Ombouw en realisatie van lasersnijmachine met adaptieve optiek

Ombouw en realisatie van lasersnijmachine met adaptieve optiek Pieter Dewaegeneere

Promotoren: prof. dr. Michael Monte, dhr. Thierry De Vleeschouwer Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica

Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014

Voorwoord In deze masterproef wordt het onderzoek om adaptieve optieken in te bouwen in een CO2-lasersnijmachine omschreven. Deze masterproef is uitgevoerd bij LVD Company nv te Gullegem en ik wil dan ook op de eerste plaats mijn oprechte dank betuigen aan LVD Company nv. Ik heb hier de kans gekregen om mijn onderzoek te voeren in optimale omstandigheden, en ik heb de mogelijkheid gekregen om ervaring op te doen in een techniek waar ik vooraf minimale kennis over had. Binnen het bedrijf wil ik zeker mijn promotor ir. Thierry De Vleeschouwer bedanken, die mij gedurende deze intense periode begeleid en ondersteund heeft. Daarnaast wil ik alle mensen van het studiebureau bedanken voor de ondersteuning die men mij het voorbije jaar heeft geboden. Verder wil ik ook de mensen van het democenter en de mensen van de productie oprecht bedanken voor de praktische hulp bij de verschillende proefopstellingen. Vervolgens wil ik de mensen van FANUC en II-VI bedanken. Hun expertise op het vlak van lasertechnologie en optiek heeft me meer inzicht gegeven in deze complexe materie en heeft mijn interesse dan ook sterk laten groeien. Tot slot wil ik Universiteit Gent bedanken, en dan vooral mijn dank betuigen aan mijn promotor prof. dr. Michael Monte, voor de ondersteuning en begeleiding tijdens het jaar. Bedankt aan iedereen die op één of andere wijze geholpen heeft bij het welslagen van deze masterproef. Pieter Dewaegeneere

I

Abstract At a CO2-lasercutting machine with flying optics, the laser source is placed at a fixed position next to the machine. The laser beam, which is generated by the CO2-laser source, is transported to the lens by means of mirrors. The lens focuses the laser beam in order to be able to cut into the material. If the cutting head travels above the working space, the diameter of the beam will change as a result of the divergence of the laser beam. So the diameter and curvature of the laser beam on the lens is also changing. This is detrimental to the cutting quality. At the current CO2-lasercutting machines of LVD, the optical path is kept constant by use of an extra axis where mirrors are moving along with the cutting head. This compensation axis keeps the distance between the laser source and the cutting head constant and ensures the cutting quality. Adaptive optics are mirrors in which the curvature of the mirror can be changed. By applying adaptive optics in the optical path of the laser beam, the laser beam can be controlled. This optical technique gives the opportunity to change the divergence and the diameter of the laser beam. With two adaptive optics, there is the possibility to control the beam completely. Because of this technique, the compensation axis can be eliminated. For cutting different sheet thicknesses, the diameter of the focused beam needs to be changed after the lens. Until today, they must change the lens in the cutting head. Adaptive optics give the possibility to simulate other lenses by changing the curvature of the optics. So there is no need to change lenses on a system with adaptive optics. During this thesis there was also a profound investigation of reliability of the system with adaptive optics. Conclusion: adaptive optics have much more advantages than the current system with compensation axis. However, there must be more attention for the reliability of the system.

II

Inhoudsopgave Voorwoord .............................................................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................................................. II Inhoudsopgave ....................................................................................................................................................... III Gebruikte symbolen en afkortingen ....................................................................................................................... V Lijst van figuren, tabellen en grafieken .................................................................................................................. VI 1. Inleiding..................................................................................................................................................... 1 1.1. Bedrijfsvoorstelling ................................................................................................................................... 1 1.1.1. Algemeen .................................................................................................................................................. 1 1.1.2. Activiteiten ................................................................................................................................................ 1 1.2. LVD lasersnijmachines............................................................................................................................... 2 1.3. Adaptieve optiek ....................................................................................................................................... 2 1.4. Onderzoeksvraag ...................................................................................................................................... 3 2. Lasertechnologie ....................................................................................................................................... 4 2.1. CO2-laserbron ............................................................................................................................................ 4 2.2. Lasereigenschappen .................................................................................................................................. 5 2.2.1. Gaussische energieverdeling..................................................................................................................... 7 2.2.2. Bundelpropagatie...................................................................................................................................... 8 2.2.3. Lenzen ....................................................................................................................................................... 9 2.2.4. Spiegels met kromming............................................................................................................................. 9 3. Lasersnijden ............................................................................................................................................ 11 4. Adaptieve optieken ................................................................................................................................. 13 4.1. Gebruikte adaptieve optieken ................................................................................................................ 13 4.2. Controlemetingen adaptieve optieken ................................................................................................... 14 5. Hydraulische aansturing.......................................................................................................................... 18 5.1. Dimensioneren van de pomp .................................................................................................................. 18 5.1.1. Leidingverliezen ...................................................................................................................................... 18 5.2. Drukval over adaptieve optiek ................................................................................................................ 19 5.2.1. Drukval creëren door verliezen in leiding ............................................................................................... 20 5.2.2. Drukval creëren door smoring ................................................................................................................ 21 5.3. Additionele verliezen .............................................................................................................................. 23 5.4. Keuze pomp ............................................................................................................................................ 23 5.5. Controlemeting ....................................................................................................................................... 23 6. Posities en instelwaarden ....................................................................................................................... 24 6.1. Richtwaarden .......................................................................................................................................... 24 6.2. Keuze adaptieve optieken ....................................................................................................................... 25 6.3. Inbouwposities ........................................................................................................................................ 25 7. Stabiliteit ................................................................................................................................................. 27 7.1. Optische weg........................................................................................................................................... 27 7.1.1. CO2-gehalte ............................................................................................................................................. 27 7.1.2. Stikstof .................................................................................................................................................... 27 7.2. Laserbron ................................................................................................................................................ 28 7.2.1. Variatie in M² .......................................................................................................................................... 28 7.2.2. Variatie in beginradius ............................................................................................................................ 30 7.2.3. Variatie in initiële kromming ................................................................................................................... 31

III

7.3. Adaptieve optieken ................................................................................................................................. 32 7.3.1. Drukvariaties ........................................................................................................................................... 32 7.3.2. Uitlijning .................................................................................................................................................. 35 8. Kostenraming .......................................................................................................................................... 36 8.1. Systeem met compensatie - as ............................................................................................................... 36 8.2. Systeem met adaptieve optieken ........................................................................................................... 36 8.3. Besluit ..................................................................................................................................................... 36 9. Veiligheid ................................................................................................................................................ 37 9.1. Veiligheidsklasse ..................................................................................................................................... 37 9.2. Veiligheidsmaatregelen .......................................................................................................................... 37 10. Besluit ..................................................................................................................................................... 38 11. Literatuurlijst ........................................................................................................................................... 40 Bijlage 1: Marktonderzoek .................................................................................................................................... 42 Bijlage 2: Datasheet druksensor............................................................................................................................ 49 Bijlage 3: Moody diagram ..................................................................................................................................... 50 Bijlage 4: Leidingen ............................................................................................................................................... 51 Bijlage 5: Datasheet pomp .................................................................................................................................... 52 Bijlage 6: Instelwaarden ........................................................................................................................................ 58

IV

Gebruikte symbolen en afkortingen A c ca d0 df dm dorifice D Dtoevoer optiek e f fwr g hf I k L m M² pdamp pmax pmax orifice Q Qmax q Re Rin Rout R(z) ROC T TEM v vmax w0 wf wl wm w(z) z zr λ

Ɋ ɏ

doorsnede van de leiding (m²) warmtecapaciteit (J/kgK) cavitatiefactor (geen eenheid) afstand van waist tot lens (mm) focusafstand (mm) afstand van waist tot spiegel (mm) diameter smoring (mm) binnendiameter leiding (m) toevoerdiameter (mm) ruwheid (m) brandpuntsafstand lens (mm) wrijvingsfactor (geen eenheid) aardversnelling (m/s²) drukverlies (m) intensiteit (W/m²) k-factor smoring (geen eenheid) leidinglengte (m) massahoeveelheid (kg/s) bundelproduct (geen eenheid) dampdruk water (bar) maximale druk ter hoogte van de adaptieve optiek (bar) maximaal drukval over smoring (bar) warmtestroom (J/s) maximaal debiet (m³/u) vloeistofdebiet (m³/s) Reynoldsgetal (geen eenheid) kromming spiegel (mm) kromming na de spiegel (mm) kromming van de bundel op afstand z van de waist (mm) radius of curvature – kromming temperatuur (K) Transverse Electro Magnetic vloeistofsnelheid (m/s) vloeistofsnelheid bij maximaal debiet (m/s) straal van de bundel ter hoogte van de waist (mm) focusradius (mm) radius op lens (mm) waist radius na spiegel (mm) straal van de bundel op afstand z van de waist (mm) afstand volgends de z-as (mm) Rayleigh lengte (mm) golflengte van de laserbron (mm) dynamische viscositeit (Pa.s) massadichtheid (kg/m³)

V

Lijst van figuren, tabellen en grafieken Figuur 1: LVD logo Figuur 2: lasersnijmachine met Compact Tower [1] Figuur 3: fiber-lasersnijmachine [1] Figuur 4: principe laserbron [3] Figuur 5: opwekken laserbundel [3] Figuur 6: polarisatie [4] Figuur 7: invloed van polarisatie [3] Figuur 8: TEM-modes [5] Figuur 9: Gaussische energieverdeling [6] Figuur 10: Bundelpropagatie Figuur 11: radius of curvature [10] Figuur 12: beamfocus door lens [12] Figuur 13: Snijkop [16] Figuur 14: Compensatie-as [1] Figuur 15: adaptieve optieken [18] Figuur 16: invloed convexe optiek Figuur 17: invloed concave optiek Figuur 18: verloop lichtbron Figuur 19: lichtbreking bij lenzen Figuur 20: testopstelling Figuur 21: schematische voorstelling opstelling Figuur 22: CO2 gehalte: 400ppm Figuur 23: CO2 gehalte: 30ppm Figuur 24: simulatie 1: vrije propagatie Figuur 25: opstelling adaptieve optieken Figuur 26: uitlijning Figuur 27: Laserstraling [24] Tabel 1: CO2 versus fiber Tabel 2: Lenzen Tabel 3: Systeem met compensatie-as Tabel 4: Systeem met adaptieve optieken Tabel 5: simulatie 1: vrije propagatie Tabel 6: simulatie 2: adaptieve optieken Tabel 7: simulatie 1: vrije propagatie Tabel 8: simulatie 2: adaptieve optieken Tabel 9: simulatie 1: vrije popagatie Tabel 10: simulatie 2: adaptieve optieken Tabel 11: drukvariatie adaptieve optiek 1 Tabel 12: drukvariatie adaptieve optiek 1 Tabel 13: drukvariatie adaptieve optiek 2 Tabel 14: drukvariatie adaptieve optiek 2 Tabel 15: kostprijs compensatie-as

VI

Tabel 16: kostprijs adaptieve optieken Grafiek 1: testopstelling met adaptieve optiek 1 Grafiek 2: kromming adaptieve optiek 1 Grafiek 3: testopstelling met adaptieve optiek 2 Grafiek 4: kromming adaptieve optiek 2 Grafiek 5: drukverloop constante leidingdiameter Grafiek 6: grotere diameter aanvoerleiding Grafiek 7: leidingsysteem met smoring Grafiek 8: gekozen leidingsysteem Grafiek 9: pompen leidingkarakteristiek Grafiek 10: gewenst bundelverloop Grafiek 11: bundelverloop uiterste posities Grafiek 12: variatie in M² Grafiek 13: variatie in beginradius Grafiek 14: variatie in initiële kromming Grafiek 15: drukvariatie adaptieve optiek 1 Grafiek 16: drukvariatie adaptieve optiek 2

VII

1. Inleiding 1.1.

Bedrijfsvoorstelling

1.1.1. Algemeen ‘LVD Company nv’ werd opgericht in 1952 als ‘LV’ door twee vennoten, dhr. Lefebre en dhr. Vanneste. Dit met de bedoeling om hydraulische persen te produceren. In 1954 ontstond ‘LVD Company nv’ door het aansluiten van een derde partner, dhr. Figuur 1: LVD logo [1] Dewulf. Vandaag is het bedrijf wereldwijd bekend als toonaangevende constructeur van plaatbewerkingsmachines. De hoofdzetel van LVD bevindt zich in Gullegem (België). LVD beschikt over productievestigingen in België, Frankrijk, Verenigde Staten, Slowakije, Roemenië en eigen verkoop- en servicekantoren in meer dan 20 landen. Jaarlijks installeert LVD wereldwijd meer dan 1250 machines. Het succes is gebaseerd op een strategie van voortdurende vernieuwing, kwaliteitsverbetering en klantgerichtheid. De LVD groep realiseert een omzet van meer dan 198.320.000 euro en stelt wereldwijd ongeveer 1250 mensen tewerk.

1.1.2. Activiteiten De hoofdactiviteit van LVD is het bouwen van plaatbewerkingsmachines zoals: ·

Lasersnijmachines

·

Afkantpersen

·

Guillotinescharen

·

Ponsmachines

Naast het produceren van deze machines heeft LVD ook een CAD / CAM systeem ontwikkeld die hulp biedt bij de belangrijkste plaatbewerkingsprocessen. Dit systeem zorgt voor een geoptimaliseerde cyclustijd en werkt volgens het principe ‘Eerste werkstuk – correct werkstuk’. Daarnaast is het als klant ook mogelijk om te kiezen voor een totaal geïntegreerd systeem waarbij automatiseringtoepassingen wordt geïntegreerd op hun machines. Een voorbeeld hiervan is de Compact Tower. Dit is een geautomatiseerde palletstelling. Met deze stelling kunnen automatisch platen gehaald worden en rechtstreeks op de snijtafel worden geplaatst. Ook afgewerkte stukken kunnen op die manier teruggeplaatst worden. Dit zorgt voor een grote tijdswinst en verhoogt de productiviteit. Een voorbeeld van een Compact Tower is terug te vinden in Figuur 2. Figuur 2: lasersnijmachine met Compact Tower [1]

1

1.2.

