Kako procesni prozori kod serijskih delova ostaju reproducibilni?

Pri tome nije reč o tome da se svaka fizička osnova ponovo objašnjava. Unos energije, fokus i razlike između pulsnih i CW sistema već se nalaze u tekstovima Kako funkcioniše laserska ablacija pri čišćenju metala? i Pulsni laser ili CW: koji unos energije odgovara delu?.

Ovaj tekst se bavi sledećim korakom: kako od skupa parametara koji funkcioniše nastaje dokumentovan serijski proces koji se može kontrolisati tokom dužeg vremena?

Od testa materijala do serijskog procesa

Test materijala najpre odgovara na jedno osnovno pitanje: može li se željeno stanje površine postići određenim sistemom? Za seriju ta informacija još nije dovoljna — tamo nastaju dodatni zahtevi. Proces treba da bude ponovljiv, da poštuje definisano taktno vreme, da podnese različite šarže delova, da bude jednostavan za rukovanje, da učini odstupanja prepoznatljivim i da može da se dokumentuje.

Upravo na ovom mestu menja se ugao posmatranja. Dok se pri prvom probnom radu često traži najbolja vidljiva površina, proizvodnji je potreban stabilan opseg unutar kojeg se postižu prihvatljivi rezultati. Fraunhofer ILT pored studija izvodljivosti navodi i razvoj, realizaciju i integraciju namenski prilagođenih laserskih procesa čišćenja u postojeće industrijske tokove. Prelaz sa probnog rada na integraciju time predstavlja poseban razvojni korak.

Zašto jedan jedini skup parametara nije dovoljan

Pretpostavimo da je pri testu postignut dobar rezultat sa određenom snagom, širinom skeniranja i brzinom. Bilo bi primamljivo te vrednosti jednostavno sačuvati kao fiksne proizvodne parametre. U praksi, međutim, mogu da se pojave manja odstupanja:

• Premaz je nešto deblji
• Deo neznatno drugačije naleže u steznom priboru
• Površina je jače zaprljana
• Zaštitno staklo pokazuje prve naslage
• Šarža materijala ima nešto drugačija svojstva
• Okruženje ili početna temperatura se razlikuju

Ako proces funkcioniše samo u tačno jednoj tački i već male promene dovode do neispravnog rezultata, on je za seriju osetljiv. Zbog toga je procesni prozor svrsishodniji od pojedinačne idealne vrednosti: traži se opseg unutar kojeg kvalitet ostaje stabilan.

Procesni prozor umesto idealne vrednosti

Procesni prozor može da obuhvati više parametara. Pojednostavljeno bi moglo da važi: snaga unutar definisanog opsega, brzina između dve granice, radno rastojanje unutar tolerancije, utvrđena širina skeniranja i maksimalno definisan broj prelaza.

Cilj nije dozvoliti što veća odstupanja. Cilj je znati koja odstupanja proces podnosi — to povećava robusnost. Ako, na primer, malo odstupanje radnog rastojanja odmah dovodi do vidljivih ostataka, treba proveriti da li se procesni parametar može prilagoditi ili pozicioniranje dela mora da bude preciznije.

Time procesni prozor povezuje lasersku tehniku sa tehnikom postrojenja i steznog pribora. Robustan serijski proces nastaje iz obe oblasti zajedno.

Koje parametre treba dokumentovati

Dokumentacija treba da bude sastavljena tako da kvalifikovani zaposleni kasnije može da utvrdi pod kojim uslovima je nastao odobreni proces.

Postrojenje

Korišćeni sistem, verzija softvera i relevantna konfiguracija optike.

Radni komad

Broj dela, materijal, premaz, poznata debljina sloja, kao i dobavljač ili šarža, ako je relevantno.

Proces

Snaga, frekvencija kod pulsnih sistema, širina skeniranja, obrazac skeniranja, brzina kretanja, broj prolaza i radno rastojanje.

Rezultat

Referentne slike, definisane karakteristike kvaliteta, dozvoljeni ostatak sloja, stanje površine i trajanje obrade.

Takva dokumentacija kod malih serija možda deluje preterano. Čim se isti proces koristi mesecima ili sa više zaposlenih, ona znatno dobija na vrednosti — sprečava da znanje o procesu ostane sačuvano isključivo u glavi jednog jedinog rukovaoca.

Tolerancije delova kao faktor uticaja

Ni serijski delovi nisu potpuno identični. Proizvodne tolerancije mogu neznatno da promene položaj i površinu. Kod jednostavne ravne površine to je možda nebitno; kod trodimenzionalnih kontura male razlike mogu da promene radno rastojanje ili ugao upada.

Zbog toga bi već pri razvoju procesa trebalo razjasniti koliko su velike stvarne tolerancije delova i da li definisani procesni prozor može da pokrije te tolerancije. Ako ne može, postoje različite mogućnosti: stezni pribor može preciznije da pozicionira radni komad, senzor može da prepozna položaj, robot može da prilagodi svoju putanju ili proces obrade može da se podesi toliko robusno da dozvoljena odstupanja nemaju relevantan uticaj.

