Aimo Tiainen 3D LASERSOLUN KÄYTTÖOHJEET

Aimo Tiainen 3D LASERSOLUN KÄYTTÖOHJEET Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikka Tammikuu 2008

2 KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikka TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Aimo Tiainen Työn nimi: 3D-lasersolun käyttöohjeet Päivämäärä: 25.1.2008 Sivumäärä: 13 + 1 liite Työn ohjaaja: DI Tapio Malinen Tilaaja: Oulun yliopisto, Oulun Eteläisen instituutti Tilaajan edustajat: DI Jarmo Mäkikangas, DI Markku Keskitalo Opinnäytetyö tehtiin Nivalassa sijaitsevalle ELME Studiolle. Työn tilaajana toimi ELME Studion tutkimuksesta vastaava Oulun yliopiston Oulun Eteläisen instituutin elektroniikan mekaniikan ja metallin tutkimusryhmä. Työn tavoitteena oli tehdä 3D-lasersolulle suomenkieliset ohjeet. Ohjeiden tarkoitus oli tukea muita lasersolun ohjeita. Ohjeiden teossa käytettiin paljon kuvia ja ohjeiden tekstistä pyrittiin luomaan helposti ymmärrettävää. Itse 3D-lasersolun ohjeet ovat liitteenä tämän työn lopussa. Asiasanoina: laserit, ohjeet

3 CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES ABSTRACT Mechanical and Production Engineering Author: Aimo Tiainen Name of Thesis: 3D-Lasercell manual Pages: 13 + 1 Appen- Date: 25 January 2008 dix Supervisor: M.Sc Tapio Malinen Orderer: University of Oulu, Oulu Southern Institute Representatives of orderer: M.Sc Jarmo Mäkikangas, M.Sc Markku Keskitalo The subject of this thesis was commissioned by ELME Studio which resides in Nivala. Thesis was ordered by ELME research group of university of Oulu, Oulu Southern Institute. In ELME Studio, ELME research group is in charge of research work. The target and purpose of this thesis was to make a Finnish- language manual for 3D-laser cell that supports other manuals of laser cells. Making the manual a lot of were used photos and the text purports to be decipherable. Manual of the 3D-lasercell is placed at the end of this thesis. Keywords: laser, manual

4 SISÄLLYS 1. JOHDANTO...5 2. KUVAUS 3D-LASER SOLUUN JA SEN YMPÄRISTÖÖN...6 3. KÄYTTÖOHJEEN TOTEUTTAMINEN...10 4. ARVIOINTI JA POHDINTA...12 LÄHTEET...13 LIITE... Virhe. Kirjanmerkkiä ei ole määritetty.

5 1. JOHDANTO Tämä opinnäytetyö löytyy liitteenä, alkuosa kertoo pääpiirteisesti työstä. Opinnäytetyön aihe löytyi pitkän ja piinallisen etsinnän jälkeen Oulun Eteläisen instituutin elektroniikan mekaniikan ja metallin tutkimusryhmältä Nivalan ELME Studiosta. Aiheeksi muodostui alkuvaiheen tutustumisen jälkeen 3D laser solun käyttöohjeet. Kyseiseen soluun oli jonkin näköisiä ohjeita itse laser laitteelle, robotille ja näiden oheislaitteille. Mutta itse ennen työstöä tapahtuvia ja työstöön liittyviä ohjeita puuttui tai ne olivat vieraskielisiä. Ohjeita siis lähdettiin rakentamaan lasertyöstöön ja siihen liittyviin toimenpiteisiin. Lisäksi ohjeista päätettiin tehdä mahdollisimman yksinkertaiset, jotta niitä voisi käyttää sellainenkin henkilö, jolla ei ole minkäänlaista kokemusta lasereista. ELME Studio on Nivalassa sijaitseva elektroniikan ja mekaniikan tuotantostudio, jonka toimintaympäristö muodostuu Nivalan tuotantostudion ELME laboratoriosta ja Kalajokilaakson koulutuskuntayhtymän (KAM) toimintaympäristöistä. ELME Studio on asiantuntijoista muodostuva yrityspalvelukonsepti. Studio palvelee ensisijaisesti Oulun Eteläisen alueen metallin, elektroniikan ja mekaniikan alan yrityksiä. Tarkoituksena on niiden kilpailukyvyn kohottaminen tutkimusten, tuotekehitysten ja koulutusten keinoin. ELME Studion ytimen muodostavat Teknologiakeskus Nitek, ELME tuotantostudio sekä laboratorio sekä niiden ympärillä tiiviissä yhteistyössä toimivat alueen yritykset, Oulun Yliopiston Oulun Eteläisen instituutti sekä Konetekniikan osasto, ammattikorkeakoulut ja ammatilliset oppilaitokset. ELME Studio on yksi kolmesta metallialan kehitystä edistävään kansalliseen ProMetalverkosto-osaamiskeskukseen kuuluvasta tuotantostudiosta. ProMetal kehittää yritystoiminnan kansainvälistä kilpailukykyä metallituoteteollisuuden tuotekehityksen, tuotantopalvelun sekä teollisuuden kunnossapitopalvelun alueella. ProMetalin ytimen muodostavat Nivalan, Raahen ja Tornion tuotantostudiot. (ELME-Studio 2007)

