Real-time monitoring of laser scribing process with photodiodes
Valtonen, Veli-Matti (2017)
Diplomityö
Valtonen, Veli-Matti
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201705226724
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201705226724
Tiivistelmä
The use of laser scribing as a method of material processing is growing in popularity within industrial applications. Especially in areas requiring extreme levels of accuracy. Laser scribing technology promises to offer improvements in many fields. A field of special interest is the manufacturing of solar cells, with improved efficiency in both manufacture and function. The high-quality requirement and fast speed of a laser scribing process, presents a requirement for monitoring the processes in real time in order to detect possible defects as early as possible in the manufacturing process. There is a distinct lack of research in the monitoring of laser scribing. Commonly available monitoring systems that have been developed for use in other laser based processes, such a laser welding, which tend to be significantly slower, thus they are not applicable to laser cribbing The goal of this thesis is to explore a the possibilities of using photodiodes for monitoring a laser scribing process. The laser in these experiments is an IPG ytterbium pulsed fiber laser that has a maximum average power of 20 W. The optical scan head used with the laser is Scanlab’s Hurryscan 14 II equipped with an f100 telecentric lens. Commercially available photodiodes and laser pointers are used for probing the test scribes. Various configuration for monitoring the resulting scribes will be tested to determine which, if any is a viable option for implementing a monitoring application. The key obstacles will be identified and possible solutions will be considered. There are a couple of obstacles for this method of monitoring. Following such a precise process at the high speeds at which the scribing happens with adequate accuracy is extremely difficult. The monitoring illumination should provide enough contrast between material layers to be distinct, and to eliminate as much outside interference as possible. The study was successful in identifying the key aspects of developing such an application. Some success was achieved in measuring defects in stationary and slow moving tests, and a clear direction is pointed for future development. For an operational solution an optimal photodiode and monitoring beam combination should be selected and combined with a setup that allows for following the scribing process at operational speeds. This would still be limited to processing materials with enough reflective contrast between layers. Laserkaiverrus on materiaalityöstö menetelmä, jonka suosio teollisuudessa kasvaa nopeasti. Erityisesti alueilla joilla vaaditaan äärimmäistä tarkkuutta. Laserkaiverrus tarjoa etuja useilla alueilla. Erityisen kiinnostava alue on aurinkokennojen valmistus, jossa voidaan saavuttaa parempia hyötysuhteita, sekä valmistuksessa että käytössä. Korkeat laatuvaatimukset ja suuret työstönopeudet luovat tarpeen reaaliaikaiselle valvonnalle, joka pystyy havaitsemaan virheet mahdollisimman nopeasti. Laserkaiverruksen valvonta on huomattavan vähän tutkittu aihe. Yleisesti saatavilla olevat valvontajärjestelmät ovat kehitetty prosesseja, kuten laserhitsausta varten, ja ne eivät hitautensa vuoksi sovellu laserkaiverruksen valvontaa. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tarkastella mahdollisuuksia käyttää fotodiodeja laserkaiverrus prosessin valvontaan. Kokeissa käytetty laser oli IPG yttebrium pulssitettu kuitu laser, jonka maksimi keskiteho oli 20 W:n. Suuntaus optiikkana käytettiin Scanlabin Hurryscan 14 II laser skanneria, joka oli varustettu f100 telesentrisellä linssillä. Testikaiverrusten mittaukseen käytetään kaupallisesti saatavilla olevia fotodiodeja ja laser pointtereita. Eri valvonta konfiguraatioita testataan, jotta saadaan selville onko mikään niistä käyttökelpoinen valvontasovelluksen kehitystä varten. Tutkimuksessa tunnistetaan fotodiodi valvonnan avain haasteet ja tarjotaan niihin mahdollisia ratkaisuja. Tämän tyyppiselle valvonnalle on olemassa muutamia haasteita. Niin tarkan ja nopeasti liikkuvan prosessin seuraaminen riittävällä tarkkuudella on erittäin haastavaa. Valvontavalaisun tulisi mahdollistaa riittävän selkeä kontrastiero materiaalikerrosten välillä ja sulkea pois mahdollisimman paljon ulkoisia häiriöitä. Tutkimuksessa onnistuttiin selvittämään valvontasovelluksen kehityksen avain haasteet. Jonkin verran menestystä saavutettiin mittaamalla virheitä paikallan olevista tai hitaasti liikkuvista testikappaleista ja jatkokehitykselle osoitettiin selkeä suunta. Toimivaa ratkaisua varten olisi valittava optimaalinen fotodiodi valvonta laser yhdistelmä, ja yhdistettävä se asetelmaan, joka pystyy luotettavasti seuraamaan prosessia käyttönopeuksissa. Tämä kuitenkin rajoittuisi materiaaleihin, jotka tarjoavat tarpeeksi heijastavuus kontrastia aine kerroksien välillä.