненты, Precitec разработал модуль под названием KeyholeFinder (поиск канала проплавления). Все движущиеся элементы состоят из проверенных промышленностью деталей, которые гарантируют статическое положение пятна измерения. Модуль KeyholeFinder также является предпочтительным решением для автоматической настройки датчика ОКТ во время настройки системы.

Что касается требований к полному мониторингу или даже к  управлению, процесс аддитивного производства, такие как лазерное осаждение металла (LMD) и LPBF, не отличаются от других лазерных применений. Precitec продемонстрировал в различных приложениях, что ОКТ является наиболее перспективной сенсорной технологией для получения наиболее полной информации о топологии результата обработки, и, благодаря коаксиальной адаптации, это возможно непосредственно в  месте применения. Возможные условия для ошибок в процессе  3D-печати с использованием LPBF — например, поры, искажения, дефекты покрытия, смещение слоев или даже так называемый эффект образования шариков, приведут к изменениям топографии и, следовательно, идеально подходят для обнаружения и измерения с помощью технологии ОКТ.

В 2019 году Siemens и Precitec продемонстрировали полностью управляемый процесс LMD с замкнутым контуром путем интеграции технологии ОКТ в систему управления SINUMERIK. То, что справедливо для других процессов лазерного производства, справедливо и для LMD — даже металлический порошок, выдуваемый на поверхность заготовки, не меняет точное измерение топологии поверхности, поэтому измеренное значение можно использовать в качестве входных данных для контура управления.

Эта работа была выполнена в рамках финансируемого Европейской комиссией проекта PARADDISE — Производительное, Доступное и Надежное решение для крупномасштабного производства металлических деталей путем сочетания аддитивных производственных процессов и субтрактивных процессов на основе лазеров с высокой эффективностью (РИСУНОК 3).

РИСУНОК 3. Сравниваются результаты контролируемых (а) и неуправляемых (б) процессов с обратной связью.

Оглядываясь на последние пять лет с первой промышленной версии датчика ОКТ для использования в приложениях для лазерной обработки материалов (представленной Precitec), этот датчик вызвал бурю среди научных и промышленных пользователей. Невозможно найти любую лазерную конференцию без специальных сессий, посвященных ОКТ. Подрастает поколение молодых ученых, которые не могут поверить, что было время до ОКТ. Во многих университетах и научно-исследовательских институтах этот датчик используется в качестве стандарта для настройки лазерных процессов или оценки результатов обработки, от непрерывной до коротко- и ультракороткоимпульсной обработки.

МАРКУС КОГЕЛЬ-ХОЛЛАЧЕР (m.kogel-hollacher@precitec.de) — руководитель научно-исследовательских проектов в Precitec, Баден-Баден, Германия; www.precitec.de.

 Источник: https://www.industrial-lasers.com/welding/article/14036845/laser-welding-using-oct-imaging?cmpid=&utm_source=enl&utm_medium=email&utm_campaign=newsletter&utm_content