レーザー製造プロセスの持続可能性向上

レーザーは多様な製造プロセスで使用され、近年そのスペクトルはますます広がっています。センサー技術のVCSEL、電池セル溶接用青色・緑色レーザー、アディティブ製造用高出力ファイバーレーザー、医療技術用量子カスケードレーザーなど、レーザー技術は現在多数の産業に革命をもたらしています。しかし、一つ際立っているのは、最新生産プラントでも、レーザーシステム自体を測定することでレーザーベースプロセスをより持続可能にする機会がしばしば見過ごされていることです。

レーザーベースプロセスで生産品質を向上させながら文書化を簡素化しリソースを節約する多くの新技術と機器があります。今日では、ロボットセルの非常に短いロード時間中や、アディティブ製造の密閉構築チャンバー内で、サイクルタイム中立・全自動測定によりビームコースティクス全体を特性評価することさえ可能です。

リスクを孕むパラドックス

長年、レーザービームは工具のように「切れ味が鈍らない」ため「メンテナンスフリー」という根強い信念がありました。今でも、最新鋭生産設備に投資しながら、レーザーをあまりに稀に、時代遅れ測定技術で測定している企業があります。現実はレーザープロセスが時間とともに変化することです。業界関係者は集光レーザービームチェックの重要性に気づき始めています。コンポーネント品質要求増大と多くの企業が直面する経済的圧力に加え、持続可能性が重要決定要因になりつつあります。しかしここで、レーザー技術と環境意識は手を携えて進むべきです。目的は明確です：

• スクラップゼロ
• 材料消費削減
• エネルギー消費削減
• 再加工最小化

プロセス設計時、一つ心に留めるべきことは：レーザーはそのビーム伝送の質でしか働かないということです。そして内蔵コンポーネントは時間とともに摩耗し汚れます。これにより焦点径が全体的に大きくなったり、焦点位置がシフトしたりして、これもビーム径拡大につながります。どちらの場合も加工点でのパワー密度が低下します。これら変化が気づかれないままなら、追加コストが発生します。不良品での材料浪費、および/または問題トラブルシューティングでの時間・労力浪費です。プロセス変化を根本修正せず補償しようとして、ユーザーは加工速度低下と/またはレーザー出力増大に頼ります。両方ともエネルギーとプロセスガス消費増大につながります。つまり、誰も望まない、負担できないことです！

焦点品質と単位コスト

レーザープロセスの持続可能性向上には、いくつかの異なるエントリーポイントから始められます。第一に、ビーム焦点が全体的にどう振る舞うか、レーザー出力と焦点位置の変化がプロセスにどう影響するかを知ることが極めて重要です。これら調査は通常開発段階で実施されます。

しかしレーザープロセスが運用段階に入ると、測定でレーザーが開発時と同様に本番環境で動作しているか判断できます。運用継続に伴い、必須メンテナンスタスクには光学レンズと保護窓のチェック、必要に応じた交換が含まれます。エラーと不良が発生している場合、レーザーシステムを迅速に復旧させる明確な測定戦略を持つことが推奨されます。

以下手順が通常良好な結果を生みます：

1. 切断ノズルでのビームアライメントチェック（関連する場合）
2. 保護窓交換
3. ビームパスアライメントチェック
4. レーザー出力ビームの出力とビームプロファイルチェック

測定すべき中心パラメータは、レーザー出力、焦点径、焦点位置（x、y、z）、焦点シフト、ビームプロファイルと発散角、ビーム品質M²、BPP（ビームパラメータ積）です。しかしこれらすべての測定で、どの測定技術を使うかをレーザー出力のみで決定すべきではありません。レーザー出力密度も知ることが不可欠です。

レーザー出力密度は単位面積あたりの出力（W/cm²）と定義されます。焦点径変化（例えば不適切冷却レンズや汚れた保護窓による）は、レーザービーム出力密度に直接影響し、複数の結果を招きます：

• 走行速度低下が必要になる場合がある
• 切断・溶接プロセスでの加工部品品質が低下する可能性がある
• 生産時間と電力消費が増加し、高価なプロセスガス需要も増える可能性がある
• 熱影響部（HAZ）が拡大し、矯正、デバーリング、研磨など事後仕上げが増える。特定状況では、検知されない製品品質低下が強度低下を招き、認識後に高コストリコールにつながる可能性がある

