نور و نقش دستگاه لیزر در تحولات صنعت خودروسازی

 

 تقریباً تکنولوژی ماشین آلات برشکاری لیزری، پرس برک و خمکن لوله و پروفیل هر روز در بخش‌های مختلف یک ماشین به چشم می‌خورد. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که سهم بازار دستگاه‌ برش لیزر فلزات تا سال 2022 به 6 میلیارد دلار خواهد رسید و خودروسازان از جمله صنایعی خواهند بود که از این فناوری نوین بهره‌مند می‌شوند. پیچیدگی‌های به وجود آمده در فرایند تولید خودرو، نیاز به استفاده از دستگاه‌های برش لیزر را بیش از پیش افزایش داده است.

 

تاریخچه استفاده از دستگاه لیزر در تولید خودرو

فناوری لیزر از دهه 1980 وارد صنعت خودروسازی شد. در این دهه، استفاده از لیزر در جوشکاری قطعات، تولید کیسه هوا و جوشکاری اجزای موتور، مانند شیرهای تزریق، گسترش یافت. دهه 90 نیز شاهد کاربردهای لیزر در جوشکاری و هیدروفرمینگ قطعات بوده است. صنعت خودروسازی جهانی از ابتدای دهه 1973 فورد یک سیستم جوش لیزر را برای خط مونتاژ خود به کار گرفت. از سال 1993، گروه فولکس‌واگن لیزر را در ساخت بدنه خودروهای خود، به ویژه برای برندهای فولکس‌واگن و آئودی، ادغام کرده است. از آن زمان، صنعت خودروسازی از لیزر برای انجام عملیات‌های متنوعی به غیر از جوشکاری استفاده کرده است. این کاربردها شامل برش و سوراخ‌کاری، علامت‌گذاری برای پایش و ردیابی، تمیزکردن و ترکیب‌بندی برای آماده‌سازی سطح، و اسکن برای بازرسی کیفیت می‌شوند.

 

ادغام لیزر در تولید خودرو

در سال 2022، لیزرها به طور جامع در هر مرحله از فرآیند تولید خودرو، از طراحی و توسعه تا مونتاژ نهایی، به کار گرفته می‌شوند. به‌عنوان‌مثال، در حال حاضر بیش از 800 لیزر پرقدرت در کارخانه‌های مونتاژ در سراسر جهان نصب شده‌اند. علاوه بر این، نزدیک به 400 لیزر حالت جامد با توان 4 کیلووات بدنه‌های خودرو را در شش کارخانه فولکس‌واگن در سرتاسر جهان – چهار کارخانه در اروپا و یک کارخانه در آمریکای شمالی و آفریقا – جوش می‌دهند.

فولکس‌واگن تنها یکی از تولیدکنندگان نیست که از فناوری‌های لیزر جدید برای ارتقاء ارزش محصولات خود استفاده می‌کند. گروه مرسدس‌بنز نیز از لیزرها در خط تولید خود استفاده می‌کند. اکثر خودروسازان، از جمله آئودی، بی‌ام‌و، تویوتا، نیسان، ولوو و هیوندای، سال‌هاست که از لیزر برای اتصال فلزات استفاده می‌کنند. فورد و جنرال موتورز نیز در حال بررسی مزایای لیزر هستند و نشانه‌هایی از پیاده‌سازی این فناوری در هر دو شرکت وجود دارد.

 

لیزر به عنوان یک روش مقرون‌به‌صرفه

ثابت شده است که فناوری لیزر از مقرون‌به‌صرفه‌ترین روش‌ها برای برش مواد است. با کمک لیزر می‌توان خودرویی ایده‌آل برای مصرف‌ کنندگان با وزن کمتر، بدنه مستحکم‌تر و مصرف سوخت کمتر تولید کرد. در نهایت، ادغام فناوری لیزر در تولید خودروها، نه تنها به سادگی فرآیندها را بهبود بخشیده است بلکه راه را برای تولید نوآورانه و کارآمد خودروها هم باز کرده است. همچنین، با ادامه پذیرش عظیم تولیدکنندگان خودرو به فناوری‌های لیزر، می‌توان انتظار داشت که در آینده، خودروها نه تنها وسیله حمل و نقل نخواهند بود بلکه نماد دقت و توانایی فناوری خواهند بود.