Koje je rešenje ekonomski svrsishodno, zavisi od broja komada i zahteva za kvalitetom.

Zaprljanost nije uvek ista

I sloj koji treba ukloniti može da varira. U proizvodnom procesu mogu da se pojave različite količine ulja, oksida, sredstva za odvajanje ili ostataka iz procesa. Kod delova sa premazom debljina laka može da varira unutar dozvoljenih proizvodnih tolerancija. To znači: čak i savršeno identični metalni delovi mogu da imaju različita početna stanja.

Serijski proces zato mora da uzme u obzir ne samo tolerancije delova, već i realna odstupanja zaprljanosti. Smisleni razvoj procesa ne ispituje isključivo najlepši uzorak, već i delove na rubu očekivanih početnih stanja. Samo tako može da se prepozna da li je skup parametara dovoljno robustan u stvarnim proizvodnim uslovima.

Pratiti stanje optike i zaštitnog stakla

Stanje optičkog sistema može da se promeni tokom rada. Zaštitno staklo štiti osetljive komponente od ostataka iz procesa; sa porastom zaprljanosti može da se promeni stanje optičkog puta. Zbog toga kontrole relevantnih komponenti spadaju u standardizovan pogon.

Pitanje ne glasi isključivo kada je zaštitno staklo potpuno neupotrebljivo, već od kog stanja može da se utiče na kvalitet procesa. Pri tome su merodavni podaci proizvođača i propisi za održavanje.

Za serijske primene može biti svrsishodno definisati fiksne intervale provere i ne kontrolisati optičke komponente tek onda kada se pojavi vidljiva greška. Postepena promena stanja teže se prepoznaje nego iznenadni otkaz.

Pozicioniranje i stezni pribor

Stabilna obrada zahteva stabilan relativan položaj između radnog komada i glave za obradu. Kod ručnih zadataka tu funkciju preuzima rukovalac; u seriji se često koristi prihvatna naprava. Dobra naprava treba jednoznačno da pozicionira deo, da ga prihvata ponovljivo, da ga osigura od pomeranja i da omogući brzo postavljanje i skidanje.

Što se položaj tačnije reprodukuje, to je manji mogući izvor greške. To je posebno važno kod lokalnih zona obrade: ako treba obraditi samo uzak pojas pre postupka spajanja, radni komad ne sme u svakom ciklusu da leži nekoliko milimetara drugačije. Kvalitet procesa zato ne zavisi samo od laserskog sistema — naprava, rukovanje i referenciranje dela deo su ukupnog sistema.

Referentni uzorci i granični uzorci

Referentni uzorci su posebno praktično sredstvo za kontrolu kvaliteta. Odobreni uzorak pokazuje kakav treba da bude prihvatljiv rezultat. Dodatno se mogu definisati i granični uzorci:

• Referenca dobro: u potpunosti prihvatljivo ciljno stanje
• Granica prihvatljivo: najveći dozvoljeni preostali sloj ili promena
• Nije prihvatljivo: rezultat izvan specifikacije

Tako zaposleni dobijaju konkretnu orijentaciju — naročito kod vizuelnih obeležja kvaliteta. Kod tehnički zahtevnijih procesa mogu se dodatno koristiti i merljivi kriterijumi.

Referenca ipak ne bi trebalo da se koristi neograničeno dugo bez provere. I uzorci mogu da ostare, da se zaprljaju ili da budu pogrešno uskladišteni. Zato bi i njihov status trebalo dokumentovati.

Smanjiti uticaj rukovaoca

Kod ručno vođenih postupaka čovek je deo procesnog lanca. To nije načelan nedostatak — iskusan rukovalac može fleksibilno da reaguje na različite delove. Kod poslova koji se ponavljaju individualni uticaj ipak treba ograničiti. Mogu pomoći:

• jasna radna uputstva
• definisan redosled zona obrade
• sačuvani skupovi parametara
• utvrđen broj prolaza
• definisano radno rastojanje
• obuka na osnovu referentnih uzoraka

Cilj nije da se iskustvo učini suvišnim, već da dve obučene osobe postignu što uporedivije rezultate. Što je veći broj komada i što su stroži zahtevi za kvalitet, to je ova standardizacija važnija. O ulozi koju pri tome ima vođenje putanje govori prilog o šablonima skeniranja na ivicama i konturama.

Automatizacija i upravljanje recepturama

Kod automatizovanih sistema parametri i kretanja mogu se digitalno pohraniti. Za različite tipove delova mogu se koristiti takozvane recepture, odnosno definisani procesni skupovi podataka. Jedan skup podataka može da sadrži snagu, frekvenciju, strategiju skeniranja, putanju robota, brzinu i broj ponavljanja.

Time se smanjuje rizik da se pri promeni proizvoda parametri ručno pogrešno unesu. Istovremeno se mora kontrolisati koja je receptura zaista odobrena, a izmene bi trebalo dokumentovati tako da budu proverljive.

