Zindywidualizowane cykle termiczne w produkcji laserowej
Lasery stały się jednym z najważniejszych narzędzi w produkcji przemysłowej. Umożliwiają one tworzenie bardzo małych elementów, trudnych lub niemożliwych do wykonania za pomocą konwencjonalnych urządzeń obróbczych, a także cięcie materiałów z niewielkim wpływem na otaczający je materiał, co minimalizuje obróbkę końcową. Kształtowanie wiązki laserowej w celu kontroli intensywności promienia lasera (mocy na jednostkę powierzchni) może pozwolić na przezwyciężenie aktualnych wyzwań w zastosowaniach przemysłowych i umożliwić precyzyjne dostrojenie mikrostruktury i właściwości końcowych komponentu. W ramach finansowanego przez UE projektu CUSTODIAN(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracowano opartą na fotonice technologię kształtowania wiązki laserowej dostosowaną do konkretnych materiałów i zastosowań oraz umożliwiającą kontrolowanie procesów laserowych w czasie rzeczywistym.
Eksperymenty i symulacje pomagają w tworzeniu technologii wielopłaszczyznowej konwersji światła
Zespół skupił się na spawaniu wiązką laserową elementów samochodowych ze stali nierdzewnej, spiekaniu w złożu proszkowym na potrzeby sektora lotniczego i energetycznego oraz cięciu laserowym grubej stali dla wielu różnych sektorów. Trzy kluczowe kroki wstępne pozwoliły na stworzenie podstaw technologii kształtowania wiązki laserowej: 1) określenie optymalnego cyklu termicznego poprzez analizę zarówno procesu jak i materiału; 2) symulacja wielofizyczna w celu określenia optymalnego kształtu wiązki dla osiągnięcia pożądanego cyklu termicznego; oraz 3) obliczenie optymalnej absorpcji w oparciu o równania Fresnela (opisujące odbicie i przepuszczanie światła na granicy między różnymi ośrodkami optycznymi) w celu ujednolicenia rozkładu mocy. Wiedza, doskonała współpraca i zaangażowanie partnerów projektu CUSTODIAN pozwoliły na zgromadzenie obszernej i ważnej wiedzy na temat tych aspektów. Bazując na tych pracach, partner projektu Cailabs(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracował zaawansowaną technologię wielopłaszczyznowej konwersji światła(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. „multi-plane light conversion”, MPLC) do kształtowania wiązki, opartą na iteracyjnej modyfikacji profilu poprzecznego wiązki po kolejnych odbiciach od płytki fazowej. „Technologia MPLC wywodzi się z sektora telekomunikacyjnego, a dostosowanie jej do przemysłowych urządzeń laserowych nie było proste. W ostatnich miesiącach projektu musieliśmy wprowadzić istotne poprawki i zmieścić się w napiętym terminie na końcowym etapie testów i walidacji wyników”, wyjaśnia kierownik projektu CUSTODIAN Daniel Gesto z Centrum Technologicznego AIMEN(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Monitorowanie i sterowanie w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem szybkiego obrazowania w podczerwieni
Oprócz technicznych możliwości modyfikacji kształtu wiązki potrzebne są odpowiednie algorytmy. Zespół CUSTODIAN opracował systemy monitorowania i kontroli w czasie rzeczywistym oparte na szybkim obrazowaniu w podczerwieni (IR). Szybkie kamery IR zostały zintegrowane współosiowo, aby pozwolić na śledzenie dynamiki stopionego materiału w czasie rzeczywistym. Na podstawie uzyskanych informacji opracowano i przetestowano algorytmy pozwalające na dostosowanie parametrów procesu w czasie rzeczywistym w celu optymalizacji cyklu termicznego dla każdego materiału.
Rozwiązywanie istniejących problemów dotyczących laserów i przygotowanie gruntu pod tworzenie nowych zastosowań
Technologie opracowane w projekcie CUSTODIAN mają potencjał, by rozwiązać niektóre wyzwania dotyczącego przemysłowego zastosowania lasera. Umożliwią one uzyskanie lepszej jakości i lepszych osiągów przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji, poprawieniu efektywności energetycznej i radykalnym zmniejszeniu ilości odpadów. Ponadto torują one drogę do laserowej obróbki materiałów, w przypadku których nie jest to obecnie możliwe ze względu na ich skład chemiczny i mikrostrukturę. „Metodologia CUSTODIAN, łącząca symulację wielofizyczną i elastyczną technologię kształtowania wiązki laserowej (MPLC), jest jedynym sposobem na ocenę i odpowiednie dostosowanie licznych parametrów wejściowych. Projekt odgrywa pionierską rolę w jednej z najważniejszych obecnie dziedzin laserowej obróbki materiałów – elastycznym i specyficznym dla danego zastosowania rozkładzie intensywności wiązki”, podsumowuje Gesto. Metodologia CUSTODIAN wyznacza kierunek przyszłego rozwoju technologii kształtowania elementów.