6 2. KUVAUS 3D-LASER SOLUUN JA SEN YMPÄRISTÖÖN Laitteisto koostuu pääosin Yb:YAG-laserista ja Motoman nivelvarsirobotista. Laitteiston omistaa Kalajokilaakson koulutuskuntayhtymä. Lisäksi lasersoluun kuuluvat pyörityspöytä sekä leikkaukselle ja hitsaukselle tarkoitetut pöydät. Tarkemmat tiedot työstöpäistä, pyörityspöydästä ja laserista kuvataan itse 3-lasersolun ohjeissa. Ohjeet löytyvät tämän työn liitteistä. Lasersolu soveltuu hyvin monipuoliseen lasertyöstöön. Lasersolussa voidaan hitsata, leikata, pintakarkaista, merkata ja myös pinnoittaa Kuva 1. Kuvassa 3D-lasersolu (Mäkikangas 2006)

7 Robottityöaseman laserina toimii Trumpf HLD 4002 -disk-laser, joka on tyypiltään diodipumpattu Yb:YAG-laser eli aktiivisena väliaineena toimii ytterbium-kide. Kuva 2. Robottityöaseman laser, Trumpf HLD 4002 -kiekkolaser. Laserin suurin ulostuloteho on 5,3 kilowattia ja suurin teho työkappaleen pinnalla 4,0 kilowattia. Laseriin on mahdollista liittää kaikkiaan 6 valokuitua. (Mäkikangas 2006)

8 Robottina toimii Motomanin UP50N -teollisuusrobotti. Robotissa on kaikkiaan 6 akselia ja sen käsittelykyky on 50 kiloa. Ulottuvuus on 2046 mm ja toistotarkkuus ± 0,07 mm. Kuva 3. Motomanin UP50N teollisuusrobotti ja Motomanin MT1-250 S2CX käsittelylaite (Mäkikangas 2006)

9 Robottityöasemaan kuuluu Motomanin MT1-250 S2CX -käsittelylaite, joka on kaksiakselinen pyörityslaite. Käsittelylaite mahdollistaa työkappaleen asemoinnin työstöprosessin kannalta optimaaliseen asentoon. Käsittelylaitteen kantavuus on 250 kiloa, kun massa on pyöritettävän Y-akselin keskellä. Käsittelylaitetta ohjataan robottiohjaimella, joka on malliltaan Motoman NX100. Kuva 4. Motomanin MT1-250 S2CX käsittelylaite. (Mäkikangas 2006)

10 3. KÄYTTÖOHJEEN TOTEUTTAMINEN Alkuvaiheeseen kuului tutustuminen erilaiseen laserkirjallisuuteen ja aineistoon, sillä lasertekniikkaa oli vain sivuttu koulutusohjelman ammatti opinnoissa. Alkuvaiheeseen liittyi myös laitteistoon tutustuminen. Eli olin mukana käyttämässä Laseria, sen ohjelmistoa ja Motoman robottia. Lisäksi osallistuin lasertekniikan Workshopiin. Lasertekniikan Workshop oli tilaisuus, jossa alan ammattilaiset kertoivat lasertekniikasta ja sen soveltamisesta elektroniikan mekaniikan tuotannossa. Ensimmäiset lasertyöt liittyivät leikkaukseen. Leikkaus tapahtui typellä ja leikattava materiaali oli kuuma- ja sähkösinkitty ohutlevy. Tässä vaiheessa opin miten asetetaan muuttujat ja prosessi parametrit, ja lisäksi kuinka tehdään käsi- ja kylmäajot. Tutustumisvaiheen jälkeen oli vuorossa aiheen tarkempi kartoitus. Minulla oli mahdollisuus valita kahdesta aihe alueesta, jotka olivat: 3D-laser solun ohjeet tai laser solulla tehtävä sovellus kohde. Näistä kahdesta aihe alueesta päädyin ensimmäiseen vaihto ehtoon. Tässä vaiheessa kyselin ja keräsin aiheita mitä ohjeissa pitäisi olla. Tämän jälkeen alkoikin ohjeiden sisällysluettelo olla valmis. Työ eteni kuvia ottamalla ja niitä muokkaamalla. Samalla yritin saada kirjoitettua tekstiä kuvien tueksi ja toisin päin. Kun ohjeet olivat edenneet jonkin verran eteenpäin, lukivat ELME:n työntekijöistä useampikin henkilö sen läpi. Tämän jälkeen pidettiin palaveri jossa, työntekijät antoivat palautetta. Muutos ja korjaus ehdotuksia sain ihan kiitettävästi ja niillä työ lähti mukavasti etenemään. Palaverin jälkeen aloin työstämään ohjeita niin, että ne palvelisivat enemmän aloittelijoita. Ohjeista siis piti saada helposti ymmärrettävämmät. Eli ohjeiden tekstistä pyrin saamaan helposti luettavampaa ja ytimekästä. Kuviin lisäsin viivoja, ympyröitä ja tekstiä, kuten itse ohjeista pitäisi huomata.

