Лазерный мир

Грег Блэкман исследует искусство проектирования и интеграции лазерных станков

Лазер как режущий инструмент может быть не таким простым, как говорят про механические лезвия, но сегодня  он является достаточно хорошо зарекомендовавшим, стабильным и надежным элементом промышленного технологического оборудования. Сам луч может быть настроен и изменен, чтобы делать точный рез или создавать прочный сварной шов, но часто это уже окружающая инфраструктура — перемещение детали или оснастка в случае сварки — где и находится реальная сложность при проектировании производственной  лазерной ячейки или машины.

Как сказал Тони Джонс (Tony Jones), управляющий директор британского производителя лазерных систем Cyan Tec Systems, «лазерный источник — относительно легкий кусок», и то, как манипулировать деталью  и лучом, является сложным аспектом.

По словам Джонса, около 65 процентов работ Cyan Tec Systems строят индивидуальные лазерные системы по индивидуальному заказу. Даже покупатели, покупающие стандартную машину, обычно хотят особенный вариант. «Я часто говорю», мы делаем шесть стандартных машин и восемь миллионов вариантов каждого из них », потому что каждый хочет чего-то другого», — добавил он.

Основными клиентами Cyan Tec Systems являются автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, а также целая индустрия потребительских товаров. Системы компании варьируются от 500 см³ машины стоимостью около 40 000 фунтов стерлингов, до тех, которые измеряют 10х8х8 метров по цене 3 млн. фунтов стерлингов.

«Хорошая интегрированная лазерная ячейка проста в эксплуатации, — сказал Джонс. «Существуют системы, которые настолько сложны для конечного пользователя, что они не используются в полной мере. Мы стараемся и обеспечиваем «работу зеленой кнопки», поэтому машина делает то, что запланировано нажиманием на кнопку без чрезмерного вмешательства ».

Джонс также отметил, что машины должны быть гибкими, поскольку они должны быть адаптированы для небольших изменений в задаче. «Даже в автомобильной промышленности, где производители производят тысячи автомобилей, всегда есть небольшая вариация модели», — сказал он. Поэтому оборудование должно иметь возможность обрабатывать незначительные изменения, будь то изменения в программировании или различные инструменты. «Попытка думать вперед — лучший способ справиться с этим», — добавил он. По словам Джонса, около 70% лазерных ячеек Cyan Tec Systems используют робототехнику, что дает определенную степень гибкости, поскольку изменение пути резания — это изменение программы, а не изменение механики.

Около 65% работы Cyan Tec Systems — это создание лазерных систем на заказ

Работы по сварке

Джонс сказал, что на средний проект компания на начальной стадии тратит около четырех недель, работая с клиентом, прежде чем машина будет сконструирована таким образом, чтобы инженеры понимали требования к процессу с обеих сторон, конечного пользователя и интегратора. «Клиент должен полностью понять свой процесс и понять преимущества лазера, но также и свои ограничения», — сказал он. «Например, для сварочного проекта мы действительно хотели бы подчеркнуть, насколько важно, чтобы две детали были хорошо подогнаны  друг к другу, или насколько хорошо они могут удерживаться оснасткой. Если этого не сделать, то довольно сложно сваривать лазером, и более традиционные процессы сварки, такие как MIG или TIG, могут быть лучше ».

Недостаток использования традиционных методов сварки заключается в том, что они вносят слишком много тепла в деталь, что может вызвать деформацию. «Если вы можете правильно подогнать детали, вы можете использовать лазер для сварки, и в деталях практически не будет деформаций. Кроме того, лазер дает гораздо более чистый шов, требующий минимальной постобработки », — сказал Джонс.

