Mythes sur le laser : ce que les fabricants ne savent pas peut nuire au processus

Les lasers sont souvent utilisés pour les applications d'assemblage dans la fabrication automobile. La surveillance du système laser permet de garantir des processus d'assemblage cohérents et de haute qualité.

L'application de lasers haute puissance est de plus en plus courante dans les environnements industriels, tels que le frittage dans la fabrication additive, l'assemblage de composants de carrosserie dans l'industrie automobile et le perçage et la découpe de composants aérospatiaux. Au fur et à mesure que de plus en plus d'applications de ces lasers sont découvertes et développées, de plus en plus de fabricants réalisent à quel point les systèmes laser industriels peuvent être fiables et reproductibles.

Comme toute autre machine-outil, les technologies entourant le système laser ont considérablement progressé au cours des dernières décennies. Cependant, de nombreux mythes entourant l'emploi, le fonctionnement et l'entretien d'un laser industriel existent toujours. Il est essentiel de séparer les faits de la fiction pour garantir un processus laser de haute qualité.

L'utilisation d'un laser comme outil industriel remonte presque aussi loin que l'avènement du laser lui-même. Le laser CO2 était autrefois le cheval de bataille de la fabrication laser avec sa puissance brute, ses coûts d'exploitation relativement peu coûteux et sa facilité d'entretien. Des centaines de milliers sont encore en usage aujourd'hui.

Les années 1980 ont vu l'introduction du laser à fibre en tant qu'outil industriel, et cela a changé le paysage de la fabrication de lasers industriels. Le laser à fibre a apporté plusieurs avantages, tels qu'une efficacité accrue de la prise murale, une qualité de faisceau améliorée et une maintenance réduite, par rapport aux lasers CO2 bien établis. Mais les premières générations de laser à fibre étaient chères, ne produisaient pas la puissance nécessaire aux applications laser industrielles et étaient difficiles à entretenir. Les fabricants de lasers à fibre ont surmonté la plupart de ces obstacles et proposent désormais des sources et des systèmes plus pratiques.

Aussi fiables et de haute qualité que soient devenus les systèmes laser d'aujourd'hui, l'utilisateur pourrait être tenté de négliger le fait que le système est toujours constitué de pièces physiques dotées de propriétés physiques. Les systèmes laser comprennent des composants mécaniques et électriques qui se dégradent ou tombent en panne après une utilisation périodique. Lorsque ces lasers sont utilisés dans des environnements industriels difficiles remplis de débris de processus, la dégradation et la défaillance des composants sont multipliées, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité et une augmentation des coûts d'exploitation.

Les concepteurs de systèmes ont fait preuve de créativité dans leur gestion des débris de processus. Cependant, sans mesurer les performances du système laser, l'utilisateur ne peut pas comprendre tous les effets de ces dégradations des composants du système ou comment et quand prendre des mesures pour maximiser l'efficacité du système.

Les systèmes laser nécessitent des investissements financiers importants pour produire des pièces le plus rapidement et le plus efficacement possible. Une maintenance périodique du système est nécessaire, mais le désir évident de maximiser le retour sur investissement (ROI) signifie minimiser le temps nécessaire à la maintenance du système. Un système de mesure des performances laser peut fournir une indication rapide de la performance du laser et aider au développement d'une routine de maintenance laser plus complète.

Dans les applications laser CO2, lorsqu'un laser commence à s'éloigner de son processus optimisé, un utilisateur de laser peut être tenté d'augmenter la puissance pour continuer à traiter les pièces sans se demander pourquoi le laser perd de son efficacité. Ce qui pourrait se produire est un effet thermique accru sur le système laser causé par une optique vieillie, endommagée ou contaminée, généralement à proximité du processus. L'effet thermique provoque le déplacement du point focalisé vers le haut, ce qui entraîne une diminution de la densité de puissance.

L'instrumentation de profilage de faisceau permet aux utilisateurs finaux d'ajuster leurs processus laser pour obtenir un éclairement précis suffisant pour la tâche, mais pas trop intense pour qu'une soudure, par exemple, surchauffe et donne des résultats moins optimaux. Les outils de mesure laser d'aujourd'hui aident les utilisateurs à comprendre les performances de leur lumière laser et à optimiser le fonctionnement et la maintenance de leurs systèmes.