LVD lasersnijmachines

LVD bouwt 2D lasersnijmachines. Deze worden onderverdeeld in twee types die zich onderscheiden van elkaar door het type bron die ze gebruiken. Het gaat hier over CO 2-lasersnijmachines en fiber-lasersnijmachines. Enkele verschillen tussen beide types wordt weergegeven in Tabel 1. Tabel 1: CO2 versus fiber

Bron Golflengte laserbundel Toepassing Rendement

CO2-lasersnijmachine CO2-laserbron 10,6mm platen tot 25mm 10%

fiber-lasersnijmachine fiber-laserbron 1mm platen tot 5mm 25%

De kleine golflengte bij een fiber-lasersnijmachine maakt deze uiterst geschikt voor het snijden van dunne platen. Een CO2-lasersnijmachine kan door zijn grotere golflengte een groter gamma plaatdiktes gaan snijden. Een ander belangrijk verschil tussen CO2lasersnijmachines en fiber-lasersnijmachines ligt op het gebied van veiligheid. Bij een CO2-laserbron verliest het strooiveld van de laserbundel 1000W per meter aan intensiteit. Het strooiveld is het gebied rond de laserbundel waarbij de intensiteit te laag is om nog gebruikt te kunnen worden om te snijden. Het intensiteitsverlies van het strooiveld bij een fiber Figuur 3: fiber-lasersnijmachine [1] laserbron bedraagt hier slechts 50W per meter. Dit heeft als gevolg dat een fiber-lasersnijmachine volledig dicht moet worden gemaakt uit veiligheidsoverwegingen. Dit drijft de kostprijs sterk naar omhoog. LVD biedt momenteel één fiber-lasersnijmachine aan. Deze is afgebeeld in Figuur 3. Een fiber-lasersnijmachine kan door z’n type laserbron ook dubbel zo snel snijden als een CO 2-lasersnijmachine. Alle types lasersnijmachines van LVD werken via het principe van ‘flying optics’. Bij deze techniek beweegt de lasersnijkop over de snijtafel terwijl de laserbron vast gepositioneerd staat naast de machine. Daarnaast wordt er gebruik gemaakt van een compensatie-as. Deze extra optische compensatie zorgt ervoor dat de optische lengte en zo de eigenschappen van de laserbundel op de lens constant blijven om eenzelfde snijkwaliteit te blijven behouden.

1.3.

Adaptieve optiek

Adaptieve optieken zijn spiegels waarbij de brandpuntsafstand van de spiegel kan gewijzigd worden. Het wijzigen van de brandpuntsafstand gebeurt door de druk achter het spiegeloppervlak te gaan wijzigen. De druk wordt geregeld door middel van een hydraulisch circuit. Hierdoor wordt het mogelijk om de laserbundel te gaan beïnvloeden. Zo kunnen de diameter en de kromming van de bundel geregeld worden. Het doel van adaptieve optieken op een CO2-lasersnijmachine is om de laserbundel te gaan beïnvloeden dat het mogelijk wordt om met één lens verschillende plaatdiktes te snijden, en dit zonder gebruik te maken van een compensatie-as. Tijdens deze masterproef wordt een marktonderzoek gedaan bij de voornaamste concurrenten van LVD. In dit onderzoek wordt gezocht naar CO 2-lasersnijmachines die gebruik maken van adaptieve optieken. De resultaten hiervan zijn terug te vinden in bijlage 1.

2

1.4.

Onderzoeksvraag

In deze masterproef wordt een studie gedaan rond het inbouwen van adaptieve optieken. Het doel hiervan is om de laserstraal met constante eigenschappen te laten invallen op de lens. Hierbij wordt ook onderzoek gedaan naar de haalbaarheid van een “single lens” systeem. Hierdoor kan een breder gamma plaatdiktes gesneden worden met dezelfde lens. Tot op vandaag is dit niet mogelijk. Deze masterproef omvat een theoretisch deel omtrent het dimensioneren van een hydraulisch circuit voor het aansturen van de adaptieve optieken. Daarnaast wordt ook de beste inbouwplaats onderzocht en wordt er onderzocht of het mogelijk is van de diameter van de laserbundel te gaan wijzigen om zo de spotdiameter na de lens te wijzigen. In het praktisch deel van deze masterproef dienen de adaptieve optieken te worden ingebouwd in de machine. Daarnaast wordt een stabiliteitsonderzoek verwacht en controlemetingen. Alsook het snijden van referentiestukken.

3

2. Lasertechnologie Laser staat voor ‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’ of vrij vertaald: ‘lichtversterking door gestimuleerde uitzending van elektromagnetische straling’ [2]. Laserbronnen kunnen ingedeeld worden naargelang: ·

Medium: gas, vaste stof en vloeistof

·

Golflengte: infrarood, zichtbaar of ultraviolet

·

Vermogen: van enkele milliwatt tot enkele duizenden watt

2.1.

CO2-laserbron

In deze masterproef wordt gebruik gemaakt van een CO2-laserbron. Deze gebruikt CO2 als lasergas. De laserstraal heeft een golflengte van 10,6 mm en bevindt zich in het infrarood gebied. Het vermogen van de laserbron, die gebruikt wordt in deze masterproef, is 6 kW. Een laserbron is op te delen in drie belangrijke onderdelen (Figuur 4): ·

resonator

·

medium

·

energiebron

Het medium bij een CO2-laserbron is gasvormig. Het mengsel van 60% Helium, 35% stikstofgas en 5% CO2 wordt lasergas genoemd. De CO2-atomen worden gebruikt om te exciteren. Bij een excitatie wordt een elektron van de atoomkern naar een hoger energieniveau gebracht. Stikstofgas is in dit proces aanwezig om een betere excitatie te hebben van de CO2-atomen. Daarnaast zorgt het ervoor dat de CO2-molecule reeds op het gewenste energieniveau zit om Figuur 4: principe laserbron [3] elektronen te kunnen exciteren. Bij een tekort aan stikstofgas gaat de reactie veel trager omdat eerst energie moet worden toegevoegd om de CO2-atomen op het juiste energieniveau te brengen alvorens deze kunnen worden geëxciteerd. Helium zorgt ervoor dat een stabiele terugval naar het grondniveau van de CO2-molecule verzekerd wordt. Het lasergas zit opgesloten tussen gepolierde spiegels en binnen zogenaamde plasmabuizen. Het opwekken van de laserbundel is schematisch weergegeven in Figuur 5. De atomen bevinden zich in de eerste stap nog in hun grondtoestand (a). Hier heeft het atoom zijn oorspronkelijke, lage energietoestand. Rond de plasmabuizen wordt vervolgens een hoog elektrische veldsterkte opgewekt. Door dit elektrisch veld geraken atomen en moleculen binnen de plasmabuizen één of meerdere elektronen kwijt, dit wordt ionisatie genoemd. Door deze ionisatie ontstaat een plasma. De atomen bevinden zich nu in een geëxciteerde toestand (b) . Deze toestand is onstabiel en zal ertoe leiden dat de elektronen spontaan terugvallen naar hun oorspronkelijke, lage energietoestand. Het terugvallen van de elektronen gaat gepaard met het uitzenden van elektromagnetische straling in de vorm van een foton (c). Hier spreekt men van spontane emissie. Wanneer dit effect op gang wordt gebracht, gaan fotonen op hun beurt botsen tegen reeds geëxciteerde atomen. Zo wordt een lawine-

4

effect veroorzaakt en wordt gesproken over gestimuleerde emissie (d). De vrijgekomen fotonen hebben een constante golflengte. Bij elektronen afkomstig van een CO2-molecule bedraagt de golflengte 10,6 mm. De fotonen bewegen in eerste instantie in willekeurige richting binnen de plasmabuizen. Doordat fotonen constant heen en weer bewegen tussen de eindspiegel en de uitkoppelspiegel (Output Coupler) raken de fotonen georiënteerd. Zo wordt een staande golf van fotonen gecreëerd in de resonator. Zolang energie wordt toegevoerd aan het systeem, wordt deze staande golf in stand gehouden. Deze staande golf wordt de uiteindelijke laserbundel [4]. Als voldoende energie opgebouwd is, wordt de bundel doorgelaten via de uitkoppelspiegel. Dit is mogelijk omdat deze uitkoppelspiegel deels doorlatend is. Via een shutter wordt de opgewekte laserstraal nu afgeleidt naar een gekoelde absorber die de laserbundel opvangt. Wanneer de laserbundel gevraagd wordt door de sturing, zal de shutter zich openen en wordt de laserbundel uit de bron gestuurd. Het energetisch rendement van een CO2-laserbron is zeer laag, nl. gemiddeld 10%. Dit omdat de energie die nodig is om een atoom in de geëxciteerde toestand te brengen, veel groter is dan de energie van de fotonen. Excitatie gaat ook gepaard met warmte. Hierdoor moet het lasergas gekoeld worden. Dit gebeurt door een geforceerde koeling door middel van turboblowers. Deze turbines blazen het lasergas over warmtewisselaars. De warmte wordt afgevoerd naar een externe koelgroep.

(a)

(b) geëxciteerde toestand

Grondtoestand

(c) spontane emissie

(d) gestimuleerde emissie Figuur 5: opwekken laserbundel [3]

2.2.

Lasereigenschappen

Elke laserbundel heeft specifieke eigenschappen: ·

bundeldivergentie en energiedichtheid Een typische eigenschap van lasers is hun divergentie. Deze is zo klein dat de lichtstralen nagenoeg evenwijdig lijken te lopen. Zo ontstaat een hoge energiedichtheid. Een richtwaarde voor de divergentie bij de gebruikte CO2-laserbron, is 2 mrad. Hierbij wordt de bundeldiameter in het divergerend gebied 2 mm groter over een afstand van 1 meter. Dit maakt het mogelijk om de energie over grotere afstanden te transporteren. Door gebruik te maken van een focuslens kan deze energie worden gebundeld in een nog kleinere spot. Hierdoor gaat de energiedichtheid nog een stuk hoger liggen en is het mogelijk om materiaal te laten wegsmelten, wegbranden of sublimeren.

5

·

monochromatisch en coherent De meeste laserbronnen zenden slechts één golflengte uit. In het geval van een CO2-laserbron is dit typisch 10,6 Ɋm. Deze golflengte valt in het infrarode gebied. Bijgevolg is de laserbundel niet zichtbaar. De lichtgolven in de laserbundel zijn coherent. Ze hebben nl. een gelijke fase en richting.

·

polarisatie Een laserbundel is elektromagnetisch straling. Deze bestaat uit een elektrisch en magnetische veld. Deze golven staan loodrecht op elkaar wanneer ze de bron verlaten en zijn dus loodrecht gepolariseerd. De golven bewegen zoals weergegeven op Figuur 6 (a). Dit is het gevolg van de constructie van de resonator. Om de snijkwaliteit tijdens het snijden te vrijwaren, is het van groot belang dat gewerkt wordt met circulair gepolariseerd licht zoals te zien op Figuur 6 (b). In Figuur 7 (a) te zien welk gevolg dat loodrecht gepolariseerd licht heeft op de snijkwaliteit. In Figuur 7 (b) is een voorbeeld te zien van de snijkwaliteit bij een circulair gepolariseerde bundel. Aangezien de oorspronkelijke laserstraal niet circulair gepolariseerd is, is een polarisatie nodig om de snijkwaliteit te verzekeren. Hierbij wordt een faseverschuiving doorgevoerd van 90° tussen beide golven. Dit gebeurt door middel van een polarisatiespiegel. Deze spiegel bezit een speciale coating die het mogelijk maakt om de laserstraal circulair te polariseren.

(a)

loodrecht gepolariseerd

(b)

circulair gepolariseerd

Figuur 6: polarisatie [4]

(a) loodrecht gepolariseerd

(b) circulair gepolariseerd

Figuur 7: invloed van polarisatie [3]

6

·

mode patronen Afhankelijk van de geometrie van de resonator kunnen meerdere staande golven ontstaan binnen de resonator. Deze golven onderscheiden zich van elkaar in hun fase en amplitude. Elke staande golf wordt gekarakteriseerd door een energieverdeling. De basis energieverdelingen van resonatoren worden Transverse Electro Magnetic modes, of kortweg TEM-modes genoemd. Figuur 8 geeft een aantal TEM-modes weer. TEM00 is de grondmode en heeft een perfecte Figuur 8: TEM-modes [5] Gaussische energieverdeling. In de praktijk zal veelal een combinatie van verschillende modes terug te vinden zijn. De mode van een laserbron kan nagegaan worden door de laserbundel met een laag vermogen te laten invallen op een blokje acryl. Hierdoor gaat het acryl smelten en wordt de mode zichtbaar.

·

bundelproduct – M² Het product van de bundeldiameter en de divergentiehoek is constant langs de optische as. Dit is ook het geval bij bundeltransport door ideale optische lenzen en spiegels. Het bundelproduct M² is kenmerkend voor elke laserbron. Voor de grondmode (TEM00) is de bundelkwaliteit M² = 1. De bundelkwaliteit nadert naar 1 indien deze een Gaussische energieverdeling benadert. Het bundelproduct is ook afhankelijk van de condities in de resonator. Door onreinheden in het lasergas kan het bundelproduct verhogen. Een lange stilstand van de laserbron kan hier ook een grote invloed op hebben. Hiervoor is het aan te raden om een aging cyclus uit te voeren na elke stilstand. Tijdens deze procedure zal het lasergas worden vernieuwd, wordt het vermogen in cycli opgebouwd en wordt het lasergas opnieuw verwijderd uit de resonator. Dit gebeurt enkele malen na elkaar. Zo wordt het bundelproduct weer gebracht naar de richtwaarde van de constructeur. Het bundelproduct van de CO2-lasersnijmachine die gebruikt wordt in deze masterproef, bedraagt 3,09.