これら技術的効果はコストと持続可能性に不可避的に大きな打撃を与えます。加工点でのビーム品質偏差が大きいほど、エネルギーとプロセスガスにより多く費やされます。

効率的出力測定

これら明確な相関にもかかわらず、批評家はレーザービーム測定が高コストで機器が脆弱だと主張しがちです。しかし産業用途に最適化された新技術が利用可能です。

例えばMKS Instrumentsは最近、幅広いレーザー用途をカバーするだけでなく、非常に小型・コンパクト・堅牢な新パワーゲージを発表しました。Ophir Arielは、エネルギーの迅速測定に基づき最大8kWレーザー出力を測定します。連続モードでも最大500Wまで測定可能。異なる波長域（440-550nm、900-1100nm、10.6μm、2.94μm）を一台でキャリブレーション・測定可能。付属ディフューザーを簡単に取り付ければ、ビーム径が小さい時のような高出力密度でも動作します。

レーザー測定が使用される産業現場を考慮すると、システム設計は堅牢であるべきです。耐衝撃、防塵、防滴、水冷・空冷不要が望ましいです。これによりアディティブ製造やロボットセルでよく必要とされる密閉構築チャンバー内測定が可能になります。測定値はBluetooth経由でアプリまたはPCで読み取り可能、高解像度ディスプレイに直接表示、または内部メモリに保存しUSB-Cインターフェースで転送可能。開発者、オペレーター、サービス技術者がこのようなコンパクト機器でレーザー出力を迅速に決定し、プロセス品質の第一印象を得られます。

自動化プロセス

自動レーザー生産システムでの性能測定には、水冷不要でコンパクト・堅牢なシステムも利用可能です。これらシステムはレーザービームを迅速・確実に測定し、適切ネットワークインターフェース経由でデータを中央データストレージシステムに送信します。標準RS232インターフェースを含みます。Ophir Helios Plusのようなよりモダンなシステムには、ProfinetまたはEthernet/IPインターフェースもあります。熱測定法を用い、数秒で10kW以上のレーザー出力を測定可能です。

電池パック溶接や燃料電池製造のような非常に複雑なプロセスでも、レーザー出力のプロアクティブ測定は高速かつ高精度に実現可能です。ただし、レーザー出力測定はより複雑なプロセスへの第一歩しか提供しないことに注意すべきです。

レーザービームコースティクスについて信頼できる結論を導くには、カメラベース測定システムまたは非接触測定法が必要です。図3左は、決定されたビームプロファイルにより焦点位置を見つけるためにZ軸に沿って移動しなければならないカメラベース測定デバイスを示します。したがって焦点位置の急速な変化検出は困難です。右は非接触測定技術の概略で、ビームコースティクス全体が一度に記録されることを示します。ここでは焦点位置変化が即座に現れ、空間的・時間的に解決されます。

特に自動生産分野では、レーザービーム非接触測定が明るい未来を持つことが証明されています。ギアボックス製造や電池パック製造のようなセンシティブな領域では、新製品が単一システムで複数測定手法を組み合わせています。Ophir BeamWatch Integratedシステムでは、例えば非接触測定技術でビームコースティクスを記録、水冷測定ヘッドで高出力レーザー出力を測定、測定データを統合インターフェース（Profinet、Ethernet/IP、CC-Link、GigE）経由で生産ネットワークに伝達。異なる溶接ヘッドとパラメータもテスト可能。ビデオフレームレートでビームを取得することで、焦点シフトをニアリアルタイムで検出可能です（図4参照）。ここでは汚れた保護窓が焦点シフトの原因でした。

より高い持続可能性

レーザーシステムは多様な複雑製造プロセスの中核です。測定技術の新革新により、メーカーとユーザーはレーザービームをプロアクティブに測定する幅広いオプションを得ました。主要レーザーパラメータを迅速かつ正確に記録・調整できます。これによりプロセスが最適条件下で実行され、浪費エネルギーと材料による追加コストがなく、製造製品が最高品質要求を満たすことが保証されます。レーザー向け測定技術は、持続可能な生産に大きく貢献します。

本記事は、Ophir（ユタ州ノースローガン）ビジネス開発ディレクターChristian Dini氏によって執筆されました。詳細については、こちらをご覧ください。