Lasery są obecnie wykorzystywane niemal w każdym aspekcie produkcji motoryzacyjnej. Stosuje się je na wszystkich etapach łańcucha dostaw, od dostawców komponentów i materiałów trzeciego rzędu po największych światowych producentów OEM.
Lasery mają obecnie znacznie szersze zastosowanie niż tylko spawanie. Oprócz montażu konstrukcji wspomagają one produkcję baterii, produkcję elektroniki mocy, przygotowanie powierzchni, identyfikowalność oraz szereg innych zastosowań, które jeszcze dziesięć lat temu nie istniały.
W niniejszym artykule przedstawiono ogólny zarys zastosowania laserów we współczesnej produkcji motoryzacyjnej. Podkreślono również wyjątkowe cechy obróbki laserowej – czynników, które sprawią, że lasery pozostaną w czołówce, gdy branża będzie zmierzać w kierunku większej precyzji, większej automatyzacji i szybkiego rozwoju e-mobilności.
Co jest takiego wyjątkowego w laserach?
Wiele branż boryka się obecnie z tymi samymi podstawowymi wyzwaniami. Muszą one dostarczać produkty o wyższej precyzji, lepszej jakości, mniejszych rozmiarach i niższym zużyciu energii. Na poziomie produkcji muszą również sprostać wyższym wymaganiom dotyczącym wydajności, bardziej rygorystycznym wymogom w zakresie zrównoważonego rozwoju oraz nieustannemu naciskowi na obniżanie kosztów.
Lasery stały się tak powszechnie stosowanymi narzędziami produkcyjnymi, ponieważ często wspierają wszystkie te cele w sposób bardziej spójny niż alternatywne procesy mechaniczne, termiczne i chemiczne. Jest to prawdą, ponieważ:
Lasery są bezkontaktowe: dzięki braku zużycia narzędzi i przyłożonej siły procesy laserowe pozostają niezmienne w czasie.
Lasery charakteryzują się wysoką selektywnością przestrzenną: wiązkę lasera można skupić do rozmiarów mikronów lub rozszerzyć tak, aby obejmowała powierzchnię kilku metrów kwadratowych, co pomaga systemom i operatorom skierować energię tylko tam, gdzie jest to konieczne.
Lasery są spójne i jasne: wysoka gęstość mocy umożliwia głębokie spawanie penetracyjne, szybkie cięcie, czyste nacięcia i minimalne strefy wpływu ciepła.
Lasery są wydajne: Lasery zamieniają prąd w energię optyczną z wysoką wydajnością, a potem przekazują tę energię do materiałów bez większych strat, zmniejszając ilość ciepła i potrzebę dalszej obróbki.
Lasery można łatwo zautomatyzować: niemal każdy parametr wyjściowy lasera można regulować zdalnie w czasie rzeczywistym. Umożliwia to realizację złożonych receptur procesowych i szybkie zmiany.
Lasery mogą być używane do obróbki wielu materiałów: ta sama platforma laserowa często może obrabiać stal, aluminium, miedź, stopy niklu, stale powlekane, tworzywa sztuczne, kompozyty i ceramikę.
Lasery wspierają zaawansowane monitorowanie i sterowanie w pętli zamkniętej: Informacje zwrotne dotyczące procesu – od prostych odczytów mocy po pomiary głębokości spoiny w linii produkcyjnej – umożliwiają zautomatyzowaną kontrolę lasera, pomagając osiągnąć doskonałą spójność między poszczególnymi jednostkami.
Teraz przyjrzyjmy się obszarom, w których lasery mają największy wpływ na produkcję samochodów.
Karoseria
W latach 70. lasery po raz pierwszy znalazły zastosowanie w produkcji samochodów, a od tego czasu ich rola tylko się zwiększyła. Obecnie są one rutynowo wykorzystywane do szybkiego spawania, przycinania i produkcji dostosowanych do potrzeb elementów.
Spawanie laserowe jest korzystne, ponieważ charakteryzuje się tworzeniem wąskich, głębokich spoin przy minimalnym dopływie ciepła. Zmniejsza to odkształcenia, poprawia dopasowanie i pozwala zachować ścisłe tolerancje wymiarowe w dużych zespołach.