2.2.1. Gaussische energieverdeling De intensiteit (I) van een laserbundel verloopt volgens een Gaussische curve, zoals weergegeven in Figuur 9. De maximale intensiteit van deze energieverdeling treedt op in het centrum van de laserbundel. De intensiteit neemt af wanneer de afstand tot het centrum van de laserbundel groter wordt. Een veelgebruikte definitie voor de bundeldiameter, is de diameter waarbinnen 86% van het totale bundelvermogen besloten ligt. De diameter van een laserbundel wordt dus opgemeten aan de hand van de bundelintensiteit.

d86% Figuur 9: Gaussische energieverdeling [6]

7

2.2.2. Bundelpropagatie Wanneer de laserstraal de bron verlaat, varieert de diameter in functie van de afgelegde weg. Een laserbundel heeft een profiel zoals weergegeven in Figuur 10. De vernauwing van de bundeldiameter ter hoogte van het nulpunt, wordt de beam waist genoemd (w0). Bij de testbron bedraagt de beam waist 7,73 mm. De bundelradius kan verder beschreven worden als functie van de afstand tot de waist, de golflengte en het bundelproduct [7]. ௭ήλή୑మ ଶ

met:

w(z): w0: z: λ: M²:

‫ݓ‬ሺ‫ݖ‬ሻ ൌ ‫ݓ‬଴ ටͳ ൅ ቀ గή௪మ ቁ

(1)

బ

straal van de bundel op afstand z van de waist (mm) straal van de bundel ter hoogte van de waist (mm) afstand volgends de z-as (mm) golflengte van de laserbron (mm) bundelproduct

w(z) q w0ξʹ

w0

zr z

0 Figuur 10: Bundelpropagatie

Op Figuur 10 kan ook de Rayleigh lengte (zr) aangeduid worden. Dit is de afstand van de waist tot een punt op de curve waarbij de bundelradius ξʹkeer groter wordt [8].

‫ݖ‬௥ ൌ

గή௪బమ

(2)

λή୑²

Een afstand die tweemaal groter is dan de Rayleigh-lengte, wordt gedefinieerd als de confocale afstand. Vanaf deze afstand zal de laserbundel voortbewegen met een constante divergentie (q ). De radius of curvature of kortweg de ROC stelt de kromming van het golffront voor. Het golffront staat steeds loodrecht op de bundelradius en is afgebeeld in Figuur 11. De ROC zal ter hoogte van de waist oneindig worden. Hoe groter de afstand tot de waist wordt, hoe kleiner de ROC zal zijn [9]. Figuur 11: radius of curvature [10]

గή௪ మ

ଶ

ܴሺ‫ݖ‬ሻ ൌ ‫ ݖ‬൤ͳ ൅ ቀ௭ή஛ή୑బమ ቁ ൨

(3)

8

Met de waarden van de bundelradius en de radius of curvature kan het volledige verloop van de laserbundel bepaald worden. Eenmaal het volledige bundelverloop gekend is, kan ook het bundelverloop bepaald worden na toevoeging van optische elementen zoals spiegels en lenzen.

2.2.3. Lenzen df

Door het toevoegen van een lens in de optische weg van de laserbundel zal de laserbundel gefocust worden. De vorm van de laserbundel wordt afgebeeld in Figuur 12. Het verloop wordt opnieuw bepaald met formule 1 [11]. Hierbij wordt w0 vervangen door de focusradius (wf). De waarde van M² blijft dezelfde.

d0

De focusradius wordt bepaald door formule 4 en is afhankelijk van de radius van de invallende laserbundel op de lens (wl) en de brandpuntsafstand van de lens. Deze afstand is een constante en is eigen aan de lens.

met:

wf: wl: f: λ:

‫ݓ‬௙ ൌ

focusradius (mm) radius op lens (mm) brandpuntsafstand lens (mm) golflengte (mm)

wf

wl

w0

Figuur 12: beamfocus door lens [12]

௙ήఒ

(4)

௪೗

De focusradius ligt op een afstand df van de lens. Deze afstand wordt de focusafstand genoemd [13].

݀௙ ൌ ݂ ή ൥ͳ ൅ met:

df: d0:

focusafstand (mm) afstand van waist tot lens (mm)

೏ ቀ బ ିଵቁ ೑

మ ೥ మ ೏ ൤ቀ బ ିଵቁ ାቀ ೝቁ ൨ ೑ ೑

൩

(5)

2.2.4. Spiegels met kromming De kromming van de laserbundel wordt berekend met formule 3 [14]. Om het bundelverloop na een gekromde spiegel te berekenen is de brandpuntsafstand van de spiegel nodig samen met de kromming van de laserbundel voor de spiegel. Deze kromming kan berekend worden met formule 3. ଵ

met:

Rout: Rin: Rm:

ଶ

ܴ௢௨௧ ൌ ቀோ ൅ ோ ቁ

kromming na de spiegel (m) kromming voor de spiegel (m) kromming spiegel (m)

೔೙

೘

ିଵ

(6)

9

Door de kromming van de spiegels zal een nieuwe waist ontstaan. Wanneer de kromming van de spiegel negatief is staat de spiegel bol. Hierdoor zal de waist zich bevinden op een positie voor de spiegel en zal dus niet zichtbaar zijn. De bundel zal na de spiegel divergeren. Bij een holle spiegel zal de waist zich na de spiegel bevinden en zal er een nieuwe waist gevormd worden na de spiegel. De bundel zal dus eerst gaan convergeren. De afstand van deze waist (dm) is te berekenen met onderstaande formule [15]: ଶ

݀௠ ൌ ோ ή ቎ͳ ൅ ೘

మή೏బ ିଵ൰ ೃಾ మ మ మή೏ మή೥ ቈ൬ బ ିଵ൰ ା൬ ೝ൰ ቉ ೃಾ ೃಾ

൬

቏

(7)

Vanuit de waarde voor de kromming na de spiegel en de afstand tot de waist (dm) kan de waist radius (wm) na de spiegel berekend worden [15].

‫ݓ‬௠ ൌ ට

ఒήெమ గ

ή ඥሾ݀௠ ή ሺܴ௢௨௧ െ ݀௠ ሻሿ

(8)

10

3. Lasersnijden Lasersnijden is een techniek die gebruikt wordt voor het snijden van metalen of kunststoffen. Hierbij wordt, met behulp van een laserstraal en een snijgas, materiaal verwijderd. Dit is mogelijk omdat de laserstraal gefocust wordt met behulp van een lens. Hierdoor verhoogt de intensiteit van de laserstraal. Door de grote energiehoeveelheid samen te brengen tot één punt, wordt het materiaal plaatselijk opgewarmd tot de gewenste temperatuur. Het materiaal zal hierdoor plaatselijk gaan smelten. Met behulp van een snijgas, dat toegevoerd wordt in de laserkop en naar buiten gebracht wordt via de nozzle, wordt het gesmolten materiaal weggeblazen door de plaat. Een nozzle is een mondstuk die de luchtstroom in de juiste richting geleidt en de snelheid van het snijgas kan verhogen. Een schematische voorstelling van een snijkop is weergegeven in Figuur 13.

Figuur 13: Snijkop [16]

Lasersnijden is onder te verdelen in drie groepen [17]: ·

Laserbrandsnijden: het te snijden materiaal wordt lokaal opgewarmd tot het ontstekingspunt met behulp van gefocusseerde laserstraal. Hierbij wordt zuurstofgas gebruikt als snijgas. Het materiaal verbrandt in de zuurstofstroom. Hierbij is sprake van een exotherme reactie. Het laserbrandsnijden wordt toegepast bij het snijden van staal.

·

Lasersmeltsnijden: het te snijden materiaal wordt lokaal opgewarmd tot het smeltpunt. Het gevormde vloeibare materiaal wordt door een inert gas weggeblazen. Hiervoor wordt stikstofgas gebruikt. Dit is geen exotherme reactie. Het lasersmeltsnijden wordt toegepast bij roestvast staal en aluminium.

·

Sublimeersnijden: het te snijden materiaal wordt lokaal opgewarmd tot verdampingspunt. Het gevormde gasvormig materiaal wordt weggeblazen door stikstofgas. Het sublimeersnijden wordt toegepast bij kunststoffen.

De lasersnijmachines van LVD werken via het principe van flying optics. Hierbij staat de laserbron vast gepositioneerd naast de snijtafel en beweegt de lasersnijkop over het snijvlak. Dit heeft als gevolg dat de afstand tussen de laserbron en de lasersnijkop varieert. Een variatie in optische weglengte zorgt ervoor dat diameter en invalshoek van de laserbundel op de lens zullen wijzigen. Dit is nadelig voor de snijkwaliteit en moet vermeden worden. Hierdoor moet gewerkt worden met een systeem dat een constante diameter en invalshoek verzekert op de lens. Hiervoor gebruikt LVD tot op vandaag het principe van een constante optische weglengte. Dit principe rust op het gebruik van een compensatie-as. Deze optische compensatie zorgt ervoor dat de afstand tussen de laserbron en de snijkop constant blijft. De compensatiewagen zal daartoe meebewegen met de lasersnijkop. Een richtwaarde voor de constante optische weglengte is 9 meter bij de gebruikte testmachine. In Figuur 14 is een lasersnijmachine weergegeven die gebruik maakt van een compensatie-as. In Figuur 14 (a) staat de lasersnijkop in de uiterste positie. Hierbij staat de compensatiewagen het dichtst bij de bron. Wanneer

11

de snijkop verplaatst wordt naar de oorsprong van de snijtafel, verplaatst de compensatiewagen mee. De verplaatsing van de compensatiewagen is telkens de helft van de verplaatsing van de snijkop. Dit komt door de omkering van de straal in de compensatiewagen en omdat een dubbele optische lengte ontstaat. laserbron compensatiewagen

laserbron lasersnijkop compensatiewagen

lasersnijkop

(b) snijkop in oorsprong

(a) snijkop in uiterste positie Figuur 14: Compensatie-as [1]

De hoeveelheid gesmolten materiaal hangt af van de dikte van de plaat. Om dit materiaal voldoende snel te kunnen verwijderen moet de snedebreedte voldoende groot zijn. Deze snedebreedte wordt bepaald door het focaal van de gebruikte lens. Standaard worden drie verschillende lenzen gebruikt, afhankelijk van de plaatdikte. De brandpuntsafstand van de lenzen wordt standaard in inch uitgedrukt. Tabel 2 geeft de spotdiameter weer per lens alsook de plaatdiktes waarbij de lens gebruikt kan worden. Tabel 2: Lenzen

Lens 5” 7,5” 10”

Brandpuntsafstand (mm) 127,0 190,5 254,0

Spotdiameter (mm) 0,286 0,432 0,578

Plaatdiktes (mm) tot 5mm van 5 tot 15mm vanaf 15mm

12

4. Adaptieve optieken Adaptieve optieken zijn spiegels die de mogelijkheid hebben om hun brandpuntsafstand te wijzigen door de druk achter het spiegeloppervlak te wijzen. Deze druk kan op twee manieren worden opgebouwd. Een eerste manier is met behulp van luchtdruk, een tweede met behulp van demiwater. In deze toepassing wordt gekozen voor demiwater omdat de spiegels ook warmte opnemen afkomstig van de invallende laserstraal. De meest eenvoudige manier om deze energie af te voeren is via een gekoeld watercircuit. Figuur 15: adaptieve optieken [18]

4.1.

Gebruikte adaptieve optieken

Voor de testopstelling wordt gebruik gemaakt van twee verschillende adaptieve optieken. De ene optiek varieert tussen plano (vlak) en convex (bol). De andere optiek varieert van plano naar concaaf (hol). De invloed van beide optieken is schematisch voorgesteld in Figuur 16 en Figuur 17. De nodige druk om deze krommingen aan te nemen is voor deze twee optieken hetzelfde en ligt tussen 3 en 11 bar. Dit is afhankelijk van de specificaties die door de fabrikant zijn opgeheven. In deze masterproef wordt gebruik gemaakt van twee adaptieve optieken. Deze zijn nodig om de bundeldivergentie onder controle te houden, bij gebruik van slechts één optiek kan enkel een controle worden gedaan over de diameter van de bundel.

Figuur 16: invloed convexe optiek

·

Figuur 17: invloed concave optiek

Drukmeting De adaptieve optieken zijn standaard voorzien van een druksensor. Deze sensor zal bepalend zijn voor het instellen van deze optieken. De druk wordt ingelezen in de sturing. De sensor heeft een bereik van 0 tot 13,8 bar. De datasheet van deze druksensor is terug te vinden in bijlage 2.

·

Koeling Uit navraag bij de producent, blijkt dat de spiegels ongeveer 1% energie opnemen van de invallende laserstraal. Dit komt neer op 60 W bij een laserbron van 6 kW. Om deze energie af te voeren, wordt de drukregeling gedaan met behulp van demiwater. Hiermee kunnen de adaptieve optieken tegelijkertijd gestuurd en gekoeld worden. Het demiwater is afkomstig van een koelgroep die reeds aanwezig is voor het koelen van de laserbron alsook voor het koelen van de reeds aanwezige spiegels in de lasersnijmachine.

13

·

Voorwaarden Om een goede werking van de adaptieve optieken te garanderen geeft de producent een aantal richtlijnen mee. Deze richtlijnen hebben betrekking tot het inbouwen van de optieken. -

4.2.

Minimale afstand tussen twee adaptieve optieken: 1,5 meter; Minimale afstand tussen eerste adaptieve optiek en bron: 1 meter; Kleine invalshoek.