 

دستگاه برش لیزر فلزات که در سال 1964 اختراع شدند، در خطوط مونتاژ خودرو نه‌تنها برای علامت‌گذاری و حکاکی لیزر، بلکه برای برش و جوشکاری دقیق فلزات استفاده شده است. سطوح متغیر توان خروجی آنها باعث می‌شود تقریباً در تمام زمینه‌های ساخت خودرو کاربرد داشته باشند. تولید رباتیک خودرو برای دهه‌ها بخشی از این صنعت بوده است و هنگامی که با فناوری لیزر استفاده می‌شود، مزایای زیادی را برای تولید خودرو خواهد داشت.

 

 

 

 1. پرتو (تابش) ثابت

در این روش، یک فرایند مکانیکی ساده به وجود می‌آید. یک ربات متریال را در مقابل یک پرتو لیزر ثابت حرکت می‌دهد. این روش به سادگی مواد را با دقت برش می‌زند و از جلوه‌ی تابش ثابت لیزر برروی سطح مورد نظر بهره می‌برد.

 

 2. بازوی متحرک

در این روش، لیزر بر روی یک بازوی مفصلی نصب می‌شود. این بازو به طور مکرر به اطراف حرکت می‌کند و به لیزر اجازه می‌دهد مواد را در الگوهای خاصی برش بزند. این روش امکان برش در الگوها و فرآیند‌های پیچیده را فراهم می‌کند.

 

 3. انتقال پرتو

با استفاده از یک سیستم انتقال پرتو پیچیده که ممکن است شامل فیبر نوری باشد، نور لیزر برای برش اشکال پیچیده انتقال داده می‌شود. این روش به ویژه برای برش اشکال سه‌بعدی یا ساختارهای پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در همه موارد، اهمیت دارد که ربات به اندازه کافی بزرگ و قدرتمند باشد تا بتواند لیزر را به طور مؤثر به موقعیت‌های لازم منتقل کند. به این ترتیب، از لیزرهای برش فلزات در صنعت خودروسازی به‌عنوان ابزاری حیاتی و کارآمد برای فرآیندهای تولیدی بهره گرفته می‌شود.

 

 

 1. انواع ایربگ‌ها

استفاده از لیزر در تولید انواع ایربگ‌ها به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد تا تکنیک‌های پیچیده و پیشرفته برش را با روش‌های کارآمدتری ترکیب کنند. این تکنولوژی قابلیت مدیریت توان لیزر را با نزدیک‌ترین وات به سازندگان کمک می‌کند تا تقریباً هر ماده‌ای را با دقت برش دهند. برش لیزر می‌تواند از پس الگوهای تخصصی بسیار سریع‌تر نیز برآید.

 

 2. قطعات حمل

اجزاء داخلی خودرو مانند پنل داشبورد نیز با استفاده از لیزر برش تولید می‌شوند. لیزرهای برش با کیفیت برش عالی و کارآمدی بسیار بالا را در تولید قطعات حمل ارائه می‌دهند.

 

 3. قطعات حسگر کوچک

لیزرها در تولید قطعات حسگر کوچک نیز نقش مهمی ایفا می‌کنند. این قطعات شامل سنسورهای کیسه هوا، جرقه‌زن‌ها، سنسورهای سیستم ترمز ضد قفل و شیرهای تزریق می‌شوند. لیزرهای برش فلزات با دقت بالا و سرعت مناسب، در تولید این قطعات بهبود و کارآیی بالایی را به دست می‌آورند. به‌طور کلی، لیزرهای برش فلزات در صنعت خودروسازی به عنوان یک ابزار پرکاربرد و پیشرفته، در تولید انواع قطعات و اجزاء از جمله ایربگ‌ها، قطعات حمل، و قطعات حسگر کوچک، نقش بسیار مؤثری ایفا می‌کنند.