11 Lopussa oli vuorossa toinen palaveri, jossa jälleen ELME:n työntekijät tarkistivat ohjeet. Tässä vaiheessa he kiinnittivät eniten huomiota ohjeiden asiapitoisuuteen ja huomauttivat jos ilmeni virheitä. Nämä virheet korjattuani liitettiin vielä itse ohjeisiin esimerkki parametreja. Esimerkkiparametrit koostuvat lähinnä leikkaus-, hitsaus- ja pinnoitusparametreista.

12 4. ARVIOINTI JA POHDINTA Ohjeiden teko lähti alussa hitaasti liikkeelle. Pääsyy tähän lienee, etten ollut käyttänyt vastaavia laitteita ennen. Lisäksi koulutus ohjelmassa ei liiemmin ollut lasertekniikkaa. Mutta alku kankeuden jälkeen työ lähti etenemään omalla painolla. Sitä en voi kiistää etteivätkö ohjeet olisi voineet valmistua nopeamminkin, mutta oma elämän tilanne ei ole vaatinut valmistumaan koulusta nopeammin. Itse ohjeet onnistuivat mielestäni hyvin. Tästä osittaista varmuutta sain henkilöltä, joka luki ohjeet läpi. Henkilöllä ei ollut aikaisempaa kokemusta itse laserlaitteistosta. Varman tiedon saisi ohjeiden toimivuudesta, jos ne testattaisiin käytännössä. Käytännön testauksessa ohjeet olisi annettu henkilölle tai henkilöille, jotka eivät ole työskennelleet ennen lasersolussa. Mutta tällaiseen testaukseen ei ollut mahdollisuutta, koska ei ollut tiedossa sopivia koehenkilöitä. Lisäksi tällekin työlle piti jokin aika-raja asettaa. Ohjeiden teosta oli hyötyä itselleni, koska kuten aikaisemmin mainitsin että koulutus ohjelmassa ei liiemmin ollut lasertekniikkaa. Tästä syystä jouduin tai sain opiskella lasertekniikkaa. Näin ollen se lisäsi koulutuspohjaani. Olettaisin että ELME-studiollekin ohjeista on hyötyä, koska ohjeet pyrin tekemään aloittelijoille. Itseni on vaikea sanoa loppujen lopuksi ymmärtääkö aloittelija ohjeet, koska mitä enempi tein ohjeita sitä enemmän opin lasertekniikasta. Näin ollen tulin sokeaksi omalle tekstille.

13 LÄHTEET Painetut lähteet: Käyttöohje KAM-Robottisolu Motoman- Trumpf HLD4004 24.1.2006 Precitec KG versio 05/2004 Precitec KG versio 09/2004 Precitec KG versio 11/2004 Kujanpää V, Salminen A, Vihinen J, 2005. Lasertyöstö. Teknologiateollisuus ry. Veli Kujanpää, Antti Salminen, Jorma Vihinen: Lasertyöstö. Teknologiainfo Teknova Oy Helsinki. ISBN 951-817-876-3. Painamattomat lähteet: Mäkikangas, J. 2006. Lasertyöstö elektroniikan mekaniikan tuotannossa. Diplomityö. Oulun yliopisto. Konetekniikan osasto. WWW-dokumentti. Saatavissa http://www.elmestudio.fi/elmestudio.html. Luettu 10.11.2007 Averko kurssi syksy 2007. Lasertyöstötekniikan perusteet, jonka lähteenä: http://fi.wikipedia.org/wiki/etusivu http://pe.tut.fi/projects/lal-esr-projekti.nsf/ Veli Kujanpää, Antti Salminen, Jorma Vihinen: Lasertyöstö. Teknologiainfo Teknova Oy Helsinki. ISBN 951-817-876-3.

3-D LASERSOLUN KÄYTTÖOHJEET 14

15 SISÄLLYSLUETTELO 1. TERMILUETTELO...17 2 LAITTEISTON ESITTELY...19 2.1 Lasersäde ja työturvallisuus...21 2.1.1Yleistä...21 2.1.2 Silmävauriot ja suojautuminen...24 2.1.3 Ihovauriot...25 2.1.4 Muut riskit...26 2.2 Lasersolun laitteisto...27 2.3 Vastuuhenkilön valitseminen...27 3 TYÖSTÖPÄÄT...28 3.1 Leikkauspää...28 3.1.1 Leikkuupään säteen ominaisuuksia...29 3.1.2 Leikkuupään säätäminen ja suojalinssin vaihtaminen...30 3.1.3 Suuttimet...32 3.1.4 Toimenpiteet leikkauspään törmätessä...33 3.2 Hitsauspää...40 3.2.1 Hitsauspään säteen ominaisuuksia...43 3.2.2 Tarkan polttopisteen määritys...44 3.3 Pinnoituspää...46 3.3.1 Pinnoituspään ominaisuuksia...48 3.3.2 Pinnoituspään suuttimet ja säätömahdollisuudet...49 3.3.3 Toimenpiteet ennen pinnoitusta...53 4 KUIDUN ASENNUS...54 4.1 Yleistä...54 4.2 Kuidun asennus...56 5 KAASUT...60 5.1 Leikkauskaasut...60 5.2 Hitsauskaasut...60 5.3 Pinnoituskaasut...60 5.4 Kaasujen säätäminen...62 6 TYÖOHJELMAN VALINTA JA PROSESSIPARAMETRIEN ASETTAMINEN...64 6.1 Työn valinta...64 6.2 Prosessiparametrien asettaminen...65 7 LASEROHJELMAT ERI LASERPROSESSEILLE...73 7.1 Hitsaus...76 7.2 Pinnoitus...77 7.3 Leikkauksen lävistys...78 7.4 Leikkaus...79 7.5 Hitsauksen testaus...80 7.6 Pinnoituksen testaus...81 7.7 Leikkauksen lävistyksen testaus...82 7.8 Leikkauksen testaus...83 7.9 Pulssitettu hitsaus...84 7.10 Suuttimen keskitys...86 7.11 Fokus kuitu 1...87 7.12 Fokus kuitu 2...88 7.13 Fokus kuitu 3...89