Dans le même ordre d'idées, les fabricants doivent connaître la différence majeure entre les lasers CO2 et les lasers à fibre. Les lasers CO2 fonctionnent à une longueur d'onde très indulgente de 10,6 µm. Les optiques de ces lasers sont robustes, moins susceptibles d'être endommagées par les débris de processus environnants et plus faciles à entretenir. Les lasers à fibre, à disque et à diode modernes fonctionnent à une longueur d'onde proche de 1 µm. Les optiques utilisées dans ces lasers sont plus susceptibles d'être endommagées par les débris produits dans leurs environnements industriels difficiles et doivent être manipulées avec une extrême prudence lors de leur remplacement. Certains opérateurs laser s'appuient sur la pratique traditionnelle consistant à changer l'optique du laser CO2, mais ces pratiques peuvent finalement endommager les têtes de traitement de leurs lasers à longueur d'onde de 1 µm.

Les systèmes de fabrication additive à base de laser nécessitent des puissances de sortie précises et des tailles de point ciblées au niveau du processus pour produire des pièces de qualité de manière cohérente.

Ce mythe selon lequel le retour sur investissement d'un système de mesure laser est faible est enraciné dans l'idée fausse que ces systèmes sont coûteux et difficiles à configurer et à utiliser. En outre, de nombreux fabricants pensent que, même si l'équipement de mesure laser est agréable à posséder, il peut ne pas fournir d'informations utiles ou pertinentes pour l'application.

Historiquement, le coût d'achat des systèmes de mesure laser était élevé. Lorsque les produits électroniques de mesure laser ont commencé à apparaître dans les années 1970, ils étaient principalement utilisés dans les laboratoires scientifiques et les environnements hautement contrôlés. Les informations qu'ils fournissaient étaient particulièrement utiles, mais le coût de possession ne permettait qu'aux organisations bien financées de disposer de ces outils.

Aujourd'hui, avec les progrès des technologies de caméra, des composants optiques, des technologies de réseau et de communication, ainsi que de la puissance de calcul et des logiciels, les produits de mesure laser sont plus petits, plus rapides et moins chers. Les wattmètres laser et les produits de profilage de faisceau sont devenus des outils de maintenance rentables qui peuvent s'intégrer directement dans les cellules de travail laser. Par exemple, il est de plus en plus courant pour les constructeurs automobiles d'intégrer un dispositif industriel combiné de mesure de puissance et de profilage de faisceau dans leurs cellules de travail afin de surveiller les performances laser pour l'analyse des tendances, la traçabilité des processus et une prévision de maintenance plus intelligente.

En plus des améliorations de coûts, plusieurs avancées permettent une utilisation plus facile de ces produits. Les systèmes de mesure laser d'aujourd'hui tiennent compte des besoins des intégrateurs système, des opérateurs et du personnel de maintenance. Par exemple, ils utilisent des protocoles de communication standard et sont conçus avec des connexions matérielles industrielles robustes. Ils incluent également des améliorations de sécurité pour protéger contre les dommages causés par les débris de processus et la surchauffe. Les wattmètres laser et les produits de profilage de faisceau sont largement utilisés dans les domaines scientifiques et de recherche et sont souvent conçus pour ces environnements. Ces produits sont également appliqués dans les domaines industriels en raison des informations pertinentes sur les performances laser qu'ils fournissent. Pour cette raison, leurs conceptions ont été adaptées à des environnements de production plus difficiles.

Il n'est pas rare d'entendre le personnel laser de l'industrie dire : "Ce processus laser est si robuste qu'il y a rarement quelque chose qui ne va pas" ou "Ce laser soude de la tôle, alors pourquoi devrais-je me soucier de ses performances ?" Dans certains cas, une application laser est développée et déployée, et les performances sont simplement supposées rester constantes jusqu'à ce que quelque chose tourne mal. Ce n'est pas la meilleure façon de gérer un processus. De plus, il est particulièrement troublant d'entendre ces déclarations faites par des personnes dans des applications de haute précision, telles que la fabrication automobile, qui accordent une telle importance à la sécurité et à la qualité.