 

 

1. دقت فوق‌العاده

لیزرهای مدرن به دلیل دقت بالای خود و کیفیت ثابت در تولید قطعات فلزی، به تولیدکنندگان خودرو این امکان را می‌دهند که با خطاهای کمتری روبرو شوند. از دوربین‌های بینایی برای اطمینان از موقعیت دقیق قطعات استفاده می‌شود، که باعث حذف خطاهای ناشی از تغییرات مکان‌یابی می‌شود.

 

 2. کاربردهای گسترده

استفاده از تمیزکاری لیزری به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد که مواد را از آلودگی‌ها و ناخالصی‌ها پاک کنند. این روش به‌طور ایده‌آل برای پوشش الکتریکی بر روی قطعات استفاده می‌شود و حتی در برش الگوهای میکرونی نیز بسیار عالی عمل می‌کند.

 

3. ابزار و قطعات کمتر

استفاده از لیزر به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد که از قطعات کمتری در تولید خودروها استفاده کنند، چرا که فناوری لیزر به سرعت اتصالات مواد را جوش می‌دهد و عایق ایمن ایجاد می‌کند. همچنین، فناوری لیزر به‌عنوان روشی کم‌استرس‌تر و سریع‌تر نسبت به روش‌های سنتی در استحکام سازه‌ها و ایجاد پایداری و توزیع بهتر بار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

4. ترکیب نوآورانه مواد

فناوری لیزر با امکانات شکل‌دهی گرم، مواد را بدون لمس یا اعمال نیرویی شکل می‌دهد و قالب‌گیری می‌کند. این ویژگی امکان استفاده از ترکیبات مواد نوآورانه‌تر را ممکن می‌سازد و به مهندسان مواد این امکان را می‌دهد تا با متریال‌های جدید و بهینه‌تری آزمایش‌ها انجام دهند.

 

 5. ضایعات کمتر مواد

استفاده از لیزر در برش فلزات به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد که از مواد مورد استفاده حداکثر بهره را ببرند و در نتیجه ضایعات را کاهش دهند. این موضوع نه‌تنها به حفظ محیط زیست کمک می‌کند بلکه هزینه‌های تولید را نیز کاهش می‌دهد. به‌طورکلی، فناوری لیزر در صنعت خودروسازی با ایجاد دقت بالا، کاربردهای گسترده، استفاده از ابزار و قطعات کمتر، ترکیب نوآورانه مواد، و کاهش ضایعات، امکانات منحصر به‌فردی را به تولیدکنندگان می‌دهد و به بهبود کارایی و کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند.

 

 

مزایای لیزرها بی‌شمار است، اما مهم‌ترین مزیت آنها سرعت است؛ زیرا وظایف و تکنیک‌های تکراری را سریع و دقیق اجرا می‌کنند. این امر آنها را به سرمایه‌های همه‌کاره برای صنعت خودروسازی تبدیل می‌کند. خودروسازان می‌دانند که زمانی صرف می‌شود تا یک محصول مناسب باتوجه‌به آخرین سبک موجود تولید شود  بسیار مهم است، اما هر ثانیه‌ای که به فرایند تولید اضافه شود بر بهره‌وری و کارایی تأثیر می‌گذارد. ساده‌سازی و کاهش زمان می‌تواند باعث افزایش تولید و کاهش هزینه‌ها شود.

اتخاذ استراتژی‌های تعویض تک دقیقه‌ای قالب (SMED) که به معنای کم‌کردن وقت‌های تلف شده از طریق کاستن از فعالیت‌های تنظیم، تعویض و راه‌اندازی تجهیزات، ماشین‌ها و ابزارآلات است برای بسیاری از تولیدکنندگان، زمان لازم برای تولید مطابق با آخرین سبک موجود را از ساعت‌ها به کمتر از 10 دقیقه کاهش داده است. با این‌حال، با لیزر، تغییر سیستم تقریباً آنی است و گاهی اوقات فقط کمتر از یک ثانیه طول می‌کشد.

