Real-time monitoring of laser scribing process utilizing high-speed camera
Marttinen, Pekka (2016)
Diplomityö
Marttinen, Pekka
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016051612388
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016051612388
Tiivistelmä
Currently, laser scribing is growing material processing method in the industry. Benefits of laser scribing technology are studied for example for improving an efficiency of solar cells. Due high-quality requirement of the fast scribing process, it is important to monitor the process in real time for detecting possible defects during the process. However, there is a lack of studies of laser scribing real time monitoring. Commonly used monitoring methods developed for other laser processes such a laser welding, are sufficient slow and existed applications cannot be implemented in fast laser scribing monitoring. The aim of this thesis is to find a method for laser scribing monitoring with a high-speed camera and evaluate reliability and performance of the developed monitoring system with experiments. The laser used in experiments is an IPG ytterbium pulsed fiber laser with 20 W maximum average power and Scan head optics used in the laser is Scanlab’s Hurryscan 14 II with an f100 tele-centric lens. The camera was connected to laser scanner using camera adapter to follow the laser process. A powerful fully programmable industrial computer was chosen for executing image processing and analysis. Algorithms for defect analysis, which are based on particle analysis, were developed using LabVIEW system design software. The performance of the algorithms was analyzed by analyzing a non-moving image from the scribing line with resolution 960x20 pixel. As a result, the maximum analysis speed was 560 frames per second. Reliability of the algorithm was evaluated by imaging scribing path with a variable number of defects 2000 mm/s when the laser was turned off and image analysis speed was 430 frames per second. The experiment was successful and as a result, the algorithms detected all defects from the scribing path. The final monitoring experiment was performed during a laser process. However, it was challenging to get active laser illumination work with the laser scanner due physical dimensions of the laser lens and the scanner. For reliable error detection, the illumination system is needed to be replaced. Tällä hetkellä laser kaiverrus on kasvava materiaalityöstö menetelmä teollisuudessa. Laser kaiverruksen etuja on tutkittu muun muassa aurinkokennojen tehokkuuden parantamisessa. Johtuen korkeista laatuvaatimuksista nopealle kaiverrusprosessille, on tärkeää monitoroida prosessia reaaliaikaisesti mahdollisten virheiden havaitsemiseksi prosessin aikana. Laser kaiverrusprosessin monitoroinnista tehdyistä tutkimuksista on kuitenkin puutetta. Yleisesti käytetyt monitorointi menetelmät muissa laser prosesseissa kuten laser hitsauksessa, ovat melko hitaita ja olemassa olevia sovelluksia ei voida toteuttaa laser kaiverruksen monitoroinnissa. Tämän diplomityön tarkoituksena on löytää menetelmä laser kaiverruksen monitorointiin suurnopeuskameran avulla ja arvioida monitorointi järjestelmän suorituskykyä sekä luotettavuutta kokeellisesti. Kokeissa käytetty laser laitteisto koostuu IPG ytterbium pulssilaserista 20 W:n maksimi keskiteholla ja Scanlabin Hurryscan 14 II laser skannerista f100 telesentrisellä linssillä. Kamera on kytketty skanneriin kamera-adapterin avulla, jotta prosessia pystytään seuraamaan. Kuvan käsittelyyn ja analysointiin on valittu tehokas täysin ohjelmoitavissa oleva teollisuustietokone. Virheen tunnistus algoritmit, jotka perustuvat partikkeli analyysiin, ovat kehitetty käyttäen LabVIEW -järjestelmän suunnittelu ohjelmaa. Algoritmin suorituskykyä on arvioitu analysoimalla paikallaan olevaa kuvaa laser kaiverruksesta resoluutiolla 960x20 pikseliä. Tuloksena maksimi analysointi nopeudeksi mitattiin 560 kuvaa sekunnissa. Algoritmin luotettavuutta arvioitiin kuvaamalla kaiverrus reittiä 2000 mm/s vaihtelemalla virheiden määrää laserin ollessa pois kytkettynä ja kuvan analysointi nopeuden ollessa 460 kuvaa sekunnissa. Koe onnistui ja tuloksena algoritmi tunnisti kaikki virheet kaiverrus reitiltä. Viimeinen monitorointi koe suoritettiin laser prosessin aikana. Haasteeksi osoittautui kuitenkin saada aktiivinen valaisu laser toimimaan laser skannerin kanssa, johtuen valaisulaserin linssin ja laser skannerin fyysisistä mitoista. Jotta virheen tunnistusta pystytään suorittamaan luotettavasti, valaisujärjestelmä tulisi vaihtaa.