16 8 ROBOTTIOHJELMARUNGOT ERI LASERPROSESSEILLE...90 8.1 Hitsaus...90 8.2 Pinnoitus...90 8.3 Typpileikkaus...91 8.4 Happileikkaus...91 8.5 Typpileikkaus ilman korkeudenseurantaa...92 8.6 Happileikkaus ilman korkeudenseurantaa...92 LIITTEET...93 LÄHTEET...103

17 1. TERMILUETTELO Absorberi: Laserin sisällä lasersädettä ei ohjata valokuituun asti, vaan se ohjataan komponentille, jonka kautta lasersäteen sisältämä energia lopulta päätyy jäähdytysveteen. Absorboituminen: Lasersäteen osuessa kappaleeseen, osa lasersäteen energiasta imeytyy kappaleeseen. Tällöin säteen sisältämä energia jää kappaleeseen ja lämmittää sitä. Argon(Ar): Argon on inertti väritön, hajuton ja mauton maapallon yleisin jalokaasu. Disk-kiekko: Disk tyyppisissä lasereissa kiteen muoto on ohut kiekko, jonka halkaisija voi olla esimerkiksi 14 mm ja paksuus 0,2 mm. Diodilaser: Laserin resonaattorissa oleva kide viritetään diodeilla. Fokusoitusäde: Raakasäde, joka on muokattu peilillä tai linssillä työstöön kelpaavaksi polttopisteeksi. Helium(He): Helium on alkuaine, joka on väritön ja hajuton jalokaasu. Se on tunnetun maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine vedyn jälkeen. Hiilidioksidia(CO2): Normaaliolosuhteissa hiilidioksidi on hajuton, väritön ja huonosti reagoiva kaasu. Hitsauspää YW50: Lasertyöstöpää on tyypiltään YW50. Hitsauspään optiikat F150, F200, F300, F500, F680: Hitsauspään sisällä olevasta linssin pinnasta on matkaa polttopisteeseen 150 mm, 200 mm, 300 mm, 500 mm tai 680 mm, riippuen mitä optiikkaa käytetään. Inerttinen kaasu: Tarkoittaa kaasua, joka ei reagoi kemiallisesti muiden aineiden kanssa eli on kykenemätön muodostamaan kemiallisia yhdisteitä. Tällainen kaasu ei tuo energiaa työstöprosessiin. Koaksiaalisen pinnoituspää: Pinnoitusjauhe johdetaan pinnoituskohtaan samansuuntaisesti ja symmetrisesti lasersäteeseen nähden. Kollimaattori: Laitteisto jolla ohjataan lasersäde kuidusta työstöpään optiikkaan. Leikkauspää YK50: Lasertyöstöpää on tyypiltään YK50. Leikkauspään F150 optiikka: Leikkuupään sisällä olevasta linssin pinnasta on matkaa polttopisteeseen 150 mm. Luokan 1,2,3 ja 4 laserlaite: Luokka, jolla ilmoitetaan laserlaitteen vaarallisuus. 1. on vähemmän vaarallinen ja 4. on vaarallisin luokka. mm*mrad: Säteen laatu ilmoitetaan sädeparametritulon avulla. Sädeparametritulon yksikkönä käytetään mm mrad, esim. 8 mm*mrad ja 24 mm*mrad. Sädeparametritulo on sitä pienempi mitä parempi säteenlaatu on.

18 Motoman nivelvarsirobotti: Teollisuusrobotti, jonka on valmistanut Motoman. Nd:YAG- Laser: Laser, jossa aktiivisena väliaineena toimii kiinteässä olomuodossa neodyymi kide. Nd:YAG lasereissa kide on tyypillisesti tangon muotoinen. Tangon halkaisija on noin 7-10 mm ja pituus noin 150 mm. Off-axis-pinnoituspää: Pinnoitusjauhe tuodaan työstökohtaan lasersäteen sivusta kantokaasun tai painovoiman avulla. Plasmapilvi: Muodostuu materiaalin höyrystymisen johdosta, kun materiaalia lämmitetään lasersäteellä. Polttopiste: Fokusoidun lasersäteen kohta, jossa säteen halkaisija on pienimmillään ja tehotiheys on suurimmillaan. Prosessiparametrit: Arvoja, joilla säädetään työstöä esim. leikkuunopeus. Raakasäde: Laserilla tuotettu säde, joka ei vielä ole fokusoitu. Syvyysterävyys: Fokusoidun polttopisteen pituus säteen suunnassa. TRUMPF Laserlaitteet: Markkinoilla oleva lasertoimittaja. Typpi(N): Typpi on alkuaine, joka väritön hajuton ja mauton; se on hieman ilmaa kevyempää. Ilmasta noin 78 % on typpeä. WinLas käyttöliittymä: Tietokonepohjainen käyttöjärjestelmä, jolla käytetään laseria. Yb:YAG-laser: Laser, jossa aktiivisena väliaineena toimii kiinteässä olomuodossa oleva ytterbium kide.