Fraunhofer IWS navodi skenersku tehniku, senzoriku, monitoring i upravljački softver kao sastavne delove sistemskih rešenja za precizne procese laserske obrade. Ta kombinacija procesnog znanja i sistemske tehnike posebno je značajna čim se od pojedinačne primene razvije automatizovana proizvodnja.

Nadzor procesa koristiti svrsishodno

Ne zahteva svaki proces složenu senzoriku. Ali sa porastom broja komada raste i vrednost automatskog nadzora. Nadzor procesa može imati različite ciljeve:

• kontrolisati položaj
• nadzirati stanje sistema
• beležiti procesne signale
• prepoznavati odstupanja
• dokumentovati podatke o kvalitetu

Koja je senzorika svrsishodna, zavisi od primene i od ekonomskog značaja greške. Kod jeftinog pojedinačnog dela može biti dovoljna naknadna vizuelna kontrola; kod kritičnog serijskog dela sa visokim naknadnim troškovima rano prepoznavanje greške može biti ekonomski vredno. Fraunhofer IWS u različitim laserskim primenama radi sa procesnim monitoringom i regulacionim sistemima. Odluka o monitoringu zato treba da bude zasnovana na riziku, a ne sama sebi svrha.

Izmene odobravati kontrolisano

Stabilan proces s vremenom može morati da se menja. Mogući razlozi su novi materijal premaza, novi dobavljač, drugačija geometrija dela, ažuriranje softvera, druga optika, veći broj komada ili nov zahtev za kvalitetom.

Česta greška je da se takva izmena sprovede direktno u tekućem procesu, a da se zatim pođe od toga da dosadašnje odobrenje i dalje važi. Bolji je kontrolisan postupak izmena, u kome se dokumentuje šta je promenjeno, zašto, koja su dejstva moguća, koji su testovi sprovedeni i ko je novo podešavanje odobrio.

Takav pristup nije posebnost laserske tehnike — on prati osnovna načela stabilnih industrijskih procesa. Što je deo kritičniji, to je proverljivost važnija.

Bezbednost kao sastavni deo standardizacije

I zaštitne mere moraju biti deo standardizovanog procesa. Kod ručno vođenih primena klase 4 nije dovoljno dokumentovati isključivo parametre obrade. Zavisno od primene, tu spadaju:

• definisana laserska zona i zaštitne pregrade
• ograničenja pristupa
• odgovarajuća lična zaštitna oprema
• procesno odsisavanje
• obuka zaposlenih i ponašanje pri smetnjama

Pomoćno uputstvo DGUV FBHM-139 „Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung“ (radovi mlazom – čišćenje i uklanjanje premaza laserskim zračenjem), izdanje 06/2024, obrađuje opasnosti i zaštitne mere za ručno vođene laserske sisteme klase 4. Serijski proces je potpuno standardizovan tek onda kada je ponovljivo organizovan ne samo rezultat obrade, već i bezbedno izvođenje. Pregled daje stranica Bezbednosne napomene o klasi lasera 4.

Zaključak: ponovljivost nastaje kontrolom

Procesni prozori kod serijskih delova ostaju reproducibilni samo uz kontrolu — nije dovoljno da se jednom pronađen skup parametara sačuva i posle toga više nikada ne preispita. Pouzdan tok uzima u obzir kolebanja: tolerancije delova, razlike u zaprljanosti ili premazu, stanje optike i zaštitnih komponenti, pozicioniranje radnog komada, uticaj rukovaoca, kao i promene na sistemu i softveru.

Procesni prozor zato opisuje opseg u kome se može postići pouzdan rezultat. Dobra dokumentacija čini taj opseg proverljivim, referentni uzorci pomažu pri oceni kvaliteta, naprave i automatizacija smanjuju odstupanja položaja, a monitoring kod pogodnih primena može da stvori dodatnu procesnu sigurnost.

Kontrolisano upravljanje izmenama na kraju sprečava da se odobreni proces neprimetno promeni. Time od uspešnog probnog rada nastaje industrijski upotrebljiv tok — upravo je taj prelaz odlučujući kada lasersku obradu ne treba primenjivati samo povremeno, već je koristiti kao proizvodni korak koji se ponavlja. Ko želi da osigura svoj procesni prozor u seriji, te kontrolne tačke zato planira od samog početka.

Izvori

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — „Reinigen“ (čišćenje): studije izvodljivosti, razvoj procesa specifičan za primenu i integracija u industrijske procese.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — sistemska tehnika: skeneri, senzorika, monitoring i upravljanje za procese velike brzine i visoke preciznosti; primeri uključivanja laserskih koraka čišćenja u proizvodne procese.
• DGUV — FBHM-139 „Radovi mlaznim čišćenjem – čišćenje i uklanjanje premaza laserskim zračenjem“, izdanje 06/2024.

Povezani sadržaji