La réalité du monde de la fabrication, cependant, est que la pression pour la sécurité et la qualité est contrebalancée par le battement de tambour constant pour réduire les coûts d'exploitation. Mais cela peut parfois être difficile, en particulier pour les applications laser, telles que le soudage de matériaux hautement réfléchissants, dans lesquelles il n'est pas toujours facile d'obtenir un processus laser cohérent. Pour s'assurer que le laser fonctionne de manière constante dans le temps, des mesures de performances clés doivent être prises, analysées et mises en œuvre. Lorsque ces paramètres laser sont inconnus, le processus peut dériver et finalement aboutir à des pièces mises au rebut. Par exemple, si le point focalisé dans une application de soudage du cuivre se déplace de sa position de conception, une perte de pénétration de la soudure peut se produire à cause de l'augmentation de la taille du faisceau au point de procédé. Si le décalage de mise au point sur le système laser est suivi, cette dérive peut être évitée.

La durabilité est également une considération majeure. Les entreprises manufacturières cherchent des moyens de consommer les ressources plus judicieusement pour réduire l'impact sur la planète. Quiconque a participé à ces initiatives sait que chaque petite amélioration apportée à un processus est utile.

La mesure, le suivi et l'analyse des performances laser et la prise de mesures pour maintenir des performances laser constantes peuvent contribuer à la durabilité. Un système laser correctement entretenu consomme moins d'énergie et maximise le débit, ce qui est non seulement bon pour réduire les coûts d'exploitation, mais aussi bon pour la planète.

La philosophie « ne réparez pas ce qui n'est pas cassé » est bien vivante dans le secteur de la fabrication. Par exemple, certains membres du personnel de service laser utilisent encore des outils très simples pour entretenir et résoudre les problèmes laser. Les "power pucks" laser, les blocs de mode acrylique et les plaques fluorescentes revêtues de phosphore sont rapides et faciles à utiliser, mais ces produits hérités brossent un tableau incomplet de la performance du laser à un moment donné.

Avec ces méthodes primitives, un laser est tiré dans un dispositif thermique en vrac pendant plusieurs secondes, ce qui produit un nombre unique correspondant à la puissance de sortie. Le faisceau laser est imagé dans un bloc acrylique ou une plaque fluorescente et analysé subjectivement sans aucune donnée de tendance ou norme de mesure de l'industrie. Les produits de mesure laser électroniques d'aujourd'hui fournissent des mesures basées sur le temps, qui permettent une analyse des tendances à court ou à long terme des performances du laser. Ils sont calibrés par rapport aux normes traçables NIST et utilisent des méthodes de mesure de faisceau conformes à la norme ISO. Cela fournit à l'utilisateur une analyse plus complète des caractéristiques du laser et une confiance dans la précision des mesures.

À l'ère de l'industrie 4.0, la demande de retour d'information des machines-outils s'avère très précieuse pour améliorer le traitement industriel. Le laser, considéré comme une machine-outil, ne fait pas exception. Les produits peuvent désormais fournir des informations sur les caractéristiques de performance du laser avec deux approches différentes. La mesure en cours de processus ou "in situ" peut fournir une rétroaction en temps réel sur le fonctionnement du laser, mais n'analyse souvent qu'une partie du système laser, ce qui limite les informations pouvant être fournies. D'autre part, les produits de mesure en cours de processus fournissent une analyse plus complète des performances du laser au point de traitement ; cependant, ces produits doivent être utilisés entre les séries de pièces, de sorte que les informations résultantes ne sont pas en temps réel. Quoi qu'il en soit, avoir des informations sur les performances du laser est toujours mieux que pas d'analyse lors de l'examen de l'amélioration des processus.

Le travail de l'opérateur laser est suffisamment difficile sans accès aux données de performance laser. La mesure, le suivi et l'analyse des tendances de performance à long terme peuvent les aider à mieux exploiter et entretenir leurs systèmes laser et à résoudre rapidement les problèmes lorsqu'ils surviennent.