Controlemetingen adaptieve optieken

Om de datasheets van de adaptieve optieken te kwantificeren worden de karakteristieke curven opnieuw opgemeten. Deze curven geven de kromming van de optiek weer in functie van de druk. Aangezien een CO2laserbron infrarood licht uitstuurt en bijgevolg niet zichtbaar is voor het oog wordt gekozen voor een testopstelling met zichtbaar licht. In een eerste stap wordt de diameter van de lichtbron opgemeten als functie van de afstand tot de lichtbron. Dit geeft een verloop zoals te zien is op Figuur 18. Dit verloop wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van een lens in de lichtbron.

Figuur 18: verloop lichtbron

Daarnaast straalt een halogeenlamp licht uit bestaande uit verschillende golflengten. Elke golflengte heeft, in combinatie met een lens, een eigen brandpunt. Dit is weergegeven in Figuur 19. Dit is de verklaring waarom het profiel van de lichtbron bij benadering eenzelfde verloop kent als een laserbundel.

Figuur 19: lichtbreking bij lenzen

Eenmaal de lichtstaal van de lichtbron is opgemeten kan de lichtbron worden opgenomen in een simulator en kan een adaptieve optiek worden toegevoegd met een bepaalde kromming. De lichtbron wordt op 2 meter geplaatst van de adaptieve optiek. De meetroos staat op 1,5 meter van de adaptieve optiek. Vervolgens wordt de druk in de adaptieve optiek opgebouwd en wordt de bundeldiameter op de meetroos opgemeten. Deze wordt uitgezet in grafiek en vergeleken met de verwachte spotdiameter uit de simulatie. De testopstelling is schematisch voorgesteld in Figuur 20.

14

2 meter

druksensor

lichtbron meetroos

adaptieve optiek

1,5 meter Figuur 20: testopstelling

Adaptieve optiek 1: plano – convex Grafiek 1 geeft de waarden uit de simulator weer voor de verwachte spot diameter alsook de opgemeten waarden voor adaptieve optiek 1. Uit de metingen blijkt dat de spotdiameter uit de simulator niet overeenkomt met de opgemeten spotdiameter.

testopstelling met adaptieve optiek 1 140 Spotdiameter (mm)

130 120 110 100 90 80 70 2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 Druk (Bar) Lineair (Verwachte spot diameter) Lineair (Opgemeten spot diameter) Grafiek 1: testopstelling met adaptieve optiek 1

Vanuit deze meetwaarden wordt nu de brandpuntsafstand bepaald. Zo wordt een nieuwe karakteristieke vergelijking bekomen in Grafiek 2. Deze geeft de kromming weer van de optiek (curvature) uitgedrukt in functie van de druk. Deze karakteristieke curven zullen gebruikt worden voor het instellen van de adaptieve optieken. Wanneer de gewenste kromming berekend is kan deze via deze curven gekoppeld worden aan een drukwaarde.

15

kromming adaptieve optiek 1 Curvature (1/R) (1/meter)

0,10 0,05 0,00 -0,05 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

-0,10 -0,15 -0,20 -0,25 -0,30 -0,35 Druk (Bar) Lineair (II-VI) Lineair (Metingen) Grafiek 2: kromming adaptieve optiek 1

Adaptieve optiek 2: concaaf - plano Grafiek 3 geeft de verwachte spotdiameter weer uit de simulatie en de opgemeten spot diameter voor adaptieve optiek 2. Deze zijn opnieuw verschillend. Hier wordt ook een nieuwe karakteristieke curve voor uitgezet (Grafiek 4).

testopstelling met adaptieve optiek 2 90

Spotdiameter (mm)

80 70 60 50 40 30 2

3

4

5

6

7 8 9 10 11 12 Druk (Bar) Lineair (Verwachte spot diameter ) Lineair (Opgemeten spot diameter) Grafiek 3: testopstelling met adaptieve optiek 2

16

kromming adaptieve optiek 2 Curvature (1/R) (1/meter)

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 2

3

4

5

6

7 8 9 Druk (Bar) Lineair (II-VI) Lineair (Metingen)

10

11

12

Grafiek 4: kromming adaptieve optiek 2

17

5. Hydraulische aansturing Aangezien demiwater wordt gebruikt om de adaptieve optieken aan te sturen zal een hydraulisch circuit moeten bepaald worden. Hierbij wordt vertrokken van enkele praktische beperkingen waarmee rekening moet gehouden worden. Cruciaal in de aansturing is de drukregeling. Deze druk moet ter hoogte van de adaptieve optieken variëren van 3 tot 11 bar. Dit bij een minimaal debiet van 1 liter per minuut om het koelen van de optieken te blijven garanderen. Hoe groter het debiet is, hoe stabieler de aansturing gebeurt.

5.1.

Dimensioneren van de pomp

Bij het dimensioneren van een pomp dient rekening gehouden worden met de verliezen die zich voordoen in het circuit. Deze verliezen kunnen als volgt opgedeeld worden: -

Leidingverliezen Drukval over de adaptieve optiek Additionele verliezen

Deze verliezen zijn afhankelijk van het debiet. Aangezien in deze toepassing een debietregeling wordt toegepast wordt voor het dimensioneren gekeken naar de verliezen die ontstaan tussen twee debiet grenzen. Een minimaal debiet die voor een druk van 3 bar moet zorgen ter hoogte van de adaptieve optiek. En een maximaal debiet die een druk van 11 bar moet creëren.

5.1.1. Leidingverliezen De leidingverliezen in de aanvoerleiding en in de retour worden berekend met behulp van de formule van Darcy [19]. ௅

met:

hf : fwr : L: D: v: g:

௩మ

݄௙ ൌ ݂௪௥ ή ஽ ή ଶή௚

(9)

drukverlies (m) wrijvingsfactor leidinglengte (m) binnendiameter leiding (m) snelheid van de vloeistof (m/s) aardversnelling (9,81 m/s²)

De snelheid (v) van het demiwater in de leidingen kan worden berekend vanuit het debiet.

met:

‫ݒ‬ൌ

q: vloeistofdebiet (m³/s) A: doorsnede van de leiding (m²)

௤ ஺

(10)

Om de wrijvingsfactor te bepalen wordt veelal gebruik gemaakt van het Moody diagram (bijlage 3). Hier is de wrijvingsfactor grafisch af te lezen. Voor de simulaties wordt gebruik gemaakt van de vergelijking van SwameeJain [20] om de wrijvingsfactor te bekomen. Deze formule is enkel geldig voor turbulente stromingen met een Reynoldsgetal groter dan 4000.

18

met:

e: ruwheid (m) Re: Reynoldsgetal

௘ൗ ஽ ଷǡ଻

݂௪௥ ൌ Ͳǡʹͷ ή ቂ ቀ

൅

ହǡ଻ସ ቁቃ ோ௘ బǡవ

ିଶ

(11)

-7

Als ruwheid voor de leidingen wordt de waarde van plastic gebruikt. Deze is 3,0 x 10 m. Het Reynolds getal, dat nodig is voor het bekomen van de wrijvingsfactor wordt bekomen met onderstaande formule [21].

met:

ܴ݁ ൌ

ɏ: Ɋ:

massadichtheid (kg/m³) dynamische viscositeit (Pa.s)

௩ή௅ήఘ ఓ

(12)

Hierbij is het belangrijk om rekening te houden met de temperatuur van het demiwater voor en na de adaptieve optiek. Doordat het circuit zal gebruikt worden om de spiegels te koelen zal een temperatuursstijging optreden in de retourleiding. De massadichtheid en de viscositeit zijn afhankelijk van de temperatuur, hierdoor dient deze temperatuurstijging te worden bekeken. Uit navraag bij de producent van de optieken blijkt dat de spiegels ongeveer 1% van de energie van de invallende laserbundel opnemen. De opgenomen energie wordt als warmte afgegeven aan het demiwater die door de adaptieve optiek stroomt. De opwarming van het water kan berekend worden [22].

met:

Q: m: c: οT:

ܳ ൌ ݉ ή ܿ ή οܶ

(13)

warmtestroom (J/s) massahoeveelheid (kg/s) warmtecapaciteit (4186 J/kgK) temperatuursverschil (K)

Voor de proefopstelling wordt gewerkt met een laserbron van 6 kW. Dit zorgt voor een warmteafgifte aan het water van 60 J/s bij een warmteafgifte van 1%. Voor de massahoeveelheid te bepalen wordt gerekend met het minimaal vooropgesteld debiet van 0,2 m³/u ofwel 0,0555 kg/s. Uit de formule volgt een temperatuursstijging van 0,3 K. Dit is verwaarloosbaar klein. Voor verdere berekeningen wordt aangenomen dat de temperatuur niet wijzigt na de adaptieve optieken. Hierdoor kunnen de waarden voor de massadichtheid en de viscositeit van de retour gelijk gesteld worden aan deze van de aanvoerleiding. Dit is het gevolg van het grote debiet. Wanneer het debiet zou dalen zal wel rekening moeten worden gehouden met een temperatuursstijging. Bij de proefopstelling wordt de pomp dicht bij de koeler geïnstalleerd. Dit om aanzuigverliezen te beperken. Hierbij moet rekening gehouden worden met leidinglengtes van 9 meter aanzuig en 9 meter retour. Indien dit later geïmplementeerd wordt in een nieuw type machine zal de pomp dichter bij de optieken geïnstalleerd worden. De aanzuigverliezen zouden dan gereduceerd worden door gebruik te maken van een vaste leiding met grote diameter tot aan de pomp. Zo kunnen kortere leidingen gebruikt worden tussen de pomp en de adaptieve optieken. Dit zal de leidingsverliezen reduceren waardoor ook een pomp met een kleinere opvoerhoogte kan gekozen worden.

5.2.

Drukval over adaptieve optiek

Uit metingen is gebleken dat de drukval over de adaptieve optieken verwaarloosbaar is. Dit laat veel mogelijkheden open voor de drukregeling van dit hydraulisch systeem. Bij de huidige opstelling wordt gerekend met een leidinglengte van 9 meter aanvoer en 9 meter retour.

19

Aangezien geen drukval aanwezig is over de optiek zal zelf een drukval gecreëerd moeten worden. Hierbij zijn twee mogelijkheden: -

Drukval creëren door verliezen in leidinglengte Drukval creëren door vaste smoring Drukval creëren door regelbare smoring en een vast debiet

5.2.1. Drukval creëren door verliezen in leiding Om een drukval te creëren tussen 3 en 11 bar wordt de leidingdiameter van de retour kleiner gemaakt. Het verkleinen van de diameter doet de snelheid van het medium toenemen met een grotere drukval als gevolg. Een binnendiameter van 7mm wordt gekozen. Hier is een minimaal debiet nodig van 0,61 m³/u om een drukval van 3 bar te verkrijgen ter hoogte van de adaptieve optieken. En een maximaal debiet van 1,27 m³/u voor een drukval van 11 bar. Het drukverloop is weergegeven in Grafiek 5.

Grafiek 5: drukverloop constante leidingdiameter

Uit Grafiek 5 volgt dat bij deze opstelling een pomp nodig is met een opvoerhoogte van 220 meter. Aangezien gekozen wordt om te werken met een centrifugaalpomp is deze opvoerhoogte te groot om een geschikte pomp te vinden. In een tweede stap kunnen de verliezen in de aanvoerleiding gereduceerd worden door enkel in de aanvoer een grotere diameter toe te laten. Een binnendiameter van 8,4 mm wordt gekozen. Het minimaal en maximaal debiet wordt constant gehouden. In bijlage 4 is een uittreksel te vinden uit de leidingcatalogus. Uit Grafiek 6 is een verbetering merkbaar voor de opvoerhoogte. De opvoerhoogte daalt naar 155 meter. Opnieuw is dit een hoge waarde. Hieruit volgt dat het variëren van de leidingdiameter geen goede oplossing

20

biedt voor deze toepassing. In beide gevallen is de nodige opvoerhoogte te groot om te werken met een centrifugaal pomp.

Grafiek 6: grotere diameter aanvoerleiding

5.2.2. Drukval creëren door smoring Een smoring is een plaatselijke vernauwing. Hierdoor ontstaat na de smoring een drukval. Door het plaatsen van een smoring na de adaptieve optiek, wordt ter hoogte van de optiek de druk opgebouwd. Een smoring wordt gedimensioneerd voor de nodige drukval bij een maximaal debiet [23].

݀௢௥௜௙௜௖௘ ൌ Met:

dorifice: Dtoevoer optiek: Qmax: k: vmax:

ඩ

஽೟೚೐ೡ೚೐ೝ ೂమ ೘ೌೣ మή మ ήభబబబబబ ቍାଵ ቌ ೖ మ ഐήೡ೘ೌೣ

ή ͳͲͲͲ

(14)

diameter smoring (mm) toevoerdiameter (mm) maximaal debiet (m³/u) k-factor smoring (geen eenheid) vloeistofsnelheid bij maximaal debiet (m/s)

Omdat bij een smoring gevaar bestaat voor cavitatie moet de cavitatiefactor worden berekend voor de smoring. Deze factor moet hoger zijn dan 1 [23].

ܿ௔ ൌ

௣೘ೌೣ ି௣೏ೌ೘೛ ௣ౣ౗౮ ೚ೝ೔೑೔೎೐

(15)

21

met:

pmax: maximale druk ter hoogte van de adaptieve optiek (bar) pdamp: dampdruk water 0,03 bar (bij 25 °C) pmax orifice: maximaal drukval over smoring (bar)

Grafiek 7 geeft een leidingsysteem weer met geleide diameter voor aanvoer en retour van de adaptieve optiek. Alsook een smoring na de adaptieve optiek.

Grafiek 7: leidingsysteem met smoring

Door de aanvoerleiding nu groter te maken kan de opvoerhoogte opnieuw worden gereduceerd (Grafiek 8).

Grafiek 8: gekozen leidingsysteem

22

5.3.