19 2 LAITTEISTON ESITTELY Laitteisto koostuu Yb:YAG-laserista, Motoman nivelvarsirobotista, leikkauspäästä(yk50), johon kuuluu F150 optiikka. Hitsauspäästä(YW50), johon kuuluu optiikat F150, F200, F300, F500, F680. Lisäksi lasersoluun kuuluvat pyörityspöytä sekä leikkaukselle ja hitsaukselle tarkoitetut pöydät. Laitteiston omistaa Kalajokilaakson koulutuskuntayhtymä. Lasersolu soveltuu hyvin monipuoliseen lasertyöstöön. Lasersolussa voidaan hitsata, leikata, pintakarkaista, merkata sekä myös pinnoittaa. Pinnoitusyksikkö voidaan asentaa omana erillisenä yksikkönä tai muunneltuna hitsauspäähän. Lisäksi tarvitaan pinnoitusjauheen syöttöyksikkö. Vastaavan tyyppiset lasersolut soveltuvat ohutlevytuotantoon sekä laajaalaiseen tutkimus- ja tuotekehitystoimintaan. Kuva 1. Kuvassa 3D-lasersolu, joka sijaitsee ELME Studiossa Nivalan yksikössä. (Mäkikangas 2006)

20 Pyörityspöytä on tyypiltään Motoman MT1-250 S2CX, joka on kaksiakselinen pyörityslaite. Käsittelylaite mahdollistaa työkappaleen asemoinnin työstöprosessin kannalta optimaaliseen asentoon. Käsittelylaitteen kantavuus on 250 kiloa, kun massa on pyöritettävän Y- akselin keskellä. Käsittelylaitetta ohjataan robottiohjaimella, joka on malliltaan Motoman NX100. Y-akseli ohjaa laippaa ja akselissa ei ole mekaanisia rajoitteita. Y-akselilla on ohjelmallinen rajoitus, joka rajoittaa laipan pyörimisen 540 asteeseen. Y-akseli on mahdollista saada muutoksilla pyörimään myös rajattomasti. X-akseli ohjaa runkoa ja pyöriminen on rajoitettu mekaanisesti n. 210 asteeseen. Kuvassa 2 on käsittelylaitteen osat nimettynä. Y-akseli Laippa Runko X-akseli Mekaaninen rajoitin Kuva 2. Motomanin käsittelylaite. (Mäkikangas 2006)

21 2.1 Lasersäde ja työturvallisuus 2.1.1Yleistä Yb:YAG laserit synnyttävät intensiivistä näkymätöntä säteilyä, joka on lähellä infrapunaaluetta, kuten kuvasta 3 ja 4 voidaan todeta. Säteily on haitallista silmille ja iholle. Kuva 3. Kuvasta huomataan näkyvän valon taajuus alue, joka on 400-700 nm. (AVERKO 2007)

22 Kuva 4. Eri aallonpituuksien vaikutukset silmälle. Työstölaserit ovat lähtökohtaisesti luokan 4 lasereita eli niiden käyttö edellyttää jonkinlaista suojautumista (esimerkiksi suojalasien käyttö). Toisaalta on huomattava, että luokan 4 lasereita ei saa teollisessa tuotannossa käyttää sellaisenaan, vaan laserit on suojattava ja koteloitava niin, että koko järjestelmä muuttuu ulospäin luokan 1 laserlaitteistoksi. Tämä tarkoittaa sitä, että lasertyöaseman käyttö suojaseinien ja -koteloinnin ulkopuolella on sallittua ilman suojavarusteita, mutta sisäpuolella suojavarusteita on ehdottomasti käytettävä. Tärkein suojavaruste on silmiä suojaavat suojalasit. (AVERKO 2007)

23 Eri laserluokkien määrittelyt on alla kuvattu lyhyesti. Tarkat kuvaukset ovat standardissa EN 60825. Luokka 1 tarkoittaa että laserlaite ei ole vaarallinen käyttää normaalissa käytössä lasersäteilyn suhteen. Tarkkailtaessa lasersädettä optisen laitteen läpi joudutaan alttiiksi vaaralle. Luokka 2 tarkoittaa että laser lähettää säteilyä näkyvällä aallonpituusalueella 400 700 nm. Säteily ei ole haitallista ihmissilmälle edes katseltaessa optisen laitteen läpi. Silmäluomi reagoi refleksillä yleensä katsottaessa suoraan säteeseen. Luokka 3R tarkoittaa että laser lähettää säteilyä aallonpituusalueella 302,5 nm - 106 nm. Säteeseen suoraan katsominen saattaa olla vaarallista. Riski on kuitenkin pienempi kuin luokan 3B lasereilla. Luokka 3B tarkoittaa että suora tai peilautunut säde on vaarallinen. Hajaheijastusten katselu ei ole kuitenkaan yleensä vaarallista. Luokka 4 tarkoittaa että säteily on vaarallista silmille ja iholle. Asianmukaisia varotoimia täytyy käyttää, erityisesti riittäviä suojalaseja. (Käyttöohje. 2006)

