Zapewnienie wysokiej jakości procesu mikroobróbki laserowej wiąże się z licznymi wyzwaniami – opóźnieniami, znacznym nakładem pracy i koniecznością stosowania skomplikowanych metod kontroli. W przypadku struktur o rozmiarach mikro- i submikronowych standardowa kontrola jakości wymaga czasochłonnych badań mikroskopowych. Nie tylko wydłuża to czas produkcji, ale także generuje dodatkowe koszty i ryzyko opóźnień.

Odpowiedzią na te trudności jest innowacyjne rozwiązanie opracowane przez Instytut Fraunhofera ds. Technologii Materiałowych i Wiązkowych (Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik – Fraunhofer IWS) w Dreźnie – moduł monitorowania akustycznego, który w czasie rzeczywistym analizuje dźwięki powstające podczas obróbki laserowej. System ten pozwala na natychmiastową ocenę jakości procesu, wykrywając i wizualizując wszelkie anomalie bez potrzeby wyjmowania detalu z maszyny. Dzięki temu możliwa jest szybka reakcja na ewentualne nieprawidłowości, co znacząco usprawnia produkcję i minimalizuje ryzyko powstawania wad.

Nowy moduł monitorujący nie tylko analizuje fale dźwiękowe generowane podczas mikroobróbki – umożliwia także natychmiastową wizualizację potencjalnych odchyleń od prawidłowego przebiegu procesu. Takie podejście eliminuje konieczność stosowania złożonych technik mikroskopowych na każdym etapie produkcji, co przekłada się na oszczędność czasu i zasobów. 

Nowoczesne moduły monitorujące są już gotowe do wdrożenia i zostały oficjalnie zaprezentowane podczas targów Laser World of Photonics 2025 w Monachium. Co istotne, technologia ta jest obecnie rozwijana także pod kątem zastosowań w spawaniu i cięciu laserowym, co otwiera nowe perspektywy dla przemysłowej kontroli jakości w szerokim zakresie procesów laserowych.

Akustyka cennym źródłem danych dzięki AI

Istotną rolę w akustycznym monitorowaniu procesów laserowych odgrywa sztuczna inteligencja, czyniąc akustykę cennym źródłem danych do oceny jakości w czasie rzeczywistym. System opracowany przez Fraunhofer IWS wykorzystuje wytrzymałe mikrofony półprzewodnikowe, które rejestrują emisje dźwięku generowane podczas obróbki. Sygnały te są następnie analizowane przez lokalną jednostkę ewaluacyjną i zaawansowaną sieć neuronową, wytrenowaną na rzeczywistych danych jakościowych.

System rozbija sygnały akustyczne na poszczególne zakresy częstotliwości i wyodrębnia z nich kluczowe parametry, takie jak amplituda, czas trwania czy kształt impulsu. Te dane trafiają do algorytmów AI, które niezawodnie klasyfikują stan procesu – mogą określić, czy przebiega on stabilnie, czy pojawiają się odchylenia od normy, a nawet wykryć poważne wady. 

Co istotne, informacja zwrotna trafia do operatora natychmiast, bez konieczności stosowania dodatkowych czujników. Pozwala to więc na szybką reakcję i bieżącą kontrolę jakości.

Jedną z najbardziej innowacyjnych funkcji tego rozwiązania jest tzw. obrazowanie akustyczne. System generuje dwuwymiarową mapę powierzchni obrabianego elementu, bazując wyłącznie na przestrzennym rozkładzie emisji dźwięku. Taka „mapa akustyczna” pozwala wizualizować nieprawidłowości, takie jak zanieczyszczenia, niewspółosiowość czy nierównomierna ablacja – bez potrzeby stosowania innych narzędzi pomiarowych czy pobierania próbek do laboratorium. Dzięki temu możliwa jest szybka identyfikacja problemów bezpośrednio przy maszynie.

Jak podkreślają twórcy tego systemu, celem było stworzenie rozwiązania, które umożliwi ocenę jakości procesu bezpośrednio na linii produkcyjnej, eliminując konieczność pobierania próbek, wysyłania ich do oddzielnych laboratoriów i przeprowadzania czasochłonnych pomiarów laboratoryjnych. Analiza akustyczna nie zastępuje wprawdzie całkowicie inspekcji mikroskopowej, ale stanowi solidne i ekonomiczne narzędzie do bieżącej kontroli jakości każdej pojedynczej części. Tym samym może znacząco usprawniać procesy produkcyjne i ograniczać ryzyko powstawania wad.

System gotowy do wdrożenia

Nowoczesny system monitorowania akustycznego jest już gotowy do zastosowań przemysłowych i czeka na pierwszych użytkowników. Jego kluczową funkcją jest generowanie dwuwymiarowego obrazu ustrukturyzowanej powierzchni obrabianego komponentu, bazującego na przestrzennym rozkładzie emisji dźwięku. Ten „obraz akustyczny” można porównać do tradycyjnych nagrań powierzchni, jednak bez wspomnianej już wcześniej konieczności stosowania dodatkowych technologii pomiarowych.