ازآنجایی‌که تغییر لیزر با استفاده از نرم‌افزار انجام می‌شود، تنظیمات می‌توانند کاملاً خودکار و دقیق باشند. افزایش سرعت در نتیجه باعث می‌شود تغییرات در تولید بی‌نقص باشد و زمان ازکارافتادگی در جایی که هیچ قطعه‌ای تولید نمی‌شود، به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. با تقاضای فعلی در صنعت خودرو و خودروهای الکتریکی، تولیدکنندگان به طور فزاینده‌ای مایل به سرمایه‌گذاری در فناوری‌های سریع‌تر هستند تا بتوانند به اهداف توان عملیاتی خود برسند.

سرعت پردازش لیزر می‌تواند تفاوت قابل‌توجهی برای سازندگان خودرو ایجاد کند. در پردازش مواد، دوبرابر کردن توان لیزر به معنای دوبرابر کردن سرعت پردازش است. به‌عنوان‌مثال، یک لیزر 200 وات می‌تواند یک سطح را تقریباً دوبرابر سریع‌تر از یک لیزر 100 وات تمیز کند. همین امر در مورد برش پلاستیک نیز صدق می‌کند، جایی که قدرت لیزر می‌تواند دوبرابر شود تا سرعت برش دوبرابر شود.

درعین‌حال، نرم‌افزار هدایت لیزر در حال پیش رفت است که به طور قابل‌توجهی تمیزکاری لیزری و انطباق‌پذیری برش را بهبود می‌بخشد. به‌صورت کلی می‌توان گفت با استفاده از دستگاه لیزر در خط تولید خودروسازی می‌توانید به بهره‌وری بالاتر و زمان چرخه کوتاه‌تر برسید.

 

پیش‌بینی می‌شود که شش میلیون خودروی الکتریکی با نرخ رشد 34.4 درصدی از سال 2022 روانه بازار شود. درحالی‌که بازار خودروهای برقی درحال‌رشد است، مصرف‌کنندگان نیز بادقت بیشتری به شیوه‌هایی که سازندگان هنگام ساخت محصولات خود به کار می‌برند، نگاه می‌کنند. ازآنجایی‌که لیزرها بدون مواد مصرفی کار می‌کنند، می‌توانند به میزان قابل‌توجهی ضایعات را کاهش دهند و جایگزین فناوری‌هایی که سازگار با محیط‌ زیست نیستند شوند.

لیزرها می‌توانند به تولیدکنندگان کمک کنند تا اتکای خود به مواد مصرفی؛ مانند جوهر، برچسب‌ها، مواد شیمیایی، نوارهای پوششی و مواد ساینده را کاهش دهند یا از بین ببرند. همچنین، به دلیل ماهیت غیرتماسی فرایند لیزر، از هیچ ابزار سایشی که از منابع اصلی تولید ضایعات هستند استفاده نمی‌شود. صنعت خودرو گام‌های مهمی در “سبزسازی” فرایند تولید خود برداشته است. با این‌حال، هنوز پیشرفت‌هایی وجود دارد که باید انجام شود. سرمایه‌گذاری در فناوری لیزر می‌تواند به قطعه‌سازان کمک کند تا به این هدف دست یابند.

 

فضای تولیدگران است، بنابراین شرکت‌ها می‌خواهند در ساخت خطوط تولید تا حد ممکن اقتصادی باشند. هنگامی که سازندگان خودرو یک ماشین جدید را به خط تولید فعلی اضافه می‌کنند، ممکن است به فضای کمی دسترسی داشته باشند و مجبور شوند هر چیزی را که اضافه می‌کنند، به‌زور جا دهند. پیشرفت‌ها در فناوری لیزر به جایی رسیده است که ماشین‌های لیزر جدید می‌توانند به طور مؤثر در اندازه‌های فشرده کار کنند. این مزیت برای خطوط تولید که نیاز به فضای کمتری دارند ایده‌آل است.

سیستم‌های لیزری نه‌تنها فشرده هستند، بلکه معمولاً در محوطه‌هایی نصب می‌شوند که فضای اشغال شده بسیار کمتری نسبت به آنچه جایگزین می‌کنند، مانند حمام‌های شیمیایی یا اتاق‌های سندبلاست اختصاصی نیاز دارد.