24 2.1.2 Silmävauriot ja suojautuminen Lasersäteen silmälle aiheuttamat riskit riippuvat sädetehosta, tehotiheydestä ja säteen aallonpituudesta. Mikäli säde osuu silmään, on tilanne aina äärimmäisen vaarallinen johtuen hyvin suurista tehotiheyksistä. Silmä todennäköisesti sokeutuu välittömästi. Polttopisteen jälkeiset heijastuneet tai hajaantuneet säteet voivat nekin aiheuttaa vaaratilanteita, joskin tehotiheydet ovat jo lyhyen matkan päässä yleensä pieniä. Sen sijaan fokusoimaton raakasäde on hyvin vaarallinen, myös heijastuneen säteen tapauksessa. Heijastuneen raakasäteen tehotiheys ei nimittäin vähene etäisyyden mukana eikä myöskään heijastuksessa toisin kuin polttopisteen jälkeisen säteen. Lasersäteilyltä suojaudutaan käyttämällä kyseisen laservalon aallonpituudelle sopivia suojalaseja. Oleellista on, että samat suojalasit eivät käy eri laserlaitteille. Esimerkiksi hiilidioksidilaseria käytettäessä suojalaseiksi kelpaavat ihan tavallisesta lasista tehdyt suojalasit, mutta samat lasit eivät anna minkäänlaista suojaa esimerkiksi Yb:YAG, Nd:YAGtai diodilasereiden valoa vastaan (yleensä myös päinvastoin). (AVERKO 2007)

25 2.1.3 Ihovauriot Mikäli suora tai heijastunut raakasäde osuu iholle, on seurauksena usein vakava palovamma. Raakasäteen tehotiheys on suuri, ollen työstölasereilla luokkaa 100-1500 W/cm 2 (noin 1000-15000 kertainen auringon säteilyyn verrattuna). Heijastuneen raakasäteen tehotiheys ei juuri muutu, joten myös heijastuneet säteet ovat yhtä vaarallisia. Samoin etäisyys teholähteestä ei juuri vaikuta raakasäteen tehotiheyteen. Mikäli fokusoitu lasersäde (polttopiste) osuu iholle, on seurauksena jopa ihon ja kudosten läpi höyrystynyt reikä tai viiltohaava (leikkausrailo). Vammat eivät tosin välttämättä ole kivuliaita tai verta vuotavia, koska säde samalla höyrystää myös hermot ja polttaa verisuonet umpeen. Vammat ovat kuitenkin luonteeltaan hyvin vakavia. Jos polttopisteen jälkeinen heijastunut laservalo osuu iholle, on tehotiheyden alenemisen ansiosta tuloksena yleensä vain jonkin asteinen normaali palovamma. Lasertyöstössä osasäteen tehosta absorboituu kappaleeseen, loput menevät kappaleen läpi tai heijastuvat ympäristöön. Nämä hajaheijastukset voivat olla hyvin arvaamattomia varsinkin 3Dtyöstössä, jossa työstöpää liikkuu kaikkiin suuntiin. Edelleen laserlaitteiston käyttäjän on otettava huomioon myös se mahdollisuus, että lasersäde tulee työstettävän kappaleen läpi. Näin varsinkin silloin, jos työstetään kappaleita vaakasuorassa suunnassa. (AVERKO 2007)

26 2.1.4 Muut riskit Suurin osa laserlaitteistojen yhteydessä sattuvista tapaturmista on tavallisia sähköiskuja. Tämä johtuu siitä, että lasersäteen synnyttämiseen käytetään suurjännitepiirejä, joissa jännitteet voivat olla kymmeniä tai jopa satoja kilovoltteja. Sähkötapaturmat sattuvat useimmiten huoltojen yhteydessä, jolloin osa turvalaitteista on kytketty pois päältä. Lasertyöstöprosessit ovat tyypillisesti menetelmiä, joissa materiaalista sulatetaan ja höyrystetään materiaalia pois. Nämä päästöt ovat siis joko hiukkasmaisia tai kaasumaisia ja ne voivat olla hyvinkin myrkyllisiä. Päästöjä vapautuu niin leikkauksessa, hitsauksessa kuin pinnoituksessakin. Laserpinnoituksessa käytetään lisäksi jauhemaisia pinnoitusaineita, jotka ovat hyvin hienorakeisia, lähes pölymäisiä. Näiden hengittäminen on lähes aina hyvin epäterveellistä. Useiden muovien työstäminen vapauttaa myös mitä erilaisimpia kaasumaisia päästöjä, koska muovit eivät työstettäessä sula metallien lailla, vaan niiden rakenne hajoaa. Nämä hajoamistuotteet ovat usein terveydelle vaarallisia. Lasereissa käytettävä optiikka (lähinnä suojalasit ja linssit) saattavat likaantua tai naarmuuntua. Tällöin linssin absorptio kasvaa ja linssi kuumenee, jolloin pahimmassa tapauksessa säteen polttopiste voi siirtyä hetkellisesti linssin sisälle. Tällöin linssi voi hajota räjähdysmäisesti levittäen ympäristöönsä lasihilettä ja mahdollisesti myrkyllisiä prosessointikaasuja. Edellisten lisäksi on otettava huomioon, että lasertyöstöprosessit ovat termisiä prosesseja. Tämä tarkoittaa, että työstettävät kappaleet kuumenevat hyvin voimakkaasti. Lämmöntuonti on toki hyvin paikallista, mutta kappaleet voivat olla polttavan kuumia varsinaista työstökohtaa kauempanakin. (AVERKO 2007)