Additionele verliezen

Naast de leidingverliezen moet nog rekening gehouden worden met verliezen afkomstig van onder andere koppelstukken en bochten. Bij de installatie kan door een kneuzing in de kabel een ongewenste smoring worden veroorzaakt. Vandaar de noodzaak aan een regelkring.

5.4.

Keuze pomp

Bij de keuze van een pomp zijn volgende eigenschappen vereist: -

Maximaal debiet: 0,77 m³/u Minimaal debiet: 0,5 m³/u Minimale opvoerhoogte: 130 m

Ook is een niet pulserend debiet gewenst. Hierdoor wordt de keuze in pompen beperkt. Enkele mogelijkheden zijn: -

Centrifugaalpomp Waaierpomp Tandwielpomp

Er wordt gekozen voor een meertraps centrifugaalpomp uit het gamma van Grundfoss. De datasheets van de pomp zijn terug te vinden in bijlage 5.

5.5.

Controlemeting

De aansturing van de pomp gebeurt met een drive van Schneider Electric. Om de werking van de pomp en de drive te controleren wordt de pompkarakteristiek opgemeten. Deze metingen gebeuren bij een frequentie van 50 Hz, 39 Hz en 23 Hz. De resultaten zijn opgenomen in Grafiek 9.

Pomp - en leidingkarakteristiek 18,00 16,00

Opvoerdruk (bar)

14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0,10

0,20

0,30

leidingsysteem

0,40

0,50 0,60 0,70 0,80 Debiet (m³/u) pomp bij 50Hz pomp bij 39Hz

0,90

1,00

1,10

pomp bij 23Hz

Grafiek 9: pompen leidingkarakteristiek

23

6. Posities en instelwaarden 6.1.

Richtwaarden

Om de instelwaarden en posities van de adaptieve optieken te bepalen, wordt er vertrokken vanuit het huidig systeem waar de afstand van de bron tot aan de lens constant gehouden wordt. In de huidige opstelling is deze afstand 9 meter. Met de gegevens van de laserbron kan op deze afstand de radius bepaald worden op de lens. Zo kan ook de focusradius bepaald worden bij de verschillende lenzen. De focusradius wordt bepaald met formule 4 en is onafhankelijk van de invalshoek. Tabel 3 geeft een overzicht weer van verschillende lenzen elk met hun focusradius voor een systeem met constante optische weg. Tabel 3: Systeem met compensatie-as

Lens 5” 7,5” 10”

Brandpuntsafstand f (mm) 127,0 190,5 254,0

Bundelradius op lens wl (mm) 9,35 9,35 9,35

Focusradius wf (mm) 0,143 0,216 0,289

Bij een systeem met adaptieve optieken wordt de compensatie-as niet gebruikt en zal bijgevolg de lengte van de optische weg niet meer constant blijven. De afstand tussen de laserbron en de lens zal dan variëren wanneer de snijkop over de snijtafel beweegt. Om eenzelfde focusradius te behouden, zal de invallende laserbundel op de lens eenzelfde radius moeten behouden. Het variëren van de lengte van de optische weg en daaruit volgend het variëren van de radius op de lens, wordt gecompenseerd door de adaptieve optieken. Hierdoor wordt de compensatie-as overbodig. Naast het elimineren van de compensatie-as heeft een systeem met adaptieve optieken een tweede voordeel. Momenteel wordt de lens aangepast aan de plaatdikte van het materiaal. Een andere lens zorgt voor een andere focusradius. Met adaptieve optieken kan de focusradius gewijzigd worden door de bundelradius op de lens te wijzigen. Hierdoor moeten lenzen niet meer gewisseld worden bij het snijden van andere plaatdiktes. In dit systeem zal gewerkt worden met een lens van 7,5” en zal de lens van 5” en 10” worden gesimuleerd door het wijzigen van de bundelradius op de lens van 7,5”. Tabel 4 geeft een overzicht weer van de bundelradius op de lens die nodig is om een focusradius te simuleren van een andere lens. Tabel 4: Systeem met adaptieve optieken

Lens simulatie 5” 7,5” 10”

Brandpuntsafstand f (mm) 190,5 190,5 190,5

Bundelradius op lens wl (mm) 14,12 9,35 6,99

Focusradius wf (mm) 0,143 0,216 0,289

Bij het lasersnijden is het van belang dat ook de focusafstand constant blijft, want deze heeft de grootste invloed op de snijkwaliteit. De focusafstand wordt bepaald met formule 5. Hieruit volgt dat de focusafstand voornamelijk afhankelijk is van de kromming van de laserbundel. Het gebied waar de bundelradius en de kromming het langst constant blijven is het gebied van de waist. Daarom wordt er gekozen om in dit gebied de lens te plaatsen. Dit zorgt ervoor dat zowel de focusradius en focusafstand nagenoeg gelijk blijven.

24

6.2.

Keuze adaptieve optieken

uitgaande bundel adaptieve optieken lens

ingaande bundel

De bundel tussen de adaptieve optieken en de laserbron kan bepaald worden uit de gegevens van de bron. Deze bundel wordt hier de ingaande bundel genoemd. Nu de wenswaarde voor de bundelradius vast ligt en bepaald is dat dit ook de waistradius wordt na de adaptieve optieken, kan het verder verloop van de bundelradius bepaald worden. Dit wordt hier de uitgaande bundel genoemd. Beide bundelverlopen komen elkaar tegen in een black box. Hier zullen de adaptieve optieken ingrijpen op de ingaande laserbundel. Dit is weergegeven in Grafiek 10.

Grafiek 10: gewenst bundelverloop

De eerste adaptieve optiek zal de ingaande bundel moeten divergeren tot de bundel radius op de tweede adaptieve optiek even groot is als de uitgaande bundel. Een tweede adaptieve optiek zal moeten convergeren om de kromming van de uitgaande bundel te controleren om zo de gewenste bundelradius en kromming te bekomen op de lens. Om de kromming van de adaptieve optieken te bepalen is een simulator gemaakt in Excel. De nodige krommingen en daaraan gekoppelde drukwaarden voor het simuleren van de drie gebruikte lenzen zijn weergegeven in bijlage 6.

6.3.

Inbouwposities

De adaptieve optieken worden op vaste posities ingebouwd. De afstand tussen de laserbron en de eerste en tweede adaptieve optiek blijft constant. De afstand tussen de tweede adaptieve optiek en de lens varieert wanneer de lasersnijkop over het werkoppervlak beweegt. Een z-opstelling is de meest ideale manier om de adaptieve optieken in te bouwen. Dit omdat een kleine invalshoek gewenst is tussen de laserbundel op de adaptieve optiek. Deze voorwaarde wordt opgelegd door de producent. De eerste adaptieve optiek kan in de huidige opstelling minimaal op een afstand van 2 meter van de bron staan en maximaal op 4 meter. De tweede adaptieve optiek moet minimaal op een afstand van 1 meter van de eerste optiek staan. Wegens een grote divergentie die nodig is tussen de eerste en de tweede optiek, wordt ervoor gekozen om de twee adaptieve optieken zo ver mogelijk uit elkaar te plaatsen. Door deze grote afstand heeft de eerste

25

adaptieve optiek de kans om de bundel te divergeren door gebruik te maken van de afstand tussen beide optieken. Wanneer de afstand tussen de twee adaptieve optieken te klein is, is een veel te grote divergentie nodig van de eerste optiek.

lenspositie 2

lenspositie 1

adaptieve optiek 2

adaptieve optiek 1

Uiteindelijk wordt de eerste adaptieve optiek op een afstand van 3,5 meter van de bron geplaatst. De tweede adaptieve optiek komt op een afstand van 2,8 meter van de eerste optiek. Wanneer de lasersnijkop in de oorsprong staat van de snijtafel, is de afstand tussen de tweede adaptieve optiek en de lens 7,5 meter. Wanneer de lasersnijkop op de uiterste positie staat is deze afstand 13,5 meter. Het bundelverloop voor deze twee uiterste posities is weergegeven in Grafiek 11.

Grafiek 11: bundelverloop uiterste posities

De praktische opstelling van de adaptieve optieken is schematisch voorgesteld in Figuur 21.

3,5 meter 2,8 meter tussen 7,5 en 13,5 meter Figuur 21: schematische voorstelling opstelling

26

7. Stabiliteit De stabiliteit van een systeem wordt bepaald door de invloed van de verschillende componenten op het eindresultaat. De componenten die invloed hebben op het systeem zijn: -

optische weg laserbron adaptieve optieken uitlijning

7.1.

Optische weg

De optische weg is het pad waar de laser beam loopt. De beam wordt van de omgeving afgesloten door balgen. In deze balgen wordt een overdruk gecreëerd die ervoor zorgt dat stof en andere verontreinigingen niet binnendringen wanneer de balgen gaan bewegen. De lucht in de balgen wordt gefilterd en gedroogd en het CO2 gehalte wordt omlaag gebracht en binnengelezen in de sturing.

7.1.1. CO2-gehalte Een laserbundel is sterk onderhevig aan invloeden van buitenaf. Een cruciale factor hierin is het CO2-gehalte in de omgeving. Omdat de laserbundel gaat reageren met de CO 2-moleculen in de lucht ontstaat er een energieverlies. Dit energieverlies moet worden vermeden. Een gevolg van dit energieverlies is zichtbaar in de beam radius. Deze wordt groter wat nadelig is. Daarom wordt ervoor gekozen om de hoeveelheid CO 2 zo laag mogelijk te houden en wordt gewerkt met CO2-gecleande lucht. Tijdens de eerste metingen wordt een gemiddeld gehalte van 30ppm CO2 gemeten in de balgen.

Figuur 22: CO2 gehalte: 400ppm

Figuur 23: CO2 gehalte: 30ppm

Figuur 22 en Figuur 23 geven de doorsnede weer van de laser beam bij twee verschillende gehaltes CO2. Uit deze meting bleek dat de beam radius gemiddeld 1 mm groter was bij een hoog CO2 gehalte.

7.1.2. Stikstof Uit de eerste metingen blijkt dat met CO2-gecleande lucht de opgegeven waarden van de producent niet worden bereikt. Daarom wordt overgeschakeld naar stikstof in de balgen. Stikstof heeft geen invloed op het

27

beam verloop. Bij nieuwe metingen is gebleken dat met stikstof een veel stabielere en reproduceerbare beam wordt verkregen. Alle meetresultaten zijn gebaseerd op metingen in een CO 2 vrije omgeving met stikstof in de optische weg.

7.2.

Laserbron

Om de stabiliteit van de laserbron na te gaan worden in verschillende omstandigheden en tijdstippen metingen gedaan naar het verloop van de beam. Een onderscheid wordt gemaakt tussen twee situaties. -

Situatie 1: de bron wordt opgestart en ondergaat een aging Situatie 2: de bron wordt opgestart zonder aging

Uit metingen is gebleken dat de begindiameter en kromming een kleine afwijking tonen bij metingen zonder voorafgaande aging en metingen na aging. Het verschil tussen situatie 1 en situatie 2 zit hem in de M². Wanneer de bron zich bevindt in situatie 1 zal de M² waarde gaan aanleunen bij de opgegeven waarde van de producent (M² = 3,09). In situatie 2 wordt opgemerkt dat de waarde opvallend hoger ligt (M² = ±4). Aging Aging is een proces waarbij de laserbron intern vermogen gaat opbouwen, zich gaat herkalibreren en zijn lasergas gaat spoelen. Het is mogelijk om zelf de duur van een aging periode in te stellen alsook het vermogen en het aantal aging periodes. Het is aangeraden om een aging cyclus uit te voeren wanneer de bron opnieuw opgestart wordt. In samenspraak met de producent van de laserbron wordt een aging van vijf cyclussen van telkens vijf minuten gekozen. Hierdoor wordt voor elke meetcampagne eenzelfde startsituatie benaderd.

7.2.1. Variatie in M² Om de invloed van een wijziging van M² in beeld te brengen worden twee simulaties doorgevoerd. Waarbij telkens de invloed ter hoogte van de lens wordt bekeken. Simulatie 1: vrije propagatie In simulatie 1 wordt een lens met een brandpuntsafstand van 7,5 inch (190,5 mm) op 9 meter van de laserbron geplaatst (Figuur 24). lens Laserbron 6kW 9m Figuur 24: simulatie 1: vrije propagatie

Uit Tabel 5 blijkt dat een verandering van M² slechts een beperkte invloed heeft op het focaal en de focus radius. Deze invloed zal geen effect hebben op de snijkwaliteit. De waarden van M² zijn afkomstig uit metingen.

28

Tabel 5: simulatie 1: vrije propagatie

M²

3,09

4,13

Beam radius (mm)

9,350

12,331

Initiële kromming (m)

-12,34

-10,66

Focusradius (mm)

0,216

0,219

Focaal punt (mm)

193

194

Het beamverloop in vrije propagatie wordt uitgezet in Grafiek 12. Hieruit volgt dat een variatie in M² zich hoofdzakelijk zal vertalen in een verplaatsing van de waist-positie en diameter.

Variatie in M² 14 13

Radius (mm)

12 11 10 9 8 7 0

1

2

3

4 5 6 Afstand tot de bron (m) M²: 3,09 M²: 4,13

7

8

9

10

Grafiek 12: variatie in M²

Simulatie 2: adaptieve optieken In simulatie 2 worden twee adaptieve optieken toegevoegd. De eerste optiek op twee meter van de bron met een willekeurige kromming van drie meter convex (bol) en een tweede adaptieve optiek op anderhalve meter van de eerste met een kromming van vier meter (hol). Op negen meter van de bron wordt een lens geplaatst met een brandpuntsafstand van 7,5 inch (190,5 mm). De opstelling is weergegeven in Figuur 25. optiek 2

optiek 1

lens

Laserbron 6kW 2m

1,5 m 9m Figuur 25: opstelling adaptieve optieken

29

Tabel 6: simulatie 2: adaptieve optieken

M²

3,09

4,13

Beam radius (mm)

3,430

4,470


-5,394

-17,92

Focusradius (mm)

0,591

0,595

Focaal punt (mm)

192

189

Uit Tabel 6 blijkt opnieuw dat een kleine verandering van M² een verwaarloosbare invloed heeft ter hoogte van de lens.