System monitorowania akustycznego wyróżnia się nie tylko zaawansowaną technologią, ale także przystępną ceną i łatwością integracji z istniejącymi liniami produkcyjnymi. Moduł monitorujący jest dostępny jako rozwiązanie typu plug-and-play, co oznacza, że może być szybko i bezproblemowo wdrożony w środowisku przemysłowym. Wyposażony w standardowe interfejsy Ethernet nie wymaga połączenia z zewnętrzną chmurą i jest kompatybilny ze standardowymi sterownikami maszyn.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Testy, pomiary i badania

Monitorowanie pracy maszyn

Dominującym trendem w procesach produkcyjnych staje się automatyzacja, której właściwe wdrożenie w dużych przedsiębiorstwach wymaga sprawnego systemu monitorowania zarówno całej produkcji, jak i pracy poszczególnych maszyn.

Utrzymanie ruchu

Monitorowanie stanu technicznego maszyn

Dyspozycyjność, trwałość, niezawodność i sposób eksploatacji maszyn i urządzeń będących na wyposażeniu linii technologicznej przedsiębiorstwa produkcyjnego mają bardzo duży wpływ na ekonomiczność procesu wytwarzania. Znaczne straty producenta wynikające z postojów i usuwania nieprzewidzianych usterek są pochodną czynników eksploatacyjnych, użytkowych i zewnętrznych. 

Dzięki modułowej konstrukcji i wykorzystaniu półprzewodnikowych komponentów koszty systemu są znacznie niższe niż w przypadku tradycyjnych rozwiązań do monitorowania akustycznego. To sprawia, że precyzyjna kontrola jakości w trybie in-line staje się dostępna nawet dla produkcji o niewielkich wolumenach. 

Jak podkreśla Tobias Steege, kierownik grupy  ds. inżynierii systemów i czujników z Fraunhofer IWS, system działa od razu po wyjęciu z pudełka – bez potrzeby specjalistycznego sprzętu czy zewnętrznego łącza danych. Wystarczy połączenie sieciowe z maszyną. Choć analiza akustyczna nie zastąpi mikroskopowej kontroli powierzchni, zapewnia solidną i ekonomiczną kontrolę jakości każdego pojedynczego komponentu.

Dzięki temu rozwiązaniu przemysł może liczyć na znaczne usprawnienie procesów kontroli jakości podczas obróbki laserowej. Przekłada się to na zwiększenie efektywności produkcji oraz redukcję kosztów, które wiążą się z wykrywaniem i eliminacją wadliwych elementów.

Fraunhofer IWS

Moduł monitorowania akustycznego analizuje emisję dźwięku podczas obróbki laserowej, ocenia jakość w czasie rzeczywistym i wizualizuje nieprawidłowości – bez konieczności wyjmowania przedmiotu obrabianego z maszyny.

Rozwój akustycznego monitorowania procesów produkcyjnych

Podwaliny pod rozwój akustycznego monitorowania podczas obróbki laserowej zostały położone dzięki kilku projektom finansowanym ze środków publicznych – m.in. unijnego projektu SYNTECS i niemieckiej inicjatywy Medius. Instytut Fraunhofera IWS wdrożył już w pełni funkcjonalny demonstrator systemu, kładąc szczególny nacisk na jego zastosowania przemysłowe.

Fraunhofer IWS oferuje partnerom przemysłowym możliwość testowania systemu w warunkach pilotażowych lub integracji jako komponentu OEM, co pozwala na elastyczne wdrożenie technologii w różnych środowiskach produkcyjnych. 

Tobias Steege podkreśla, że monitorowanie akustyczne ma ogromny potencjał w wielu branżach – od precyzyjnej strukturyzacji powierzchni po zaawansowane procesy spawania. Kluczem do sukcesu jest połączenie zaawansowanej technologii czujników z inteligentnym oprogramowaniem, które zostało zaprojektowane z myślą o codziennym, przemysłowym zastosowaniu.

Akustyczną analizę będzie można stosować nie tylko w przypadku mikroobróbki laserowej. Jak przekonują niemieccy naukowcy, system ten będzie można z powodzeniem zastosować także np. w procesach spawania czy cięcia laserowego. Te procesy również generują skomplikowane sygnały akustyczne i optyczne, które bezpośrednio odzwierciedlają jakość spoin czy krawędzi cięcia.

W przyszłości planowane jest rozszerzenie zastosowań monitorowania procesów laserowych opartych na czujnikach na jeszcze szerszy zakres przemysłowych aplikacji – co może znacząco poprawić kontrolę jakości i efektywność produkcji w wielu sektorach.

--------
W artykule wykorzystano materiały Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Materiałowych i Wiązkowych (IWS).