Kako šabloni skeniranja utiču na rezultat na ivicama i konturama?

Osnovne veze između položaja fokusa, širine skeniranja i unosa energije već su opisane u članku Kako funkcioniše laserska ablacija pri čišćenju metala?. Ovaj članak nastavlja odatle i posebno se bavi vođenjem putanje na složenim geometrijama.

Za industrijske korisnike to je važno jer nije dovoljno da proces funkcioniše samo na probnoj površini. On mora da daje što ujednačenije rezultate na stvarnom radnom komadu.

Zašto geometrija menja proces

Na velikoj ravnoj površini geometrijski uslovi su relativno konstantni. Rastojanje između obradne glave i površine može ostati isto, laser pada pod sličnim uglom, a kretanje se može organizovati u paralelnim putanjama. Kod stvarnog industrijskog dela to je često drugačije — jedna komponenta mašine može imati spoljašnje i unutrašnje ivice, radijuse, otvore, žlebove, rebra, različite ravni i zaobljene zone.

Čim se površina promeni u odnosu na obradnu glavu, menjaju se i radno rastojanje i upadni ugao. Time se može promeniti i stvarna raspodela energije po površini. To ne znači da su složeni delovi načelno neprikladni — znači samo da putanja obrade postaje deo razvoja procesa. Fraunhofer ILT izričito navodi i lasersko čišćenje velikih površina i lokalno čišćenje visoke rezolucije, kao i integraciju odgovarajućih postupaka u industrijske procese.

Šta šablon skeniranja praktično određuje

Pojam šablon skeniranja označava putanju po kojoj se laserski snop pomera unutar obradnog polja. U praksi se, zavisno od sistema, mogu koristiti linije, površinski šabloni ili drugi oblici kretanja. Presudan je manje optički oblik šablona, a više pitanje koliko se ujednačeno njime obuhvata željena površina. Šablon skeniranja utiče između ostalog na:

• lokalno vreme zadržavanja
• preklapanje susednih putanja
• broj prelaza
• raspodelu energije
• brzinu obrade površine

Na slobodnoj površini šablon se relativno lako može podesiti tako da se pojedinačne putanje ravnomerno preklapaju. Na ivici isti tok može dovesti do toga da jedan deo šablona već leži izvan radnog komada; na unutrašnjoj konturi zone kretanja mogu se jače preklapati. Geometrija dakle takođe odlučuje o tome kako izabrani šablon zaista dospeva na materijal.

Prave putanje i zone preklapanja

Čest princip za obradu površina jesu putanje koje leže jedna pored druge. Da ne bi ostale neobrađene trake, one se obično raspoređuju tako da nastane definisano preklapanje. Premalo preklapanje može stvoriti vidljive međuzone; nepotrebno veliko preklapanje dovodi do toga da se određene zone obrađuju više puta.

Tako nastaje klasičan sukob ciljeva: cela površina treba pouzdano da bude obuhvaćena, a da se pojedine zone ne izlažu nepotrebno često. Kod homogenog, ravnog radnog komada ovo rastojanje se može podesiti reproducibilno. Kod zaobljene površine stvarna širina projektovana na materijal može se promeniti.

Zato planiranje putanje ne bi trebalo posmatrati isključivo na osnovu kretanja u skeneru. Merodavan je šablon na stvarnoj trodimenzionalnoj površini.

Šta se dešava na ivicama

Spoljašnja ivica predstavlja naglu promenu pravca površine. Ako se šablon skeniranja jednostavno vodi preko nje, menja se geometrija između snopa i radnog komada: jedan deo putanje još pogađa prvu površinu, dok sledeći već pada na susednu površinu ili napušta radni komad. Zbog toga se zona neposredno uz ivicu može obraditi drugačije nego slobodna površina.

Tome se dodaje i praktičan izazov: ivice su često funkcionalno ili vizuelno posebno važne. Kod dela mašine mogu ograničavati nalegajuće površine, kod restauriranog metalnog dela treba da ostanu što jasnije očuvane. Smislen proces zato može predvideti da se ivice ne obrađuju jednostavno istim kretanjem kao velika površina. Zavisno od uređaja i dela, moguće je sledeće:

• prilagođeno vođenje putanje
• smanjena brzina
• poseban pravac obrade
• promena radnog ugla
• odvojena obrada druge površine

Koja je strategija smislena, mora se ispitati na konkretnom delu.

Zašto su radijusi zahtevniji

Radijus nema naglu promenu pravca, već kontinuiranu zakrivljenost. To najpre zvuči jednostavnije, ali tehnički znači da se ugao između snopa i površine neprekidno menja. Kod malog radijusa dodatno se osetno može promeniti i rastojanje unutar jednog polja skeniranja: ako obradna glava ostane nepomična, jedan deo skeniranog polja je možda bliži optimalnom radnom području nego drugi deo.