27 2.2 Lasersolun laitteisto Tämän lasersolun työtila on ulkoisesti luokan 1 laserlaite. Luokka 1 tarkoittaa, että laserlaite ei ole vaarallinen käyttää normaalissa käytössä lasersäteilyn suhteen. Jos tarkkaillaan lasersädettä optisen laitteen läpi, joudutaan alttiiksi vaaralle. Koko työasema eli työtila on luokan 4 laser-aluetta, eikä ole laseria käytettäessä turvallista aluetta. Oleskelu työtilassa laserprosessin aikana on sallittu ainoastaan, jos se on täysin välttämätöntä. Tällöinkin pukeudutaan asianmukaisiin turvavarusteisiin sekä noudatetaan erityistä varovaisuutta. Missään tilanteessa valoverhon rajaamalla työalueen osalla, ei saa olla ihmisiä laseria käytettäessä robotin ohjaamana. TRUMPF Laserlaitteet saavuttavat luokan 1 suojakansilla ja luukuilla. Jos suojakannet ovat avattuna tai turvakytkimet ovat pois käytöstä, tai kun se on huollossa, laserlaite luetaan luokan 4 laitteeksi. (Käyttöohje. 2006) 2.3 Vastuuhenkilön valitseminen Jos laitetta käytetään siten, että työtilassa on useampia henkilöitä, on yhden käyttäjän oltava valittuna vastuulliseksi käyttäjäksi. Tämä henkilö vastaa laitteen käynnistämisestä, käytöstä ja turvallisuudesta käytön aikana. Ennen laitteen käynnistämistä hänen tulee varmistaa, että kaikki ovat tietoisia vaaroista ja jokainen on turvallisella paikalla, käyttäen asianmukaisia suojalaseja ja muita varustuksia Hän ilmaisee selvästi ja ilman väärinkäsitysten mahdollisuutta laitteen käynnistymisestä, sekä valvoo toisia ja heidän turvallisuutta koko ajan kun työkierto on käynnissä ja siten säteelle altistuminen mahdollista (Käyttöohje. 2006)

28 3 TYÖSTÖPÄÄT 3.1 Leikkauspää Leikkaustyöstöpää on tyypiltään YK50 ja kuvasta 5 löytyy sen mitat. Kuva 5. Kuvassa leikkuupää ja sen mitat. (Precitec KG. 2004)

29 3.1.1 Leikkuupään säteen ominaisuuksia Kuvassa 6 leikkuupää on työstökunnossa. Taulukossa 1 on tietoja leikkauspäästä. Kuva 6. Kuvassa leikkuupää. TAULUKKO 1. Säteen koko polttopisteessä ja syvyysterävyys. Kollimaattori 70 mm ja kuidun koko 200 µm. Säteen laatu 200 µm kuidulla on 8 mm*mrad. Linssi Polttopisteen halkaisija Syvyysterävyys F150 0,43 mm 5,74 mm

30 3.1.2 Leikkuupään säätäminen ja suojalinssin vaihtaminen Polttopisteen etäisyyttä työkappaleen pintaan nähden voidaan säätää kiertämällä leikkauspään sisällä olevaa kierreholkkia. Säätövaraa on noin 7 mm ja kierteissä on 1 mm nousu eli yksi kierros muuttaa polttopisteen paikkaa 1 mm:n. Kuvasta 7 nähdään holkki, jolla säätö voidaan tehdä, kun työstöpään kartio on otettu irti. Kuva 7. Kuvasta nähdään säätöholkki ja leikkuupää.

31 Samalla holkilla voidaan vaihtaa suojalinssi, kääntämällä holkki toisin päin, kuva 8. Kuva 8. Kuvasta nähdään säätöholkki toisin päin kuin kuvassa 6. Näin päin sillä voidaan irrottaa suojalinssi.

32 3.1.3 Suuttimet Suuttimen koko ilmoitetaan siinä olevan reiän halkaisijan mukaan. Käytettävän suuttimen koko riippuu työstettävän materiaalin paksuudesta. Ohuita materiaaleja työstettäessä käytetään pieni kokoisia suuttimia ja paksujen aineiden työstössä isompi kokoisia suuttimia. Suuttimen koko ei vaikuta merkittävästi leikkuu railon leveyteen. Suutin vaihdetaan tarvittaessa uuteen. Kulunut tai vaurioitunut suutin aiheuttaa huonon leikkauslaadun. Kuvassa 9 erikokoisia leikkaussuuttimia. 1,0 mm suutin ja suojakotelo 2,0 mm suutin ja suojakotelo 1,2 mm suutin ja suojakotelo 1,5 mm suutin ja suojakotelo Kuva 9. Kuvassa on leikkaussuuttimia ja niiden suojakotelot.

