レーザーに関する神話: 製造業者が知らないことがプロセスに悪影響を与える可能性がある

レーザーは、自動車製造における接合用途によく使用されます。レーザーシステムを監視することで、一貫した高品質の接合プロセスを確保できます。

高出力レーザーの応用は、積層造形における焼結、自動車産業における車体部品の接合、航空宇宙部品の穴あけや切断などの産業環境でより一般的になりつつあります。これらのレーザーのより多くのアプリケーションが発見され、開発されるにつれて、より多くのメーカーが産業用レーザーシステムの信頼性と再現性を認識しています。

他の工作機械と同様に、レーザーシステムを取り巻く技術は過去数十年にわたって大幅に進歩しました。しかし、産業用レーザーの使用、操作、メンテナンスに関しては、多くの誤解が依然として存在します。高品質のレーザープロセスを確保するには、事実とフィクションを区別することが重要です。

工業用ツールとしてのレーザーの使用は、レーザー自体の出現にほぼ遡ることができます。 CO2 レーザーは、その原馬力、比較的安価な運用コスト、およびメンテナンスの容易さにより、かつてはレーザー製造の主力製品でした。現在でも数十万台が使用されています。

1980 年代に産業用ツールとしてファイバーレーザーが導入され、産業用レーザー製造の状況が変わりました。ファイバーレーザーは、確立された CO2 レーザーと比較して、コンセント効率の向上、ビーム品質の向上、メンテナンスの軽減など、いくつかの利点をもたらしました。しかし、初期世代のファイバーレーザーは高価で、産業用レーザーアプリケーションに必要なワット数を生成できず、メンテナンスも困難でした。ファイバーレーザーメーカーは、これらのハードルのほとんどを克服し、現在はより実用的な光源とシステムを提供しています。

今日のレーザーシステムは高品質で信頼性が高くなりましたが、ユーザーは、システムが依然として物理的特性を持つ物理部品で構成されているという事実を無視したくなるかもしれません。レーザーシステムは、定期的に使用すると劣化したり故障したりする機械コンポーネントと電気コンポーネントで構成されています。これらのレーザーがプロセスの破片で満たされた過酷な産業環境で使用されると、コンポーネントの劣化と故障が倍増して、効率が低下し、運用コストが増加します。

システム設計者は、プロセスの破片の管理において創造性を発揮しています。ただし、レーザーシステムのパフォーマンスを測定しないと、ユーザーはこれらのシステムコンポーネントの劣化による影響を完全に理解したり、システムの効率を最大化するためにいつどのように行動を起こすべきかを理解することはできません。

レーザーシステムでは、部品をできるだけ迅速かつ効率的に製造するために多額の財政投資が必要です。システムの定期的なメンテナンスは必要ですが、投資収益率 (ROI) を最大化したいという当然の要望は、システムのメンテナンスにかかる時間を最小限に抑えることを意味します。レーザーパフォーマンス測定システムは、レーザーのパフォーマンスを素早く示し、より包括的なレーザーメンテナンスルーチンの開発に役立ちます。

CO2 レーザーのアプリケーションでは、レーザーが最適化されたプロセスからずれ始めると、レーザーのユーザーは、レーザーが効率を失っている理由に対処せずに、部品の処理を続けるために出力を上げる誘惑に駆られるかもしれません。発生している可能性があるのは、通常プロセスの近くにある光学部品の老朽化、損傷、または汚染によって引き起こされる、レーザーシステムへの熱影響の増大です。熱効果により集束スポットが上方に移動し、出力密度が低下します。

ビームプロファイリング計測器を使用すると、エンドユーザーがレーザープロセスを調整して、タスクに十分な正確な放射照度を達成できますが、強すぎて溶接部が過熱して最適な結果が得られなくなるなどはありません。今日のレーザー測定ツールは、ユーザーがレーザー光のパフォーマンスを理解し、システムの運用とメンテナンスを最適化するのに役立ちます。

これに関連して、メーカーは CO2 レーザーとファイバーレーザーの大きな違いを知っておく必要があります。 CO2 レーザーは、非常に許容度の高い 10.6 µm の波長で動作します。これらのレーザーの光学系は堅牢で、周囲のプロセスの破片による損傷を受けにくく、メンテナンスが容易です。現在のファイバー、ディスク、ダイオードレーザーは、1 μm 付近の波長で動作します。これらのレーザーで使用される光学部品は、過酷な産業環境で生成される破片による損傷を受けやすいため、交換する際には細心の注意を払って取り扱う必要があります。一部のレーザーオペレータは、CO2 レーザー光学系を変更する従来の慣行に依存していますが、これらの慣行は最終的に 1 µm 波長レーザーの加工ヘッドに損傷を与える可能性があります。

レーザーベースの積層造形システムでは、高品質の部品を一貫して生産するために、プロセスでの正確な出力パワーと集中したスポットサイズが必要です。

レーザー測定システムの ROI が低いという通説は、これらのシステムは高価で、セットアップや使用が難しいという誤解に根ざしています。また、多くのメーカーは、レーザー測定装置があると便利ではあるものの、アプリケーションに役立つ情報や関連性のある情報が提供されない可能性があると考えています。

これまで、レーザー測定システムの購入コストは高額でした。 1970 年代に電子レーザー測定製品が登場し始めたとき、それらは主に科学実験室や高度に管理された環境で使用されていました。彼らが提供した情報は特に有用でしたが、所有コストの関係で、資金が豊富な組織のみがこれらのツールを利用できました。