Niski wkład ciepła jest szczególnie cenny podczas pracy z nowoczesnymi materiałami, w tym stalami o wysokiej i bardzo wysokiej wytrzymałości. Podczas tradycyjnych metod spawania mogą one ulegać wypaczeniu, pękaniu lub utracie swoich unikalnych właściwości mechanicznych. Niski wkład ciepła jest również pomocny podczas łączenia materiałów mieszanych, których różne właściwości termiczne i charakterystyka topnienia sprawiają, że są one podatne na odkształcenia lub pękanie podczas spawania konwencjonalnego.
Lasery umożliwiają również ciągły, nieprzerwany ruch dzięki spawaniu w locie i głowicom skanującym zamontowanym na robotach. Pozwala to producentom wyeliminować opóźnienia związane z zatrzymywaniem i uruchamianiem oraz zwiększyć wydajność.
Ponieważ procesy laserowe są czyste, spójne i powtarzalne, zmniejszają one ilość przeróbek i obciążenia związane z kontrolą końcową. W połączeniu z monitorowaniem głębokości spoiny i położenia szwu, lasery zapewniają producentom OEM wysokiej jakości metodę łączenia, którą można łatwo zintegrować z nowoczesnymi zautomatyzowanymi warsztatami blacharskimi.
Elementy układu napędowego i podwozia
Lasery odgrywają również coraz większą rolę w produkcji elementów układu napędowego i podwozia, gdzie precyzja i powtarzalność mają bezpośredni wpływ na osiągi, trwałość i bezpieczeństwo pojazdu. Wiele z tych części – obudowy skrzyni biegów, obudowy jednostek napędowych, płyty chłodzące, wsporniki montażowe i elementy zawieszenia – charakteryzują się złożoną geometrią i różną grubością materiałów.
Wszystkie te zastosowania spawalnicze korzystają z precyzyjnej kontroli temperatury zapewnianej przez lasery. Precyzyjna kontrola nad dopływem ciepła pomaga uzyskać mocne, jednolite połączenia przy minimalnym odkształceniu, pomagając producentom zachować wyrównanie i integralność mechaniczną części, które pracują pod ciągłym obciążeniem.
Niedawno opracowane konfiguracje włóknowy dwuwiązkowych włóknowy jeszcze bardziej zwiększają te zalety, umożliwiając spawanie odlewów i elementów obrabianych bez rozprysków – obszar zastosowań, w którym niegdyś dominowały lasery CO₂. Lasery dwuwiązkowe zapewniają czysty i stabilny proces, co jest szczególnie ważne w przypadku zespołów zawierających smary, łożyska lub precyzyjne powierzchnie, które muszą pozostać wolne od zanieczyszczeń.
Produkcja akumulatorów do pojazdów elektrycznych
W żadnej innej dziedzinie zastosowanie lasera nie rozwinęło się szybciej – ani nie odegrało bardziej kluczowej roli – niż w produkcji akumulatorów do pojazdów elektrycznych. Ogniwa, moduły i zestawy akumulatorów wymagają precyzyjnego, powtarzalnego łączenia elementów miedzianych, aluminiowych i niklowych. Wszystkie te materiały są niezwykle trudne do spawania przy użyciu tradycyjnych procesów.
Lasery zapewniają ścisłą kontrolę temperatury niezbędną do tworzenia mechanicznie wytrzymałych połączeń elektrycznych o niskiej rezystancji. Robią to bez uszkadzania pobliskich folii separacyjnych, klejów lub warstw izolacyjnych. Umożliwiają szybkie spawanie wyprowadzeń do szyn zbiorczych, spawanie folii oraz precyzyjne cięcie kolektorów prądu przy minimalnym powstawaniu zadziorów lub zanieczyszczeń.
Konfiguracje włóknowy i wibracyjnego są tutaj ponownie niezbędne. Ich zastosowanie ogranicza rozpryskiwanie i minimalizuje porowatość. Zapewnia to stałą jakość połączeń w tysiącach połączeń na opakowanie.
