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 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 opracował zaawansowaną technologię wielopłaszczyznowej konwersji światła (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.
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.
Słowa kluczowe
CUSTODIAN, laser, kształtowanie wiązki laserowej, MPLC, wielopłaszczyznowa konwersja światła, symulacja wielofizyczna, spawanie wiązką laserową, spiekanie w złożu proszkowym