7.2.2. Variatie in beginradius In een volgende stap wordt de invloed van een verandering in beginradius nagegaan voor twee simulaties: Simulatie 1: vrije propagatie Uit Tabel 7 kan besloten worden dat een verandering van beginradius een direct gevolg zal hebben op de focusradius. Het focaal punt blijft hetzelfde. Tabel 7: simulatie 1: vrije propagatie

Beginradius (mm)

9,90

10,35

Beam radius (mm)

9,727

9,350


-11,67

-12,34

Focusradius (mm)

0,208

0,216

Focaal punt (mm)

194

193

Grafiek 13 toont aan dat een wijziging van beginradius zich gaat vertalen in een verschuiving van de waist.

Variatie in beginradius

Beam radius (mm)

11

10

9

8

7 0

1

2

3

4 5 6 Afstand tot de bron (m)

Beginradius: 10,35

7

8

9

10

Beginradius: 9,9

Grafiek 13: variatie in beginradius

30

Simulatie 2: adaptieve optieken Tabel 8: simulatie 2: adaptieve optieken

Beginradius (mm)

9,90

10,35

Beam radius (mm)

3,553

3,430


-7,196

-5,394

Focusradius (mm)

0,567

0,591

Focaal punt (mm)

191

192

Uit Tabel 8 volgt dat een verandering van beginradius een direct gevolg zal hebben op de radius na focus.

7.2.3. Variatie in initiële kromming Simulatie 1: vrije propagatie Uit Tabel 9 kan besloten worden dat een verandering van initiële kromming een direct gevolg zal hebben zowel op de radius na focus als op het focaal punt. Tabel 9: simulatie 1: vrije popagatie


9,50

11,55

Beam radius (mm)

9,082

9,350


-9,66

0,193

Focusradius (mm)

0,223

0,216

Focaal punt (mm)

194

193

Grafiek 14 toont aan dat een variatie in initiële kromming zal resulteren in een verandering van waist radius.

31

Variatie in initiële kromming

11

Beam radius (mm)

10

9

8

7

6 0

1

2

3

4 5 6 Afstand tot de bron (m) ROC: 11,55 ROC: 9,50

7

8

9

10

Grafiek 14: variatie in initiële kromming

Simulatie 2: adaptieve optieken Tabel 10 toont aan dat een wijziging in initiële kromming een groot gevolg zal hebben voor zowel de radius na focus als het focaal. Tabel 10: simulatie 2: adaptieve optieken

7.3.


9,50

11,55

Beam radius (mm)

3,685

3,430


-3,44

-5,394

Focusradius (mm)

0,202

0,591

Focaal punt (mm)

197

192

Adaptieve optieken

De stabiliteit van een adaptieve optiek hangt af van de warmte invloed en van de drukvariaties. Momenteel zijn nog geen testen gedaan met betrekking tot de warmte invloed hiervan.

7.3.1. Drukvariaties De regelkring die gedefinieerd wordt moet in staat zijn om drukvariaties zo snel mogelijk weg te werken. Toch kan een drukvariatie optreden ter hoogte van de adaptieve optiek. Deze drukvariatie heeft directe gevolgen op de kromming van de optiek en uiteindelijk ook op de lens. Om deze invloed na te gaan worden er twee simulaties doorgevoerd. Dit op een druk van 4,5 bar en 10,5 bar. Dit telkens met een drukvariatie van 0,1 en 0,2 bar.

32

Adaptieve optiek 1

·

In Grafiek 15 wordt de variatie in brandpuntsafstand uitgezet in functie van de druk. Hieruit blijkt dat bij een hogere druk er een kleinere variatie zal optreden. Bij een lage druk wordt de variatie groter.

Variatie in brandpuntsafstand bij drukvariatie

Variatie in brandpuntsafstand (m)

0 -2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

11

-4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18

Druk (bar) 0,1 bar 0,2 bar Grafiek 15: drukvariatie adaptieve optiek 1

Tabel 11 toont aan dat, bij adaptieve optiek 1, er zich bij een lage druk een grote verandering in focus radius voordoet. Het focaal punt blijft hier constant. Tabel 11: drukvariatie adaptieve optiek 1

Wensdruk (4,5 bar)

4,4 bar

4,45 bar

4,50 bar

4,55 bar

4,6 bar

Radius optiek (m)

-43,554

-39,992

-36,969

-34,370

-32,113

Beam radius (mm)

10,941

11,107

11,276

11,448

11,622


-14,69

-14,76

-14,82

-14,86

-14,88

Focus radius (mm)

0,184

0,181

0,178

0,176

0,173

Focaal punt (mm)

193

193

193

193

193

Tabel 12 toont aan dat bij een hoge druk nagenoeg geen wijziging is in focus radius bij een drukvariatie. Het focaal punt blijft hier constant. Tabel 12: drukvariatie adaptieve optiek 1

Wensdruk (10,5 bar)

10,4 bar

10,45 bar

10,5 bar

10,55 bar

10,6 bar

Radius optiek (m)

-3726

-3698

-3670

-3643

-3616

Beam radius (mm)

38,247

38,492

38,740

38,982

39,229


-9,025

-9,009

-8,994

-8,978

-8,963

Focus radius (mm)

0,053

0,053

0,052

0,052

0,052

Focaal punt (mm)

195

195

195

195

195

33

Adaptieve optiek 2

·

In Grafiek 16 wordt de variatie in brandpuntsafstand uitgezet in functie van de druk. Hieruit blijkt dat bij een lage druk een kleinere variatie zal optreden. Bij een hoge druk wordt de variatie groter.

Variatie in brandpuntsafstand bij drukvariatie 0 3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Variatie in brandpuntsafstand (m)

-2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 Druk (bar) 0,1 bar 0,2 bar Grafiek 16: drukvariatie adaptieve optiek 2

Tabel 13 toont aan dat, bij adaptieve optiek 2, er bij een lage druk geen grote verandering is in focus radius. Het focaal punt blijft hier constant. Tabel 13: drukvariatie adaptieve optiek 2

Wensdruk (4,5 bar)

4,4 bar

4,45 bar

4,50 bar

4,55 bar

4,6 bar

Radius optiek (m)

4,400

4,427

4,454

4,482

4,510

Beam radius (mm)

15,751

15,642

15,535

15,425

15,316


-3,782

-3,776

-3,77

-3,764

-3,757

Focus radius (mm)

0,133

0,134

0,135

0,136

0,137

Focaal punt

0,201

0,201

0,201

0,201

0,201

Tabel 14 toont aan dat, bij adaptieve optiek 2, er bij een hoge druk geen grote verandering is in focus radius. Het focaal punt blijft hier constant. Tabel 14: drukvariatie adaptieve optiek 2

Wensdruk (10,5 bar)

10,4 bar

10,45 bar

10,5 bar

10,55 bar

10,6 bar

Radius optiek (m)

16,543

16,923

17,331

17,759

18,208

Beam radius (mm)

7,176

7,188

7,203

7,220

7,239


-6,169

-6,298

-6,434

-6,574

-6,718

Focus radius (mm)

0,285

0,285

0,284

0,283

0,282

Focaal punt

0,196

0,196

0,196

0,196

0,196

34

7.3.2. Uitlijning Om de juiste diameter en invalshoek op de lens te kunnen garanderen is het noodzakelijk dat de adaptieve spiegels perfect worden uitgelijnd met de laserstraal. Wanneer de beam niet perfect in het centrum van de optieken terechtkomt zal de beam niet correct gaan vervormen. Hierdoor wordt de beam asymmetrisch. Dit moet ten allen tijde vermeden worden. Ook zal de beam zich gaan verplaatsen wanneer de kromming van de adaptieve optieken gaat wijzigen. Hoe meer de beam verschoven is ten opzichte van het center, hoe groter de verplaatsing wordt ter hoogte van de lens (Figuur 26)

Figuur 26: uitlijning

Bij het uitlijnen van de testmachine is gebleken dat het uitlijnen een zeer moeilijk gegeven is bij de huidige opstelling. Hierdoor zijn verdere testen niet kunnen doorgaan. Hier moet rekening mee gehouden worden bij het verder ontwikkelen van een lasersnijmachine met adaptieve optiek. Om het uitlijnen te vereenvoudigen kan een nieuwe spiegelblok ontworpen worden die nauwkeuriger af te regelen is.

35

8. Kostenraming Aan de hand van een kostenraming wordt het huidig systeem met compensatie-as vergeleken met een systeem met adaptieve optieken. Hierbij wordt een overzicht gegeven van de belangrijkste onderdelen van beide systemen. De kostprijs van koppelingen, klemmen en kabels worden niet in rekening gebracht.

8.1.

Systeem met compensatie - as

Bij een compensatie-as is de grootste kostprijs de aandrijving en de geleiding van de compensatie-wagen. In deze wagen is de straalombuiger ingebouwd. Deze twee spiegels zorgen voor de compensatie van de optische weglengte. De totale kostprijs van een compensatie-as is weergegeven in Tabel 15. Tabel 15: kostprijs compensatie-as

Artikel

Bedrag (€)

Compensatie - wagen

2500

Aandrijving + geleiding

3200

Spiegels

1500

Montage/afregeling (32u)

2240

Totaal

9440

8.2.

Systeem met adaptieve optieken

De grootste kostprijs voor een systeem met adaptieve optieken zijn de adaptieve optieken zelf. Deze zijn geen standaardonderdelen en dienen per stuk gefabriceerd te worden. Door de grote nauwkeurigheid die vereist is voor deze optische elementen loopt de kostprijs op. Ook de pompen en de aansturing hiervan vormen een grote factor in de totale kostprijs van het systeem. Een samenvatting is weergegeven in Tabel 16. Tabel 16: kostprijs adaptieve optieken

Artikel

Bedrag (€)

Adaptieve optieken + sensor

5000

Pompen + drive

2000

Inbouw spiegels

1500

Montage/afregeling (32u)

2240

Totaal

10740

8.3.

Besluit

Uit de kostenraming blijkt dat de kostprijs van een systeem met adaptieve optieken duurder is dan een systeem met een compensatie-as. Een systeem met adaptieve optieken biedt echter meer voordelen dan het huidig systeem. In de eerste plaats wordt de compensatie-as overbodig. Hierdoor kan de machine beperkt worden in afmetingen. Ten tweede kan de klant meerdere plaatdiktes snijden met één lens. Dit systeem is dus flexibeler en zorgt voor een grotere productiviteit. Vandaar ook de keuze om over te schakelen naar een systeem met adaptieve optieken.

36

9. Veiligheid Veiligheid is steeds van groot belang in de industrie. Zo ook veiligheid bij het gebruik van laserbronnen.

9.1.

Veiligheidsklasse

Laserbronnen kunnen worden ingedeeld volgens bepaalde veiligheidsklassen. Deze veiligheidsklassen geven weer hoe gevaarlijk de laserbron is. Elke klasse krijgt een nummer met zich mee gaande van 1 tot 4. Hoe hoger het nummer hoe gevaarlijker een laserbron is. Bij laserbronnen met direct of indirect gevaar wordt dit aangeduid met een pictogram (Figuur 27). De klassen zijn de volgende: Klasse 1: Absoluut veilig in alle omstandigheden. Klasse 2: Deze klasse geldt alleen voor laserbronnen met zichtbare stralen en een vermogen lager dan 1mW. De sluitreflex van het ook is voldoende om het oog te beschermen. Klasse 3A: Zichtbaar licht met een vermogen lager dan 0,5W. Grote bundeldiameter en lage lichtintensiteit zodat de bundel geen oogschade kan veroorzaken.

Figuur 27: Laserstraling [24]

Klasse 3B: Directe laserbundel of reflectie van laserbronnen van deze klasse kunnen gevaar opleveren voor de ogen en de huid. Diffuse reflectie is niet schadelijk. Klasse 4: Dit zijn de gevaarlijkste laserbronnen met een vermogen groter dan 0,5W. Het kijken in de directe of reflecterende bundel is gevaarlijk. In deze masterproef wordt gebruik gemaakt van een laserbron die valt binnen deze klasse. Het vermogen bedraagt 6kW. In deze masterproef wordt er gebruik gemaakt van een CO2 laserbron met een golflengte van 10,6Ɋm. Deze golflengte valt buiten het zichtbare spectrum dat het menselijk oog kan waarnemen. Bijgevolg dient er extra aandacht te worden gevestigd op het veilig gebruik van deze laserbronnen omdat het gevaar niet zichtbaar is.

9.2.

Veiligheidsmaatregelen

Bij de bouw van een lasersnijmachine wordt extra aandacht gegeven aan het afschermen van de optische weg. Zo wordt vermeden dat de laserstraal zich buiten de machine gaat begeven. Tijdens het uitlijnen van de laserbron is het afschermen van de laserstraal echter niet mogelijk en moet er heel voorzichtig te werk worden gegaan. Hier is er sprake van klasse 4. Eenmaal de machine wordt afgeleverd aan de klant dan is dit een klasse 1 machine. De laserbron los van de lasersnijmachine is een klasse 4 bron. Bij het plaatsen van een laserbron dient men ook rekening te houden dat deuren en toegangen zich niet in de aslijn van de straling mogen bevinden. Bij klasse 4 activiteiten is ook steeds een oranje knipper- of zwaailicht aanwezig. Individuele beschermingsmiddelen zijn hier hoofdzakelijk laserveiligheidsbrillen aangepast aan de golflengte en het vermogen. Het oog moet ook zijwaarts afgeschermd zijn tegen invallende stralingen. Het dragen van kunststofkledij is te vermijden.