В автомобильном производстве дистанционная лазерная сварка, в процессе которой лазерный луч сканируется по поверхности заготовки на расстоянии, теперь является более популярным методом соединения деталей автомобиля из-за высокой скорости обработки. Техника требует специализированного ноу-хау, и теперь есть интеграторы, которые концентрируются почти исключительно на этих типах систем. Одним из них является немецкий производитель систем Bergmann и Steffen, который был одной из первых компаний, которые интегрировали дистанционную сварочную систему, установив ее в 2000 году. С 2005 года Bergmann и Steffen сосредоточились на лазерной сварке, особенно дистанционной лазерной сварке. Компания работает исключительно на автомобильных интеграционных проектах, и в 2011 году она создала собственную прикладную лабораторию специально для дистанционной лазерной сварки.

Уве Бергманн, управляющий директор Bergmann и Steffen, подчеркнул важность крепления для фиксации деталей в местах применения лазерной сварки, где компоненты соединяются неважно  сколькими  — между 50 и 200  — сварными швами.

«Для удаленной лазерной обработки вам понадобится 100 стандартных прижимных рычагов, что будет очень сложным прижимным приспособлением», — сказал Бергманн. Фирма разработала собственную  оснастку с запатентованной конструкцией, состоящей из пневматических, гидравлических или подпружиненных штифтов. Они состоят из двух пластин, нижней пластины с телескопическими штифтами и верхней стороны с некоторыми фиксированными штифтами и отверстиями в ней для сварки. Деталь зажимается между фиксированными штифтами с одной стороны и телескопическими штифтами — с другой.

«Мы обычно не используем стандартные прижимы», — продолжил Бергман. «Наши прижимы просто нужно закрыть вокруг детали, включить гидравлический механизм, а затем часть будет прижата одновременно на 200 позициях». Второе важное соображение при проектировании дистанционных сварочных ячеек — управление воздухом, отметил Бергманн. Дистанционная сварка требует чистого воздуха — воздух следует менять не менее 60 раз в час, согласно Bergmann, что намного больше, чем для стандартной лазерной сварки или других процессов сварки. «Между оптикой сканера и заготовкой в дистанционной лазерной сварке существует большое расстояние , а окружающая среда между оптикой и деталью должна быть чистой — не должно быть пыли, брызг или дыма между оптикой и деталью, потому что это будет расфокусировать и поглощать лазерный луч », — сказал он. Bergmann и Steffen также разработали собственные системы управления воздушным потоком, которые теперь являются стандартными для дистанционных сварочных ячеек, установленных у OEM-производителей и поставщиков уровня 1. Система управления воздухом состоит из нагнетателей  и точек отбора, чтобы поддерживать чистоту воздуха. «Клиенты требуют экономичных систем. Они просят о низком потреблении энергии и системах, которые легко поддерживать », — сказал Бергманн. «Очень важны эксплуатационные затраты на дистанционную лазерную сварку». Компания разработала Tornadoblade, чтобы снизить эксплуатационные расходы на дистанционные  лазерные сварочные камеры. «Основными расходами на запуск дистанционной сварочной системы являются электричество, сжатый воздух и защитные очки», — сказал Бергманн. Сжатый воздух необходим для защиты оптики и предотвращения повреждения от брызг, пыли и грязи. Tornadoblade использует вентилятор вместо сжатого воздуха, что повышает экономическую эффективность и снижает эксплуатационные расходы на ячейку.

Теперь дистанционная лазерная сварка полностью одобрена в автомобильной промышленности, и применение все еще растет, — заметил Бергманн. Он сказал, что дистанционная обработка в основном используется для сварки нахлесточных швов для стальных деталей, тогда как сегодня фирма должна создавать системы для сварки легких конструкций автомобилей с использованием алюминия и магния, а также высокопрочных сталей, которые сложнее сваривать. «Основные вопросы, которые мы получаем от наших клиентов, включают в себя мониторинг процесса и слежение за швами для дистанционной сварки. Появляются новые материалы, новые приложения и новые формы шва, которые все нужно исследовать. Таким образом, дистанционная лазерная сварка все еще растет.