 

 

لیزرها به دلیل تطبیق‌پذیری و اینکه چگونه این فناوری می‌تواند برای پاسخگویی به نیازهای خاص خودروسازان سازگار شود، از انعطاف‌پذیرترین ابزارها هستند. لیزرها می‌توانند تنوع اجزا، مواد و فرایندهای مورد استفاده در صنعت خودرو را کنترل کنند. از آنها برای علامت‌گذاری، حکاکی، برش، تمیزکاری، سوراخ‌کاری و جوش استفاده می‌شود. ازآنجایی‌که پارامترهای لیزر را می‌توان حین انجام عملیات به‌روز کرد، همان لیزر می‌تواند چندین عملیات را انجام دهد. برخی از دستگاه‌ها می‌توانند با یک به‌روزرسانی ساده برنامه که کمتر از یک ثانیه طول می‌کشد، علامت‌گذاری، تمیزکردن، مقاوم‌سازی و برش لیزری را انجام دهند.

لیزر برای برآورده‌کردن نیازهای پیچیده سطح استفاده می‌شود. عمق فرسایش و بافت سطح را می‌توان کنترل کرد و الگوهای فرسایش را با حداقل تلاش تغییر داد. این انعطاف‌پذیری می‌تواند چندین مرحله پردازش یا نیاز به چندین ماشین را از بین ببرد. علاوه بر این، تمیزکاری لیزری، آلودگی‌هایی مانند اکسیدها و کوتینگ‌ها را بدون آسیب رساندن به سطح حذف می‌کند. این مزیت برای حفظ یکپارچگی سطح بسیار مهم است.

 

توانایی تولید قطعات باکیفیت، راندمان، سرعت و انعطاف بالا و ایجاد صرفه‌جویی قابل‌توجه در هزینه با استفاده از لیزر، صنعت را به سمت پذیرش هر چه بیشتر فناوری لیزر سوق داده است. 

 

 

لیزرهای فایبر:

لیزرهای فایبر قدرت‌های بالاتر با واگرایی پرتو بهتری نسبت به لیزرهای قبلی ارائه می‌دهند. انتقال خودکار فیبر نوری لیزر به قطعه کار را در نظر بگیرید. یک جفت آینه اسکن در انتهای یک بازوی رباتیک پرتو را به‌سرعت در امتداد مفصل موردنظر حرکت می‌دهد. این تکنیک ابتدا توسط گروه مرسدس‌بنز توسعه داده شد.

 

جوش لیزری:

اگرچه سیستم‌های جوش لیزری جوش‌های بهتر و سبک‌تری نسبت به سیستم‌های معمولی تولید می‌کنند، اما مزایای نامحسوس‌تری نیز دارند. آنها به طراحان انعطاف‌پذیری کامل در مکان و هندسه جوش‌ها را ارائه می‌دهند. طراحان می‌توانند اتصالات با مناسب‌ترین هندسه را در محل موردنظر ایجاد کنند تا نتایج برنامه‌های محاسبه و شبیه‌سازی‌شده را با خود تطبیق دهند. این می‌تواند تعداد جوش‌های موردنیاز را به حداقل برساند و هزینه‌های ساخت را به حداقل برساند.

 

تحولات در سیستم‌های رباتیک:

نقطه‌ضعف سیستم‌های بازوهای رباتیک موجود، میزان استفاده نسبتاً پایین لیزر است که در محدوده 30 تا 50 درصد است. با لیزرهای قدیمی‌تر، قسمت اصلی رباتیک باید به 150 میلی‌متر از هر جوش برسد و زمان قابل‌توجهی برای انتقال آن از یک جوش به جوش دیگر نیاز است. استفاده از لیزر می‌تواند بسیار بیشتر باشد.

 

کیفیت پرتو بهبودیافته:

کیفیت بهبودیافته پرتو لیزرهای دیسکی جدید به این معنی است که همان جوش را می‌توان با استفاده از عدسی بافاصله کانونی بیشتر تولید کرد. فاصله کانونی بیشتر به این معنی است که بازوی رباتیک می‌تواند از قطعه کار دورتر باشد، کاهش زمان صرف شده برای جابه‌جایی از یک جوش به جوش دیگر را می‌توان از ثانیه به میلی‌ثانیه کاهش داد.