Innowacje w zakresie optycznego monitorowania na linii produkcyjnej dodatkowo poprawiają jakość procesu, zapewniając weryfikację głębokości spoiny, położenia szwu i spójności w czasie rzeczywistym. Wszystko to daje producentom pojazdów elektrycznych skalowalny, wysokowydajny proces tworzenia ogniw, modułów i struktur pakietów, które stanowią serce nowoczesnej elektromobilności.
Silniki elektryczne
Obróbka laserowa jest cenna w produkcji silników trakcyjnych do pojazdów elektrycznych, zwłaszcza tych opartych na konstrukcjach z uzwojeniami typu „hairpin”. Ich miedziane przewodniki muszą być precyzyjnie oczyszczone, ukształtowane i zespawane, aby zminimalizować opór elektryczny i spełnić rygorystyczne tolerancje mechaniczne w ostatecznie zmontowanym uzwojeniu.
Lasery są często wykorzystywane jako pierwsze do czystego i precyzyjnego usuwania izolacji emaliowanej. Pozwalają one odsłonić miedź bez kontaktu mechanicznego, deformacji lub uszkodzeń termicznych. Trudno jest osiągnąć takie wyniki przy użyciu metod ściernych lub chemicznych.
Aby stworzyć ostateczne połączenia elektryczne, spawanie laserowe tworzy mocne połączenia o minimalnym rozprysku i minimalnym dopływie ciepła. Chroni to pobliską izolację, laminaty i materiały epoksydowe. Podwójna wiązka – a w szczególności implementacje wiązki wahadłowej – dodatkowo poprawiają wypełnianie szczelin i spójność spawania, zapewniając jednolitą wydajność w tysiącach spinek do włosów.
Wnętrze i wykończenie
Lasery wspierają różnorodne operacje związane z wykończeniem wnętrz i tapicerką. Są one przydatne w tym przypadku, ponieważ łączą w sobie precyzję i szybkość, a często zapewniają również lepszy efekt kosmetyczny. Wiele elementów z tworzyw sztucznych, tkanin, kompozytów i elementów powlekanych – zwłaszcza tych widocznych dla konsumenta – wymaga czystych cięć, dokładnych perforacji lub wzorów otworówlub elementów dekoracyjnych.
Narzędzia mechaniczne mają trudności z tworzeniem takich krawędzi bez powodowania chropowatości lub deformacji. Lasery zapewniają gładkie, powtarzalne krawędzie przy minimalnym wpływie termicznym. Poprawia to wygląd i zmniejsza potrzebę dalszej obróbki w celu przywrócenia estetycznego wyglądu. Ich zdolność do cięcia skomplikowanych konturów sprawia, że idealnie nadają się do otworów w panelach instrumentów, okienek czujników, kratek głośników i estetycznych perforacji.
Znakowanie laserowe, a zwłaszcza znakowanie dzienne/nocne, jest stosowane w całym wnętrzu samochodu. Jest to idealne rozwiązanie dla podświetlanych przycisków, przełączników i elementów wykończeniowych, które wymagają atrakcyjnych, dobrze czytelnych, a czasem złożonych oznaczeń. Ponieważ nie wymaga użycia narzędzi i jest kompatybilne z szeroką gamą materiałów, znakowanie laserowe ułatwia szybką zmianę opcji i przełączanie wariantów bez konieczności ponownego przezbrajania.
Identyfikowalność i oznakowanie zgodności
Pożądane właściwości znakowania laserowego sprawiły, że jest ono szeroko stosowane w aplikacjach związanych z identyfikowalnością w przemyśle motoryzacyjnym. Najważniejszą z nich jest brak kontaktu lub zużycia narzędzi, co eliminuje ryzyko zniekształcenia delikatnych powierzchni. Ponadto, ponieważ lasery mogą generować znaki zarówno bardzo małe, jak i duże, nadają się one do wszystkich zastosowań, od mikro-serializacji po duże, kontrastowe identyfikatory.