«Бергманн и Штеффен используют сканирующую оптику от немецкого поставщика Blackbird Robotersysteme, принадлежащего Scanlab. Одно из нововведений Blackbird,  представляет собой новую сканирующую головку со встроенной системой дистанционного зондирования на основе интерферометрии для контроля за  технологическим процессом, которая предназначена для удовлетворения спроса на отслеживание швов, о котором говорил Бергманн. Пучок интерферометра можно направлять вокруг сварочного луча для измерений высокого разрешения и высокой частоты  для дискретизации расстояния между сканирующей головкой и заготовкой. Новый продукт предлагает отслеживание швов для обнаружения границ сварного шва и способен сканировать свариваемую поверхность, чтобы получить 3D трехмерное изображение сварного шва с высоким разрешением. «Это, с нашей точки зрения, станет следующим шагом для расширения наших решений, чтобы не только охватывать сканирование и управление сканированием, но и обеспечивать глубоко интегрированное решение для получения измерительной информации, так как  системы сканирования могут отслеживать геометрические контуры и записывать профиль шва во время процесса сварки », — сказал д-р Вольфганг Фогл, генеральный директор Blackbird Robotersysteme.« Мы не хотим, чтобы системные интеграторы беспокоились о дополнительных измерительных технологиях », — продолжил он. «Мы хотим, чтобы они могли выбрать решение для сканирования, которое уже поставляется с мощным и гибким механизмом отслеживания контура шва, и предлагает лучший способ отслеживания качества сварных швов».

Blackbird Robotersysteme работает с разными производителями роботов — ABB, Comau, Fanuc , Kuka и Yaskawa — и лазерными производителями — такими как IPG, Laserline, Rofin, Trumpf и nLight — чтобы убедиться, что компоненты совместимы.

Система ByTrans Cross от Bystronic предлагает автоматическую разгрузку и разгрузку.

Сделать автоматизацию приносящей доход

Переходя к  лазерной резке,  история для которой похожа на сварку, а именно, что лазерный источник является лишь одним из аспектов системы и что есть немало инноваций для повышения производительности — это перемещение деталей, сортировка и автоматическая загрузка и разгрузка. «Клиенты говорят о высокой производительности и автоматизации», — заявил Guido Wahl, руководитель отдела лазерной разработки у поставщика системы Bystronic. Высокопроизводительная система ByStar Fiber компании оснащена лазером мощностью10 кВт, что означает  очень быструю обработку . Это означает, что автоматизация важна для максимизации производительности производства и использования полного потенциала машины. «Если вы можете резать быстрее, также быстро необходимо удалить детали из машины, что означает автоматический механизм загрузки и разгрузки», — пояснил Вал. Система ByTrans Cross System от Bystronic предназначена для этого и подходит для провайдера ByStar Fiber.

Производитель систем  Trumpf прошел аналогичные линии с TruLaser Центр 7030, запущенный в Euroblech в Ганновере в конце октября 2016 года. Машина способна увеличить производительность на 53% и сократить затраты на обработку на 30% по сравнению со стандартными 2D лазерными режущими системами, согласно данным компании. Список встроенной в машину автоматики включает в себя возможность извлечения и сортировки мелких деталей; удаления остатков  и шлака; сортировки и складирования больших деталей во время обработки; загрузки себя свежими  листами металла; складирования остатков листа от вырезанных деталей; и программирование также в значительной степени автоматизировано.

Вахль в Bystronic заметил, что системы лазерной резки становятся более мощными. «Мы осознаем, что мы не находимся в завершении увеличения мощности лазера для систем резки», — сказал он. Еще одна тенденция, которую он отметил, — это еще одна тенденция, и третья тенденция — это индустрия 4.0 и потребность в цифровых услугах для оптимизации производительности.