Kod malih lokalnih radijusa to ne mora da bude problem. Kod zahtevnih delova može postati neophodno prilagođavanje položaja obradne glave. Naročito kod automatizovanih procesa zato se nudi kombinacija kretanja skenera i kretanja ose odnosno robota: skener preuzima brzo lokalno kretanje, dok sistem za rukovanje prilagođava grubu poziciju i orijentaciju u odnosu na radni komad. Fraunhofer IWS za sisteme zasnovane na laseru opisuje kombinaciju skenerske tehnike, planiranja putanje i kontrole procesa kao gradivne elemente preciznih proizvodnih procesa.

Kako pravilno proceniti žlebove i udubljenja

Unutrašnje geometrije predstavljaju dodatni izazov. Laseru je potrebna optička veza sa zonom obrade. Kod dubokih žlebova, podsečenja ili zasenčenih zona ta linija vidljivosti može biti ograničena. Žleb se zato mora posmatrati sa više aspekata:

• Širina: Da li potrebno obradno polje staje u geometriju?
• Dubina: Da li površina ostaje optički dostupna?
• Ugao: Može li snop smisleno da pogodi dno i bočne strane?
• Rastojanje: Da li se obradna glava može postaviti dovoljno blizu?

Duboka podsečenja fizički se ne mogu obraditi kroz materijalnu ivicu koja leži iznad njih. To zvuči samo po sebi razumljivo, ali je za praksu važno: pri proveri izvodljivosti ne treba posmatrati samo fotografiju spoljašnje strane. Kod složenih delova pomažu crteži, mere ili originalni radni komad.

Radno rastojanje i upadni ugao

Radno rastojanje i uslovi fokusa već su objašnjeni u tehničkim osnovama. Kod složenih geometrija oni dobijaju dodatni značaj. Dok se rukovalac kreće preko ravne površine, rastojanje se može održavati relativno konstantnim. Kod zakrivljene konture ono može varirati u okviru nekoliko centimetara, a menja se i upadni ugao. Time se može promeniti oblik zone snopa projektovane na površinu.

Zbog toga bi za reproducibilne procese trebalo definisati koja odstupanja se još nalaze unutar predviđenog procesnog prozora. Kod ručnog rada tu nastaje faktor iskustva; kod automatizovanog sistema položaj se može kontrolisati preko utvrđenih putanja.

Prelazi bez prekomerne obrade

Posebno su kritične prelazne zone između dva polja obrade. Kada se velika površina podeli na više odsečaka, te zone moraju da se nadovezuju jedna na drugu. Preveliko preklapanje može jednu zonu obraditi jače od ostatka, a premalo može ostaviti vidljivu ili tehnički nedovoljno obrađenu traku. Slično važi i pri prelasku sa površine na ivicu.

Zbog toga bi dobra strategija skeniranja trebalo svesno da definiše prelaze. U automatizovanim procesima može se utvrditi da skener na granicama polja obrade radi sa izmenjenim parametrima ili da sledeće polje počinje sa kontrolisanim preklapanjem.

Kod ručnih primena pomaže jasna metodika rada. Umesto nesistematičnog višestrukog prelaženja preko istog mesta, površina se može sistematski podeliti na zone. To ne poboljšava samo rezultat, već olakšava i procenu trajanja procesa.

Ručno vođenje i uticaj rukovaoca

Ručno vođen sistem nudi veliku fleksibilnost: rukovalac može spontano da reaguje na oblike delova, da menja ugao i da teško pristupačne zone obrađuje iz različitih pravaca. Istovremeno ta fleksibilnost dovodi do uticaja rukovaoca — dve osobe mogu istu glavu pomerati različitom brzinom, izabrati drugačije rastojanje ili prelaze preklapati u različitoj meri.

Kod pojedinačnih naloga to često nije problem. Kod delova koji se ponavljaju, međutim, može biti svrsishodno standardizovati određene postupke:

• definisan pravac kretanja
• okvirna brzina vođenja
• utvrđen redosled površina
• definisan broj prolaza
• referentne slike ciljnog stanja

Što su ove smernice bolje dokumentovane, to je manja zavisnost od ličnog stila rada.

Galvo skener i automatizovano kretanje

Galvo skener pomera snop pomoću ogledala vrlo brzo unutar definisanog polja obrade. Time se lokalno kretanje snopa može odvijati znatno brže od kretanja celog robota ili obradne glave. Kod složenih delova zbog toga se često nudi podela rada: skener stvara lokalni šablon, a robot ili osni sistem taj šablon pozicionira na delu.