33 3.1.4 Toimenpiteet leikkauspään törmätessä Leikkauspään törmätessä, josta on seurauksena hälytys. on toimittava seuraavanlaisesti: Aseta kartio kiinni normaaliasentoon, jos se on mahdollista, kuva 10. Kiinni Irti Kuva 10. Kuvassa vasemman puoleinen leikkauspään kartio on paikoillaan, ja kuvassa oikean puoleinen leikkauspään kartio on irronnut törmäyksestä johtuen.

34 Jos työstöpään kartiota ei ole mahdollista saada paikoilleen, kuten esimerkiksi kuvan 11 tilanteessa, toimitaan seuraavien ohjeiden mukaan. Kuva 11. Kuvassa esimerkki tapaus, jolloin ei saada leikkauspään kartiota asetettua paikoilleen.

35 Ota irti törmäystunnistimen liitin pistokkeesta. Liitin sijaitsee leikkuupään kyljessä Liitä yhteen johdonpäässä sijaitsevan liittimen reiät 2 ja 3, kuva 12. Nyt törmäystunnistin on ohitettu ja robotti voidaan ajaa sellaiseen asentoon, että kartio voidaan painaa kiinni. Tämän jälkeen kytketään törmäystunnistimen liitin takaisin leikkuupäähän. 2. pistoke Liitin 3. Kuva 12. Kuvassa nähdään irrotettuna törmäyskytkimenjohto ja reiät 2 ja 3 liitettynä yhteen.

36 Seuraavaksi Nollaa virheilmoitukset robotin ohjauspaneelista, kuva 13. Kuva 13. Kuva kuinka nollataan virheilmoitus robotinohjauskapulan näytöstä.

37 Paina nappia: Kuittaa valoverho ja hätäseispiirin kuittaus, jotka löytyvät laserohjaimesta. Ohjan ja napit nähdään kuvassa 14. Kuva 14. Kuva laserohjaimesta

38 Laserohjelmasta: Resetoi laserohjelma. Katso kuva 15. Kuva 15. Kuvasta nähdään kuinka resetoidaan laserohjelma.

39 Aja robotilla ohjelma 2-TKNOL seuraavanlaisesti: (Kuva 16) Valitse: Työvalikko Valitse: Valitse työ ja valitse 2-TKNOL ohjelma jos tämä ei onnistu, käytä virrat pois kaikista virtalaitteista. Valitse uudelleen ajettava ohjelma. Kuva16. Kuva kuinka valitaan ajettava ohjelma robotinohjauskapulan näytöstä.

40 3.2 Hitsauspää Hitsaustyöstöpää on tyypiltään YW50 ja kuvassa 17 nähdään sen mittoja. Hitsauspäänrunkoja on kaksi kappaletta. 3. 4. 1. 2. Kuva 17. Hitsauspään runkoja on kaksi kappaletta. Lisäksi kuvista nähdään eri optiikoiden polttopisteen sijainnit karkeasti. Esimerkiksi F500 optiikan polttopisteen sijainti on n. 432 mm hitsauspään alimmasta kohdasta mitattuna.

(Precitec KG. 2004) 41

42 Hitsauspään rungonosia kuvassa 17 ja 18, eri optiikoille: 1. F150 Erillinen hitsauspää suojalasilla ilman cross-jetia ja suojakaasusyöttöä. 2. F200 Alaosa YW50 hitsauspäähän koaksiaalisella suojakaasusyötöllä. 3. F300 Alaosa YW50 hitsauspäähän. Suojakaasun syöttö putkella hitsauskohteeseen. 4. F680 Pelkkä crossjet ilman suojakaasusyöttöä. 4. 3. 2. 1. Kuva 18. Kuvassa on hitsauspään rungonosia eri optiikoille.

43 3.2.1 Hitsauspään säteen ominaisuuksia Hitsauksessa on syytä käyttää oikean kokoista optiikkaa ja optiikan kokoon vaikuttaa lähinnä hitsattavan materiaalin paksuus. Optiikalla voidaan vaikuttaa polttopisteen halkaisijaan syvyys terävyyteen, kuten taulukoista 2 ja 3 voidaan huomata. TAULUKKO 2. Säteen koko polttopisteessä ja syvyysterävyys taulukko hitsausoptiikalle (kollimaattorin koko 200 mm), kun käytetään kuitua 200 µm ja eri linssejä. Kuidulla 200 µm säteenlaatu on 8 mm*mrad. Linssi F150 F200 F300 F500 F680 Polttopisteen halkaisija 0,15 mm 0,20 mm 0,30 mm 0,50 mm 0,68 mm Syvyys terävyys 0,70 mm 1,25 mm 2,81 mm 7,81 mm 14,5 mm TAULUKKO 3. Säteen koko polttopisteessä ja syvyysterävyys taulukko hitsausoptiikalle (kollimaattorin koko 200 mm), kun käytetään kuitua 600 µm ja eri linssejä. Kuidulla 600 µm säteenlaatu on 24 mm*mrad. Linssi F150 F200 F300 F500 F680 Polttopisteen halkaisija 0,45mm 0,60 mm 0,90 mm 1,50 mm 2,04 mm Syvyys terävyys 2,11 mm 3,75 mm 8,44 mm 23,4 mm 43,4 mm