37

10. Besluit Door het typische verloop van een laserstraal is het noodzakelijk om een systeem te hebben die de verandering van de bundelradius en kromming ter hoogte van de lens kan opvangen. Wanneer hier geen rekening mee wordt gehouden, verkrijgt men een slechte snijkwaliteit. Om dit te vermijden wordt bij LVD momenteel een compensatie-as gebruikt. Deze mechanische en optische compensatie zorgt dat de laserbundel ter hoogte van de lens steeds eenzelfde radius en kromming heeft waardoor de snijkwaliteit gegarandeerd wordt. Met adaptieve optieken is het mogelijk om de laserbundel te gaan wijzigen door de kromming van deze spiegels te wijzigen. Door dit systeem wordt de compensatie-as overbodig. Dit is een eerste voordeel van adaptieve optieken. De adaptieve optieken veranderen van kromming door de druk achter het spiegeloppervlak te wijzigen. Het werkingsgebied van de gebruikte adaptieve optieken ligt tussen 3 en 11 bar. Het wijzigen van de druk gebeurt via een hydraulisch circuit. In dit circuit is een smoring gedefinieerd. De smoring bevindt zich op de uitgang van de adaptieve optiek. Deze zorgt ervoor dat de druk ter hoogte van de adaptieve optiek toeneemt. Door het definiëren van een smoring is een kleiner debiet en zo ook een kleinere opvoerhoogte nodig voor de pomp. Voor het aansturen van het circuit wordt een meertraps centrifugaalpomp gekozen. Om verschillende plaatdiktes te kunnen snijden, moet de focusradius na de lens aangepast kunnen worden. Momenteel gebeurt dit door het plaatsen van een andere lens. In een systeem met adaptieve optieken is het mogelijk de bundelradius op de lens te controleren. Hierdoor wordt het mogelijk om de focusradius aan te passen zonder het wijzigen van de lens. Dit is een tweede voordeel van adaptieve optieken. De kostprijs van een systeem met adaptieve optieken is iets duurder dan het huidig systeem met een compensatie-as. Een systeem met adaptieve optieken biedt echter meer voordelen aangezien de lens niet meer gewisseld moet worden. Om de inbouwposties en instelwaarden van de adaptieve optieken te bepalen, is een simulator ontworpen in Excel. Uit simulaties blijkt dat het implementeren van adaptieve optieken in een CO2-lasersnijmachine twee grote voordelen met zich meebrengt. In de eerste plaats kan de compensatie-as geëlimineerd worden waardoor de constructie van de machine vereenvoudigt. In de tweede plaats wordt het ook mogelijk van een breder gamma plaatdiktes te snijden met één lens. Dit verhoogt de productiviteit van de machine. Bij het gebruik van een systeem met adaptieve optieken moet ook gekeken worden naar de stabiliteit van het systeem. Hier zijn drie belangrijke factoren die invloed hebben op de stabiliteit van dit systeem. Deze drie factoren zijn stabiliteit van de laserbron, stabiliteit van de optische weg en stabiliteit van de adaptieve optieken. De stabiliteit van de laserbron en de optische weg hangen samen. Uit metingen blijkt dat het bundelverloop sterk afhankelijk is van omgevingsfactoren. Door een verandering van CO2-gehalte in de optische weg zal de laserbundel zich anders gaan gedragen. Dit zorgt ervoor dat er geen zekerheid meer is over de kromming en de bundelradius. Om dit te vermijden wordt gewerkt met stikstof in de optische weg. Hierdoor worden meetwaarden reproduceerbaar en wordt de invloed van CO2 weggewerkt. Bij het opnieuw inschakelen van de laserbron blijkt dat hier een wijziging merkbaar is in het bundelverloop. In samenspraak met de producent wordt daarom aangeraden van een aging cyclus uit te voeren. Na deze cyclus kan ervan uit gegaan worden dat de bron opnieuw voldoet aan de karakteristiek die opgegeven is door de producent. Hierdoor is er een grotere zekerheid naar bundelradius en kromming.

38

Een andere factor die bepalend is voor de stabiliteit van het systeem is de stabiliteit van de adaptieve optieken. Hierbij blijkt de uitlijning van de adaptieve optieken voor problemen te zorgen. De adaptieve optieken moeten perfect uitgelijnd worden met de laserbundel. Een verschuiving van de laserbundel ten opzichte van het center van de adaptieve optiek zorgt voor een vervorming en een verplaatsing van de laserbundel. Dit dient steeds vermeden te worden. Bij verder onderzoek zal hierbij rekening moeten gehouden worden. Een mogelijkheid om dit probleem te reduceren is door het ontwerpen van een spiegelblok die zowel horizontaal als verticaal regelbaar is. In deze spiegelblok kan de adaptieve optiek worden gemonteerd. De extra regeling zorgt er zo voor dat de uitlijning vlotter gaat. Door de problemen met de uitlijning zijn verdere metingen en snijtesten niet kunnen doorgaan. Verder moet de warmte-invloed van de adaptieve optieken worden nagegaan. De invallende laserbundel zal warmte afgeven aan de optiek waardoor deze eventueel kan vervorming. Een vervorming van het spiegeloppervlak zal rechtstreeks gevolgen hebben voor de kromming van de spiegel. Hierdoor zal de bundelradius en kromming gaan wijzigen. Dit heeft rechtstreeks invloed op de snijkwaliteit. De doelstellingen om een hydraulisch circuit te ontwerpen voor de aansturing van de adaptieve optieken, het definiëren van de inbouwplaatsen en het onderzoeken naar de mogelijkheid om de spotdiameter en de focusafstand te wijzigen na de lens zijn bereikt. Ook zijn de adaptieve optieken ingebouwd om de machine en is er een stabiliteitsonderzoek uitgevoerd. Enkel de uiteindelijke metingen en snijtesten zijn niet kunnen doorgaan wegens problemen met uitlijning en onverwachtse oxidatie van de adaptieve optieken.

39

11. Literatuurlijst [1]

LVD (2013), LVD Group [on line]. http://www.lvdgroup.com/nl/ (datum van opzoeking: 21/11/2013)

[2]

Siegman, A.E., Lasers, California: University Science Books, 1986, p 1

[3]

Römer, G.R.B.E, Hoogvermogen lasers voor het bewerken van metalen, 2d ed. Zoetemeer, 2009, p 8

[4]

Dave, W. (2013), Polarizer [on line]. http://en.wikipedia.org/wiki/Polarizer (datum van opzoeking: 05/04/2014)

[5]

Louhenkilpi, S. (2011), Laser beam characterization [on line]. http://www.tankonyvtar.hu/en/tartalom/tamop425/0036_AFSZIA_lezeres_feluletmodositas_modelleze se/a_lzersugr_jellemzse.html (datum van opzoeking: 05/04/2014)

[6]

Quimby, R.S., Photonics and Lasers, Massachusetts: Wiley-Interscience, 2006, p 308

[7]

Siegman, A.E., Lasers, California: University Science Books, 1986, p 665

[8]

Svelto, O., Principles of Lasers, 5d ed. Milan: Springer, 2010, p 154

[9]

Svelto, O., Principles of Lasers, 5d ed. Milan: Springer, 2010, p 153

[10]

Goldsmith, P.F., Quasioptical systems, New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1998, p 29

[11]


[12]


[13]


[14]

Quimby, R.S., Photonics and Lasers, Massachusetts: Wiley-Interscience, 2006, p 23-24

[15]


[16]

Römer, G.R.B.E, Hoogvermogen lasers voor het bewerken van metalen, 2d ed. Zoetemeer, 2009, p 26

[17]

TRUMPF (2014), Lasersnijden en laserboren [on line]. http://www.nl.trumpf.com/nl/producten/lasertechniek/oplossingen/toepassingsgebieden/lasersnijden. html (datum van opzoeking: 11/03/2014)

[18] II-VI (2013), Mirrors [on line]. http://www.iiviinfrared.com/CO2-Laser-Optics/mirrors.html (datum van opzoeking: 23/11/2013) [19]

Brater, E.F., King, H.W., Lindell, J.E., Wei, C.Y., Handbook of hydraulics, 7d ed. New York: McGraw-Hill, 1998, p 6.8.

[20]

http://docs.bentley.com/en/HMSewerCAD/SewerCAD_Help-14-026.html

[21]

Idel’Chik, I.E., Handbook of hydraulic resistance, Jerusalem: S.Monson, 1966, p 26

40

[22]

Planck, M., Treatise on Thermodynamics, Berlin: Dover Publications, 1905, p 54

[23]

Reed Business Information, Poly Technisch Zakboek, Reed Business Information, 2004, p 206-208

[24]

HENNING, T. (2012), Laser [on line]. http://de.wikipedia.org/wiki/Laser (datum van opzoeking: 13/11/2013)

41

Bijlage 1: Marktonderzoek In dit marktonderzoek worden enkele concurrenten van LVD bekeken. Deze zijn: -

TRUMPF AMADA MAZAK

Hierbij wordt er enkel gekeken naar CO2 lasersnijmachines met adaptieve optieken.

42

Trumpf overzicht: Hieronder is een overzicht te vinden van de CO 2 lasersnijmachines van TRUMPF:

CO2 lasersnijmachines TruLaser 3000 series TruLaser 5000 series TruLaser 7000 series TruLaser 8000 series

Optisch principe: Trumpf maakt al geruime tijd gebruik van adaptieve optieken in verschillende opstellingen. Hieronder worden enkele principes nader toegelicht. Deze worden gebruikt op verschillende punten in de optische weg om: -

Als eerste spiegel om de beam diameter te bepalen Als laatste spiegel voor de lens om de focus positie te wijzigen

43

e

1 werkingsprincipe: De laserstraal verlaat de bron en komt een eerste adaptieve spiegel tegen (1). Deze spiegel zal de optische weglengte compenseren bij een verplaatsing van de lasersnijkop. Vervolgens wordt de laserstraal op twee vaste spiegels (2) geschoten. Hierna wordt de laserstraal weerkaatst op het portaal. Net boven de snijkop wordt een tweede adaptieve spiegel (3) geplaatst om de focus positie te wijzigen met als doel: verschillende plaatdiktes te kunnen snijden met eenzelfde lens. Adaptieve optiek (1) è BRON

Vaste spiegels (2) è

ç Adaptieve optiek (3)

Figuur 1: 1e werkingsprincipe [1]

Figuur 2 geeft weer wat er gebeurt in de adaptieve spiegel bovenaan de snijkop (3). De adaptieve spiegel bezit twee kanalen. Een toevoer- en een afvoerleiding. Het gebruikte medium is water, dit zal ook zorgen voor de koeling van de spiegel. Door de druk te verhogen in de spiegel zal de kromming gaan wijzigen. Hierdoor zal de focuspositie gaan wijzigen zoals te zien is in figuur 2.

Retour è Aanvoer è

ç Focuspositie

Figuur 2: werking adaptieve optieken [1]

Dit werkingsprincipe wordt gebruikt bij kleine vermogens tot 3,2kW.

44

e

2 werkingsprincipe: In figuur 3 wordt het tweede werkingsprincipe afgebeeld. De laserstraal S vertrekt vanuit de bron en wordt weerkaatst op een afbuigspiegel 1. Vervolgens wordt met behulp van een adaptieve spiegel 2 de laserstraal weerkaatst naar de polarisatiespiegel 3 en opnieuw een afbuigspiegel 4. Afbuigspiegel 4 weerkaatst de laserstraal op zijn beurt naar de spiegel 5 die bevestigd is op het portaal. Vervolgens wordt de laserstraal weerkaatst naar twee spiegels in de lasersnijkop. De divergentiehoek van de laserstraal wordt aangepast met behulp van deze spiegels 6/1 – 6/2 Op deze manier kan het focuspunt hoger of lager worden gebracht. Tenslotte gaat de laserstraal door de focus lens 7. Adaptieve optiek (2) è

çPolarisatiespiegel

Bron

Focus Lens è çFocus Lens (7)

çFocus Lens (7) Figuur 3: 2e werkingsprincipe [2]

Dit principe wordt toegepast in bij laserbronnen van 4kW De functies van deze spiegel zijn: -

Het focuspunt aanpassen naargelang de dikte van het materiaal Compensaties van de optische weg lengte

Adaptieve spiegels worden gebruikt op volgende plaatsen in de optische weg: -

Als eerste spiegel om de beam diameter in te stellen Als laatste spiegel voor de lens om de focus positie aan te passen

45

Amada overzicht: Hieronder zijn de verschillende types CO2-lasersnijmachines van AMADA onderverdeeld volgens hun principe: CO2- lasersnijmachines LC ALPHA IV FO M II RI QUATTRO FO MII LC F1

Optisch principe: Bij Amada wordt met behulp van twee adaptieve optieken de optische weg lengte constant gehouden. Daarnaast maken ze ook gebruik van de adaptieve optieken om de focusradius te wijzigen. Hierdoor is er slechts één lens nodig voor het snijden van verschillende plaatdiktes. Het principe is schematisch voorgesteld in figuur 4.

adaptieve optiek

adaptieve optiek

adaptieve optiek

Figuur 4: LC ALPHA IV

46

Mazak overzicht: Hieronder zijn de verschillende types CO2-lasersnijmachines van MAZAK onderverdeeld volgens hun principe: CO2-lasersnijmachines Super Turbo-X 44 Optiplex 3015 HYPER GEAR series

Optisch principe : Bij Mazak maakt men gebruik van één adaptieve spiegel. Hiermee wordt de spotdiameter gewijzigd. Daardoor is een verandering van lens niet meer nodig om verschillende plaatdiktes te snijden. De adaptieve spiegels staan aangeduid op figuur 5.

adaptieve optiek

adaptieve optiek

wijziging focusradius en focuspositie

Figuur 5: Bending Mirror - Mazak

47

Besluit Algemeen kan besloten worden dat adaptieve optieken heel frequent worden gebruikt in een CO2lasersnijmachine. Veelal wordt er gebruik gemaakt van twee adaptieve optieken om de laserbundel te controleren. Hierbij heeft elke producent zijn voorkeur voor het inbouwen van deze optieken. Via de opgezochte patenten wordt ook duidelijk dat de meeste producenten technieken van elkaar overnemen, weliswaar met kleine aanpassingen.