Fraunhofer IWS već dugo opisuje skenersku optiku za brze i precizne laserske procese. U razvojnim radovima porede se planirana i stvarno izvedena kretanja ogledala, kako bi se smanjila odstupanja kod dinamičkih kontura. To pokazuje jednu važnu stvar: pri velikim brzinama nije merodavna samo programirana putanja, već i dinamika optičkog sistema. Kod naglih promena pravca ubrzanje i usporenje mogu igrati ulogu.

Roboti kod trodimenzionalnih delova

Industrijski robot može da menja orijentaciju obradne glave u odnosu na površinu. Time se trodimenzionalni delovi mogu obrađivati iz različitih pravaca. To je zanimljivo na primer kod:

• komponenti karoserije
• složenih zavarenih sklopova
• alata i kalupnih umetaka
• strukturiranih mašinskih delova

Izazov je u tome da se kretanje skenera i kretanje robota smisleno kombinuju. Robot ne mora da prelazi svaku pojedinačnu brzu liniju; on pozicionira optički sistem tako da skener unutar svog radnog polja može da radi pod odgovarajućim uslovima. Za serijske primene tako može nastati reproducibilan tok rada. Fraunhofer ILT izričito navodi integraciju procesa čišćenja specifičnih za primenu u postojeće industrijske procese kao deo svoje ponude usluga.

Kako se razvija strategija skeniranja

Smislena strategija počinje od geometrije, a ne od proizvoljnog standardnog šablona. Jedan mogući tok:

• Definisati ciljne zone: Koje površine zaista moraju da se obrade?
• Analizirati geometriju: Gde se nalaze ivice, radijusi, udubljenja i teško dostupne zone?
• Utvrditi glavne površine: Koje zone mogu da se obrade jednostavnom pravilnom putanjom?
• Odrediti posebne zone: Kojim zonama je potrebna izmenjena orijentacija ili sopstveni parametri?
• Planirati prelaze: Gde se susreću različita polja obrade?
• Sprovesti test: Da li nastaje ravnomerno ciljno stanje?
• Izmeriti trajanje procesa: Da li je strategija, pored kvaliteta, i produktivna?

Kod složenih delova putanju ne treba ocenjivati isključivo vizuelno. Odlučujuće je željeno tehničko krajnje stanje. O tome kako se to odražava na potrebno vreme govori članak o faktorima koji utiču na trajanje procesa.

Kontrola kvaliteta

Dobra strategija skeniranja prepoznaje se po tome što se željeno stanje postiže što ravnomernije. U zavisnosti od procesa mogu se kontrolisati:

• vidljivi ostaci premaza
• razlike u boji
• struktura površine
• definisana čistoća
• ravnomerna širina obrade

U automatizovanim primenama mogu biti svrsishodni dodatni senzorski i nadzorni sistemi. Fraunhofer IWS navodi praćenje procesa, senzoriku i upravljanje kao važne sastavne delove savremene laserske sistemske tehnike. Za mnoge primene u prvom koraku je dovoljna jasno definisana referentna površina — odlučujuće je da rezultat ne zavisi od čisto subjektivne procene.

Zaključak: složena geometrija zahteva sopstvenu strategiju putanje

Šabloni skeniranja utiču na rezultat pre svega zato što realna površina ne pruža svuda iste geometrijske uslove. Na ravnoj površini rastojanje, ugao i preklapanje mogu se održavati relativno konstantnim. Ivice, radijusi i žlebovi menjaju te uslove — time planiranje putanje postaje poseban deo razvoja procesa.

Za praksu je posebno važno: tačno definisati površine obrade, ivice i radijuse posmatrati zasebno, proveriti optičku pristupačnost udubljenja, kontrolisati radno rastojanje, svesno planirati preklapanja, standardizovati ručne postupke, kod serijskih procesa kombinovati skener i sistem manipulacije, kao i proveriti rezultat i trajanje procesa na originalnom delu.

Što je deo složeniji, to je paušalna tvrdnja na osnovu ukupne površine u kvadratnim metrima manje smislena. Odgovarajuća strategija skeniranja takođe odlučuje o tome da li se obrada može izvesti ravnomerno, reproducibilno i isplativo.

Izvori

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — „Čišćenje“: lokalna obrada i obrada velikih površina, kao i integracija procesa specifičnih za primenu.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — sistemska tehnika: skeneri, senzorika, nadzor procesa i upravljanje za precizne laserske procese; istraživanja o brzom otklonu snopa i o odstupanjima između zadatih i stvarnih putanja.

Povezani sadržaji