現在、カメラ技術、光学部品、ネットワーキング、通信技術、さらにコンピューティング能力とソフトウェアの進歩により、レーザー測定製品はより小型、より高速、そしてより安価になりました。レーザーパワーメーターとビームプロファイリング製品は、レーザーワークセルに直接統合できるコスト効率の高いメンテナンスツールに進化しました。たとえば、自動車メーカーでは、傾向分析、プロセスのトレーサビリティ、およびよりスマートなメンテナンス予測のためにレーザーのパフォーマンスを監視するために、工業用のパワー測定とビームプロファイリングデバイスを自社のワークセルに統合することがますます一般的になっています。

コストの改善に加えて、いくつかの進歩により、これらの製品の操作が容易になりました。今日のレーザー測定システムは、システムインテグレーター、オペレーター、保守担当者のニーズを考慮しています。たとえば、業界標準の通信プロトコルを採用し、堅牢な産業用ハードウェア接続を備えて設計されています。また、プロセスの破片や過熱による損傷を防ぐための安全性の強化も含まれています。レーザーパワーメーターとビームプロファイリング製品は、科学および研究分野で広く使用されており、多くの場合、それらの環境向けに設計されています。これらの製品は、関連するレーザー性能情報を提供するため、産業分野でも応用されています。このため、彼らの設計はより過酷な生産環境に適応しています。

業界のレーザー担当者が「このレーザープロセスは非常に堅牢なので、問題が発生することはほとんどありません」または「このレーザーは板金を溶接しているのに、なぜそのパフォーマンスを気にする必要があるのでしょうか?」と言うのを聞くのは珍しいことではありません。場合によっては、レーザーアプリケーションが開発および展開され、何か問題が発生するまでパフォーマンスが一貫していると単純に想定されます。それはプロセスを管理する最良の方法ではありません。また、安全性と品質を非常に重視する自動車製造などの高精度アプリケーションに携わる人々のこうした発言を聞くのは特に憂慮すべきことです。

しかし、製造業界の現実は、安全性と品質の追求と、操業コストを削減するための絶え間ない鼓動が相殺されているということです。しかし、これは、一貫したレーザープロセスを達成することが必ずしも容易ではない、高反射材料の溶接などのレーザーアプリケーションの場合には特に難しい場合があります。レーザーが長期間にわたって一貫して動作していることを確認するには、主要なパフォーマンス測定を実行し、分析し、それに基づいて対処する必要があります。これらのレーザーパラメータが不明な場合、プロセスが変動し、最終的に部品が廃棄される可能性があります。たとえば、銅溶接用途で集束スポットが設計位置からずれると、プロセスポイントでのビームサイズの増加により溶接溶け込みの損失が発生する可能性があります。レーザーシステムの焦点シフトが追跡されていれば、このドリフトを回避できます。

持続可能性も重要な考慮事項です。製造会社は、地球への影響を軽減するために、資源をより賢く消費する方法を模索しています。こうした取り組みに関わったことがある人なら誰でも、プロセスのあらゆる小さな改善が役立つことを知っています。

レーザーのパフォーマンスを測定、追跡、分析し、一貫したレーザーのパフォーマンスを維持するための措置を講じることで、持続可能性をサポートできます。適切にメンテナンスされたレーザーシステムは消費電力を削減し、スループットを最大化します。これは運用コストの削減に役立つだけでなく、地球にとっても良いことです。

「壊れていないものは直すな」という哲学は製造業に今も息づいています。たとえば、レーザーサービス担当者の中には、レーザーの問題の保守とトラブルシューティングに非常に単純なツールを今でも使用している人もいます。レーザーの「パワーパック」、アクリルモードブロック、および蛍光体コーティングされた蛍光プレートは素早く簡単に使用できますが、これらのレガシー製品では、特定の時点でレーザーがどのように動作するかについて不完全な全体像が描かれています。

これらの原始的な方法では、バルクサーマルデバイスにレーザーが数秒間照射され、出力パワーに対応する単一の数値が生成されます。レーザービームはアクリルブロックまたは蛍光板に投影され、トレンドデータや業界の測定基準を使用せずに主観的に分析されます。今日の電子レーザー測定製品は時間ベースの測定を提供し、レーザー性能の短期または長期の傾向分析を可能にします。これらは NIST トレーサブルな標準に基づいて校正されており、ISO 準拠のビーム測定方法を使用しています。これにより、ユーザーはレーザー特性をより包括的に分析し、測定精度に自信を得ることができます。

インダストリー 4.0 のこの時代において、工作機械からのフィードバックに対する需要は、工業プロセスを改善する上で非常に貴重であることが判明しています。工作機械として見た場合、レーザーも例外ではありません。製品は、いくつかの異なるアプローチを使用して、レーザーの性能特性に関する情報を提供できるようになりました。インプロセスまたは「現場」測定では、レーザーの動作状況に関するリアルタイムのフィードバックが得られますが、多くの場合レーザーシステムの一部のみを分析するため、提供できる情報が制限されます。一方、プロセス測定製品は、加工時点でレーザーがどのように動作しているかについてのより完全な分析を提供します。ただし、これらの製品はパーツの実行の間に使用する必要があるため、結果として得られる情報はリアルタイムではありません。いずれにせよ、プロセスの改善を考慮する場合、レーザーのパフォーマンスに関する情報を持っていることは、分析しないよりも常に良いことです。

レーザーオペレーターの仕事は、レーザーのパフォーマンスデータにアクセスできなければ非常に困難です。長期的なパフォーマンス傾向を測定、追跡、分析することは、レーザーシステムの運用と保守を改善し、問題が発生した場合に迅速にトラブルシューティングを行うのに役立ちます。