Możliwość sterowania znakowaniem laserowym za pomocą oprogramowania pozwala na seryjne znakowanie lub zmiany treści znakowania w locie, bez konieczności ponownego ustawiania narzędzi. A ponieważ lasery działają na metalach, tworzywach sztucznych, powłokach i kompozytach, jedna platforma może znakować wiele materiałów używanych w pojazdach.
Niektóre z kluczowych zastosowań znakowania obejmują elementy układu hamulcowego, moduły poduszek powietrznych i elementy mocujące konstrukcji. Wymagają one trwałych, nieusuwalnych oznaczeń, które są odporne na wysoką temperaturę, płyny i wibracje przez cały okres eksploatacji pojazdu. Elementy elektroniczne i obudowy, w tym jednostki sterujące, czujniki i moduły zasilające, wymagają oznaczeń, które nie uszkadzają elementów wewnętrznych ani nie naruszają uszczelnień. W całym łańcuchu dostaw serializacja i kodowanie matrycowe danych ułatwiają śledzenie części, kontrolę wariantów oraz zapewnienie zgodności z wymogami branżowymi i regulacyjnymi.
Czyszczenie powierzchni
Lasery są coraz częściej wykorzystywane do przygotowania powierzchni, gdy ważna jest ścisła kontrola głębokości usuwania materiału i zachowanie struktur leżących pod spodem. Czyszczenie laserowe zapewnia to poprzez usuwanie rdzy, tlenków, klejów i farby bez kontaktu mechanicznego lub środków ściernych. Proces ten odsłania czystą, jednolitą powierzchnię, unikając jednocześnie zniekształceń, uszkodzeń podłoża lub niespójnych wyników, które mogą wystąpić podczas śrutowania lub szlifowania.
Niski dopływ ciepła pozwala zachować właściwości otaczających materiałów, co jest istotne podczas przygotowywania elementów do spawania lub klejenia. Lasery mogą nawet nadawać powierzchniom kontrolowane wzory tekstury w celu poprawy przyczepności lub zwiększenia zwilżalności. Ponieważ proces ten jest programowalny, producenci mogą stosować te zabiegi w określonych obszarach bez konieczności maskowania lub mocowania.
Utwardzanie powłok proszkowych
Wykorzystanie systemów laserowych diodowych dużej mocy do utwardzania powłok proszkowych dopiero zaczyna się upowszechniać. Wynika to z faktu, że utwardzanie laserowe ma kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi piecami konwekcyjnymi lub lampami podczerwieni.
Ponieważ lasery zapewniają lokalne ogrzewanie, tylko pokryte obszary osiągają temperaturę topnienia i płynięcia. Wąskopasmowe światło lasera podczerwonego jest silnie absorbowane przez cząsteczki proszku, co poprawia wydajność utwardzania i minimalizuje ogrzewanie objętościowe części znajdującej się pod spodem. Wydajność konwersji elektrycznej laserów diodowych jest również znacznie wyższa niż w przypadku innych źródeł podczerwieni, co oznacza, że większa część mocy wejściowej jest wykorzystywana bezpośrednio do utwardzania, a nie tracona w postaci nadmiaru ciepła.
Wszystkie te cechy sprawiają, że utwardzanie laserowe jest znacznie szybsze i bardziej energooszczędne niż inne metody. Ponadto utwardzanie laserowe powłok proszkowych nadaje się do kontroli procesu na linii produkcyjnej, zapewniając bardzo spójne wyniki.
Rozpoczęcie pracy z rozwiązaniem laserowym
Chociaż obróbka laserowa oferuje wiele korzyści, najlepsze i najbardziej opłacalne wyniki dla konkretnego zastosowania można uzyskać najłatwiej dzięki współpracy z doświadczonym dostawcą rozwiązań laserowych.
Opracowujesz lub optymalizujesz proces produkcji samochodów? Projekty motoryzacyjne często rozpoczynają się w naszych laboratoriach aplikacyjnych, gdzie pomagamy opracowywać, weryfikować i optymalizować procesy przed ich wdrożeniem i skalowaniem w produkcji. Wraz z rozwojem wymagań motoryzacyjnych firma IPG pozostaje zaangażowanym partnerem w zakresie niezawodnych, wysokowydajnych rozwiązań laserowych.