Referenties [1]

TRUMPF, 2013, [on line] http://www.youtube.com/watch?v=Nxi-h9fjEOQ (datum van opzoeking: 31/10/2013)

[2]

TRUMPF, Laser Processing CO2 laser,2013 [on line] http://www.trumpf-laser.com/en/abouttrumpf/media-center/library.html (datum van opzoeking: 31/10/2013)

[3]

AMADA, LC-F1 NT Series, 2013, [on line] http://www.amada.com/site/TEXT%20FILES/07052012TEXT%20FILESp171b9fqm9eeqi001j1j1edfemja. pdf (datum van opzoeking: 31/10/2013)

[4]

AMADA, “Method and apparatus for laser cutting of multiple stacked metal worksheets” EP 0557942 B1, Oktober, 4, 1995

[5]

MAZAK, “Laser processing machine having programmable focus positioning function”, EP 2177300 B1, December, 5, 2012

48

Bijlage 2: Datasheet druksensor De adaptieve optieken zijn standaard voorzien van een druksensor. De datasheet van de druksensor is hieronder weergegeven. Volgend nummer is het typenummer van de sensor: DCT G 0200 B DC 01 2

49

Bijlage 3: Moody diagram Het Moody diagram wordt gebruikt voor het aflezen van de wrijvingsfactor van de gebruikte leiding bij een bepaald Reynoldsgetal.

50

Bijlage 4: Leidingen Hieronder is een uittreksel te vinden uit de catalogus Plastic tubing, standard O.D. van Festo.

51

Bijlage 5: Datasheet pomp In deze bijlage zijn de datasheets van de pomp weergegeven. De pomp is van het type CR 1S-30

52

53

54

55

56

57

Bijlage 6: Instelwaarden Onderstaande tabellen geven de krommingen weer voor de twee adaptieve optieken alsook instelwaarden voor de overeenkomstige drukken. De drukwaarden zijn afgeleid uit de karakteristieken van de producten (IIVI) en uit de opgemeten karakteristiek. De tabellen zijn opgemaakt voor een lens van 7,5” voor het simuleren van een lens van 10”, 7,5” en 5”. Ook is een richtwaarde meegegeven voor de frequentie van de pomp.

Simulatie 10" lens Afstand optiek 2 – lens (mm) 7500

Positie op tafel (m) 0

Kromming optiek 1 (mm) -8075

Kromming optiek 2 (mm) 8305

Focusradius

Focusafstand

0,279

190,2

0

8000

0,5

-7237

8097

0,279

190,2

0,5

8500

1

-6547

7918

0,279

190,2

1

9000

1,5

-5971

7761

0,279

190,2

1,5

9500

2

-5485

7624

0,279

190,2

2

10000

2,5

-5068

7502

0,279

190,2

2,5

10500

3

-4708

7394

0,279

190,2

3

11000

3,5

-4393

7297

0,279

190,2

3,5

11500

4

-4116

7209

0,279

190,2

4

12000

4,5

-3872

7131

0,279

190,2

4,5

12500

5

-3653

7059

0,279

190,2

5

13000

5,5

-3458

6994

0,279

190,2

5,5

13500

6

-3281

6933

0,279

190,2

6

(mm)

Positie (m)

Drukwaarden bepaald op basis van karakteristiek van de producent Positie pomp 1 pomp 2 op tafel 1/R1 Druk (Bar) mA Hz 1/R2 Druk (Bar) mA Hz (m) 0 -0,1238 6,07 11,04 35,0 0,1204 8,10 13,40 40,8 0,5 -0,1382 6,41 11,44 36,0 0,1235 8,03 13,32 40,6 1 -0,1527 6,76 11,84 37,1 0,1263 7,96 13,24 40,4 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

-0,1675 -0,1823 -0,1973 -0,2124 -0,2276 -0,2430 -0,2583 -0,2737 -0,2892 -0,3048

7,11 7,47 7,83 8,19 8,56 8,93 9,30 9,67 10,04 10,42

12,26 12,67 13,09 13,51 13,93 14,36 14,79 15,22 15,65 16,08

38,1 39,1 40,1 41,0 42,0 42,9 43,8 44,7 45,5 46,4

0,1288 0,1312 0,1333 0,1352 0,1370 0,1387 0,1402 0,1417 0,1430 0,1442

7,90 7,84 7,79 7,75 7,70 7,66 7,63 7,59 7,56 7,53

13,17 13,10 13,04 12,99 12,94 12,89 12,85 12,81 12,77 12,74

40,3 40,1 40,0 39,8 39,7 39,6 39,5 39,4 39,3 39,2

58

Simulatie 7,5" lens Afstand optiek 2 – lens (mm) 7500




Focusradius

Focusafstand

Positie

0,212

190,4

0

8000

0,5

-8346

9814

0,212

190,4

0,5

8500

1

-7760

9543

0,212

190,4

1

9000

1,5

-7238

9300

0,212

190,4

1,5

9500

2

-6771

9082

0,212

190,4

2

10000

2,5

-6353

8886

0,212

190,4

2,5

10500

3

-5977

8709

0,212

190,4

3

11000

3,5

-5637

8548

0,212

190,4

3,5

11500

4

-5330

8401

0,212

190,4

4

12000

4,5

-5051

8267

0,212

190,4

4,5

12500

5

-4797

8146

0,212

190,4

5

(mm)

(m)

13000

5,5

-4565

8033

0,212

190,4

5,5

13500

6

-4352

7929

0,212

190,4

6


-0,1382 -0,1477 -0,1574 -0,1673 -0,1774 -0,1876 -0,1980 -0,2085 -0,2191 -0,2298

6,41 6,64 6,87 7,11 7,35 7,60 7,85 8,10 8,35 8,61

11,44 11,70 11,97 12,25 12,53 12,82 13,11 13,40 13,69 13,99

36,0 36,7 37,4 38,1 38,8 39,4 40,1 40,8 41,5 42,1

0,1075 0,1101 0,1125 0,1148 0,1170 0,1190 0,1210 0,1228 0,1245 0,1261

8,41 8,35 8,29 8,24 8,18 8,14 8,09 8,05 8,01 7,97

13,76 13,69 13,62 13,56 13,50 13,44 13,39 13,34 13,29 13,24

41,6 41,4 41,3 41,1 41,0 40,9 40,8 40,6 40,5 40,4

59





Focusradius

Focusafstand

Positie

0,141

190,5

0

8000

0,5

-5724

10321

0,141

190,5

0,5

8500

1

-5616

10193

0,141

190,5

1

9000

1,5

-5508

10071

0,141

190,5

1,5

9500

2

-5398

9949

0,141

190,5

2

10000

2,5

-5289

9832

0,141

190,5

2,5

10500

3

-5180

9719

0,141

190,5

3

11000

3,5

-5074

9608

0,141

190,5

3,5

11500

4

-4964

9502

0,141

190,5

4

12000

4,5

-4858

9398

0,141

190,5

4,5

12500

5

-4754

9299

0,141

190,5

5

13000

5,5

-4650

9201

0,141

190,5

5,5

13500

6

-4549

9108

0,141

190,5

6

(mm)

(m)


-0,1816 -0,1853 -0,1891 -0,1931 -0,1971 -0,2015 -0,2058 -0,2103 -0,2151 -0,2198

7,45 7,54 7,63 7,73 7,83 7,93 8,04 8,15 8,26 8,37

12,65 12,75 12,86 12,97 13,08 13,20 13,33 13,45 13,58 13,72

39,0 39,3 39,5 39,8 40,1 40,3 40,6 40,9 41,2 41,5

0,0993 0,1005 0,1017 0,1029 0,1041 0,1052 0,1064 0,1075 0,1087 0,1098

8,61 8,58 8,55 8,52 8,49 8,47 8,44 8,41 8,38 8,36

13,99 13,96 13,92 13,89 13,86 13,82 13,79 13,76 13,73 13,70

42,1 42,0 42,0 41,9 41,8 41,7 41,7 41,6 41,5 41,5

60





Focusradius

Focusafstand

0,279

190,2

0

8000

0,5

-7237

8097

0,279

190,2

0,5

8500

1

-6547

7918

0,279

190,2

1

9000

1,5

-5971

7761

0,279

190,2

1,5

9500

2

-5485

7624

0,279

190,2

2

10000

2,5

-5068

7502

0,279

190,2

2,5

10500

3

-4708

7394

0,279

190,2

3

11000

3,5

-4393

7297

0,279

190,2

3,5

11500

4

-4116

7209

0,279

190,2

4

12000

4,5

-3872

7131

0,279

190,2

4,5

12500

5

-3653

7059

0,279

190,2

5

13000

5,5

-3458

6994

0,279

190,2

5,5

13500

6

-3281

6933

0,279

190,2

6

(mm)

Positie (m)

Drukwaarden bepaald op basis van opgemeten karakteristieken Positie pomp 1 pomp 2 op tafel 1/R1 Druk (Bar) mA Hz 1/R2 Druk (Bar) mA Hz (m) 0 -0,1238 6,87 11,97 37,4 0,1204 8,24 13,57 41,2 0,5 -0,1382 7,22 12,37 38,4 0,1235 8,13 13,44 40,9 1 -0,1527 7,57 12,79 39,4 0,1263 8,03 13,32 40,6 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

-0,1675 -0,1823 -0,1973 -0,2124 -0,2276 -0,2430 -0,2583 -0,2737 -0,2892 -0,3048

7,93 8,30 8,66 9,03 9,40 9,78 10,15 10,53 10,91 11,29

13,20 13,63 14,05 14,48 14,91 15,35 15,78 16,22 16,66 17,10

40,3 41,3 42,2 43,2 44,1 44,9 45,8 46,6 47,4 48,2

0,1288 0,1312 0,1333 0,1352 0,1370 0,1387 0,1402 0,1417 0,1430 0,1442

7,94 7,86 7,78 7,71 7,65 7,59 7,53 7,48 7,43 7,39

13,21 13,12 13,03 12,95 12,87 12,80 12,74 12,68 12,62 12,57

40,4 40,1 39,9 39,7 39,6 39,4 39,2 39,1 39,0 38,8

61

Simulatie 7,5" lens Afstand optiek 2 – lens (mm) 7500




Focusradius

Focusafstand

0,212

190,4

0

8000

0,5

-8346

9814

0,212

190,4

0,5

8500

1

-7760

9543

0,212

190,4

1

9000

1,5

-7238

9300

0,212

190,4

1,5

9500

2

-6771

9082

0,212

190,4

2

10000

2,5

-6353

8886

0,212

190,4

2,5

10500

3

-5977

8709

0,212

190,4

3

11000

3,5

-5637

8548

0,212

190,4

3,5

11500

4

-5330

8401

0,212

190,4

4

12000

4,5

-5051

8267

0,212

190,4

4,5

12500

5

-4797

8146

0,212

190,4

5

13000

5,5

-4565

8033

0,212

190,4

5,5

13500

6

-4352

7929

0,212

190,4

6

(mm)

Positie (m)


-0,1382 -0,1477 -0,1574 -0,1673 -0,1774 -0,1876 -0,1980 -0,2085 -0,2191 -0,2298

7,22 7,45 7,69 7,93 8,18 8,43 8,68 8,94 9,19 9,46

12,37 12,64 12,92 13,20 13,49 13,78 14,07 14,37 14,67 14,97

38,4 39,0 39,7 40,3 41,0 41,6 42,3 42,9 43,6 44,2

0,1075 0,1101 0,1125 0,1148 0,1170 0,1190 0,1210 0,1228 0,1245 0,1261

8,71 8,61 8,53 8,45 8,37 8,29 8,22 8,16 8,10 8,04

14,10 14,00 13,89 13,80 13,71 13,62 13,54 13,47 13,40 13,33

42,4 42,1 41,9 41,7 41,5 41,3 41,1 40,9 40,8 40,6

62





Focusradius

Focusafstand

Positie

(mm)

(mm)

0,141

190,5

0

8000

0,5

-5724

10321

0,141

190,5

0,5

8500

1

-5616

10193

0,141

190,5

1

9000

1,5

-5508

10071

0,141

190,5

1,5

9500

2

-5398

9949

0,141

190,5

2

10000

2,5

-5289

9832

0,141

190,5

2,5

10500

3

-5180

9719

0,141

190,5

3

11000

3,5

-5074

9608

0,141

190,5

3,5

11500

4

-4964

9502

0,141

190,5

4

12000

4,5

-4858

9398

0,141

190,5

4,5

12500

5

-4754

9299

0,141

190,5

5

13000

5,5

-4650

9201

0,141

190,5

5,5

13500

6

-4549

9108

0,141

190,5

6


-0,1816 -0,1853 -0,1891 -0,1931 -0,1971 -0,2015 -0,2058 -0,2103 -0,2151 -0,2198

8,28 8,37 8,46 8,56 8,66 8,76 8,87 8,98 9,10 9,21

13,60 13,71 13,82 13,93 14,04 14,17 14,29 14,42 14,55 14,69

41,3 41,5 41,7 42,0 42,2 42,5 42,8 43,0 43,3 43,6

0,0993 0,1005 0,1017 0,1029 0,1041 0,1052 0,1064 0,1075 0,1087 0,1098

9,00 8,96 8,92 8,87 8,83 8,79 8,75 8,71 8,67 8,63

14,45 14,40 14,35 14,30 14,25 14,20 14,15 14,10 14,05 14,01

43,1 43,0 42,9 42,8 42,7 42,6 42,5 42,4 42,3 42,2

63

Ombouw en realisatie van lasersnijmachine met adaptieve optiek

Recommend Documents