 

استفاده مستقیم از لیزرهای دیودی:

ممکن است در آینده شاهد استفاده مستقیم از لیزرهای دیودی باشیم که در حال حاضر تقریباً آماده استفاده در کاربردهای لحیم‌کاری هستند.

 

طراحی خودروهای آینده:

در آینده، روش‌های استفاده از لیزر در ساخت بدنه خودرو به طراحی خودروها بستگی دارد. طراحی‌های مبتنی بر قاب فضایی می‌توانند استفاده از لیزر را تسریع کنند. موادی مانند کامپوزیت‌ها و منیزیم بهتر است با استفاده از فناوری‌های دیگر به یکدیگر متصل شوند.

 

فناوری رسوب فلزی از طریق لیزر یا LMD یکی از فرایندهای تولید جدید است که به‌تازگی موردتوجه قرار گرفته است. در این فرایند از لیزر برای ایجاد یک حوضچه مذاب بر روی سطح فلز و رسوب پودر فلز در این حوضچه مذاب استفاده می‌شود. قالب‌های خودرو در طول فرایند شکل‌دهی دچار ساییدگی و پارگی زیادی می‌شوند که باعث کاهش عمر مفید آن‌ها می‌شود. تکنیک LMD به تولیدکنندگان کمک کرده است تا طول عمر قالب‌ها را بیش از دوبرابر کنند. رویکردهای “Drive-by-wire” (جایگزین‌کردن عملگرهای هیدرولیک و مکانیکی با الکترونیک) و سیستم‌های پیش‌برنده جایگزین در آینده نیازمند تکنیک‌های جدید تولید هستند. احتمالاً لیزرها همچنان نقش اصلی را در این فناوری‌ها ایفا خواهند کرد.

 

از لیزرها به دلیل سرعت و پردازش غیرتماسی آنها برای خودروسازی سنتی استفاده می‌شود. فناوری برش لیزر به تولیدکنندگان کمک می‌کنند تا در فرایند تولید خودروهای الکتریکی بر برخی از چالش‌های استفاده از فرایندهای سنتی‌تر در فناوری جدید غلبه کنند. سازندگان در حال تلاش برای یافتن راه‌هایی برای ایجاد یک روش جوش لیزر فایبر هستند که به‌اندازه کافی قوی باشد تا دیواره‌های نازک باتری را عایق‌بندی کند، اما آن‌قدر قوی نباشد که منافذی ایجاد کند که آب را وارد کند.

فناوری لیزر در صنعت خودروسازی قرار است در آینده نقش مؤثرتری داشته باشد. همان‌طور که مواد سبک‌تر و نازک‌تر می‌شوند، جوشکاری سنتی و تکنیک‌های ناشی از گرما به‌خوبی کار نمی‌کنند و به ظرافت بیشتری نیاز دارند. توانایی تولیدکنندگان برای کنترل توان لیزرهای خود، راه‌های نوآورانه مختلفی را در صنعت باز می‌کند و کارایی کلی را بهبود می‌بخشد.

بازار لیزر در صنعت خودروسازی همچنان با سرعت زیادی درحال‌رشد است. تحلیلگران نرخ رشد 11.4% (CAGR) و مخارج 30.3 میلیارددلاری را تا سال 2028 پیش‌بینی می‌کنند. پیشرفت در فناوری لیزر در حال حاضر تأثیر قابل‌توجهی بر صنعت خودرو گذاشته است و به رشد خود ادامه خواهد داد و دستاوردهای بیشتری را به همراه خواهد داشت. مگاماشین انواع دستگاه‌های برش لیزر درجه یک را ارائه می‌دهد که با مشخصات دقیق ساخته شده‌اند و پس از تحویل آماده کار هستند. امروزه تولیدکنندگان لیزر از جمله مگاماشین به طور مداوم لیزرهای قوی‌تری تولید می‌کنند. تولیدکنندگانی که مایل به سرمایه‌گذاری در فناوری‌های لیزر قدرتمندتر مگاماشین هستند، می‌توانند زمان پردازش را به طور چشمگیری کاهش دهند و توان عملیاتی را بهبود بخشند.