Bystronic представил свой ByCockpit продукт в Euroblech, который с лета 2017 года доступен в качестве приложения для мобильных устройств. Приложение собирает, анализирует и визуализирует данные процесса из подключенных Bystronic режущих и гибочных систем. «Программное обеспечение Bystronic не просто поддерживает лазерную резку, но и более широкий производственный процесс», — сказал Вал. «Машина лазерной резки может получить заказ непосредственно из системы планирования ресурсов предприятия. Кроме того, когда детали режутся машиной с ByCockpit, пользователь получает обратную связь о том, как работает машина, и он может узнать, где могут возникать узкие места в производстве и как их решать. ». Кроме того, Вал отметил: « Сервис и обучение очень важно и по-прежнему требуется, поскольку в лазерной обработке задействовано так много разных параметров. У нас есть клиенты, которые хотят резатьь очень быстро с меньшей точностью, и те, которые хотят повысить точность; поэтому обучение там, так как  мы можем предложить лучшее решение для применения ».

Также важно быстро исправить машину, чтобы свести к минимуму время простоя. В соответствии с Индустрией 4.0 машины Bystronic предлагают прогностическое обслуживание, так что клиент знает, когда срок службы компонентов приближаются к концу и они нуждаются в замене.

Джонс в Cyan Tec Systems отметил, что «самое большое изменение для нас как интегратора и как конечного пользователя, — это стоимость лазеров.

«Лазеры были дорогими для покупки и запуска. «С внедрением волоконного лазера в течение последних пяти-десяти лет лазерную технологию стало намного дешевле покупать и работать, а техническое обслуживание практически нулевое», — добавил он. «С меньшими затратами лазер теперь много более жизнеспособен для проектов, в которых он ранее не рассматривался бы, потому что стоимость стала более реалистична, мы можем делать гораздо больше с помощью лазера ».

Джонс сказал, что технология диодного лазера теперь подходит для промышленных процессов. «Люди понимают, что они могут многое сделать с диодными лазерами», — сказал он. «Красота диода заключается в том, что он имеет долгую жизнь, его недорого сделать и он масштабируется до более высоких мощностей. Затраты будут продолжать снижаться с помощью диодных лазеров, и с этим будет больше применений, использующих лазерную технологию ».

Разработано для безопасности.

С автоматизацией, которая сейчас стоит на повестке дня поставщиков лазерных систем, необходимо учитывать и разработку оборудования для обеспечения безопасности. Блокировочные системы

Продукты обеспечения безопасности Lasermet (элементы блокировки сигналов) построены с учетом требований автоматизации. Чтобы позволить некоторым системам лазерной обработки стать еще более производительными при сохранении безопасности, компания разработала свою кабину для обеспечения лазерной безопасности, чтобы включить элементы блокировки сигналов. Поскольку Laser Castle построен из модульных компонентов, дополнительные внешние защитные сети могут быть добавлены к внешней структуре кабины, так что детали могут быть доставлены и извлечены безопасно. Для установок, где требуется поворотный стол, лазер можно включить только после того, как поворотный стол остановился, и заготовка находится внутри лазерной ячейки. Когда блокируемые переключатели на вращающемся столе открыты, лазерный предохранительный вход для лазерного излучения изолирован. Это особенно необходимо, когда поворотный стол вращается, поскольку в противном случае существует риск воздействия через зазоры, возникающие с обеих сторон движущегося поворотного стола. После того, как на месте установлены контакты на двухканальном блокировочном переключателе, блокировка позволяет лазеру срабатывать. Чтобы обеспечить безопасный визуальный контроль заготовки во время работы лазера, Lasermet разработал систему окон активного фильтра Glaser Jailer. Если какое-либо окно поражено лазером или мощным отражением, контроллер блокировки изолирует входной сигнал безопасности лазера в течение 50 мс, тем самым отключая лазерный луч. Этот принцип работы распространяется на активную лазерную охранную систему Laser Jailer, которая может быть установлена по всей внутренней структуре кабины. Опять же, если какой-либо из  детекторов — какая либо линия внутри кабины — поражена, лазер отключается путем изоляции входа безопасности лазера, также в пределах 50 мс.

Оригинал статьи на английском языке: https://www.lasersystemseurope.com/feature/dedicated-design