Lézeres bemetszés vs. szerszámvágás: Az elektródaformázás gazdaságtana

Szerző: Dany Huang, Ph.D.

A TOB New Energy vezérigazgatója és kutatás-fejlesztési vezetője

Lépjen kapcsolatba Dr. Huanggal a LinkedIn-en

Vezetői összefoglaló és legfontosabb tudnivalók

Az elektródaformázás az a lépés, ahol megszületik a cella geometriája,{0}}és ahol az alkatrészenkénti költséget határozzák meg. A mechanikus stancolással kis mennyiségben és stabil formátumok mellett tőkeköltséget nyer. A lézeres bemetszés nyer, ha a formátum megváltoztatását, a szerszám karbantartását és a sorja okozta hibákat beszámítják. A keresztváltó általában 3 és 8 millió elektróda alkatrészt ér el évente, a formátum lemorzsolódásától és a tűrésosztálytól függően.

• 80 000–150 000 USD-nél kezdődik egy kulcsrakész állomáson a vágási beruházás; egy lézeres bemetsző cella 150 000–300 000 USD-tól kezdődikösszehasonlítható teljesítmény érdekében.
• A szerszámozás a rejtett visszatérő költség: egy precíziós elektróda matrica 3 000–40 000 USD-ba kerül, és 200 000–800 000 ütésenként újra kell élezni, formátumváltáskor teljes cserével.
• A szálas lézerforrások 20 000–100 000 üzemórára vannak besorolvaés bármilyen fülgeometriát szerszámváltás nélkül vághat le, de fegyelmezett por- és füstelszívást igényel az optika és a cellák tisztaságának védelme érdekében.
• A sorja és a por költségvetése határozza meg a folyamatot:a 10 µm-es sorja vagy laza vezetőképes részecske cellazárlati hiba; A lézeres bevágás a szennyeződési problémát a sorja helyett a füst felé tolja el, megváltoztatva a teljes tisztasági technikát.

Kétféle módon lehet a bevont elektródát formázott elektródává alakítani: egy edzett acél szerszámmal, amely átnyomja a fóliát, vagy egy fókuszált lézersugárral, amely elpárologtatja ugyanazt a körvonalat. Mindkettő alkatrészeket gyárt. A két út gazdaságossága eltér egymástól, ami csak akkor válik láthatóvá, ha a teljes költségmodell magában foglalja a szerszámok élettartamát, a formátummódosításokat, a sorjaszabályozást, a porkezelést és a hibás{2}}hulladékot.

A hiba a beszerzési árak összehasonlítása. A vágószerszám a harmadik formátumváltásig olcsó. A lézer drága mindaddig, amíg az első új elektródaforma előállítása nem kerül semmibe.

Hogyan szakad meg valójában a két folyamat

Die vágáslyukasztószerszám-készlettel egy egyedi földelési szerszámot nyom az elektróda fóliájára. A penge egy mozdulattal elnyírja az aktív anyag bevonatot és a fémfóliát, így tiszta élt hoz létre, ha a szerszám éles, és sorját, ha nem. A sebesség nagy-Az egyállomásos gépek percenként 60–120 löketet érnek el, és a forgószerszámok gyorsabban működnek. Minden elektródaformához saját szerszám szükséges.

Lézeres bevágásimpulzusos vagy CW szálas lézert irányít az elektróda körvonala mentén. A gerenda jellemzően 30-80 µm széles vágásban párologtatja el az anyagot. Semmilyen fizikai eszköz nem érinti az alkatrészt. Az elektróda alakjának megváltoztatása szoftveres művelet,{5}}feltölt egy új CAD-fájlt, és frissíti a vágási útvonalat. A sebesség a darabonkénti vágási hossztól függ, nem pedig a löketszámtól.

A két folyamat nem minden esetben helyettesíti egymást. A lézeres bevágás dominál a prizmás és tasakelektróda-formázásban, mivel ezek a formátumok gyakran változtatják az alakjukat, és olyan fülgeometriákat igényelnek, amelyek rosszul kezelhetők. A stancolt vágás megőrzi erős pozícióját a nagy térfogatú hengeres formátumokban és a szalagos adagolású folyamatos folyamatokban, ahol a geometria évekig fagyott.

Költséghajtó 1: Előzetes befektetés és szerszámozás

A tőkeösszehasonlításnak el kell választania a gépet a szerszámoktól, mert a szerszámozásnál halmozódnak fel költségek a stancolással.

Egy hengeres formát öt évig működő üzemben a vágószerszám alacsony gépára és amortizált szerszámozása nyert. Egy olyan üzemben, ahol az elektródák körvonala néhány havonta változik a termékfejlesztés során, a zsákos cellákat fejlesztő üzem esetében a szerszám költsége önmagában meghaladhatja a lézer árprémiumát az első évben.

A mérnöki átfutási idő legalább annyira számít, mint a pénz. Egy új matrica megtervezése, kivágása és érvényesítése hetekig tart. A lézervágási útvonal egy nap alatt érvényesíthető. Egy olyan iparágban, ahol a cellaformátumra vonatkozó döntések az ügyfelek igényei szerint változnak, ennek az időbeli eltérésnek valódi kereskedelmi súlya van.

2. költségmeghajtó: Karbantartás-Die Wear kontra lézerforrás élettartama

A kopás kiszámítható és könyörtelen.Minden ütés koptatja a vágóélt. A szerszám éle kerekedik, a sorja megnő, és a vágás minősége romlik. A fólia vastagságától, a bevonat koptatóképességétől és a présacél minőségétől függően 200 000–800 000 ütésenként újraélezésre van szükség. Maga az elektródabevonat, amely-keményoxid-részecskéket tartalmaz a katódok számára,{8}}gyorsítja az élek kopását. Az élezések között a sorjamagasság felfelé kúszik, és az élezési intervallum vége felé eső részek egyre rosszabb élminőséget mutatnak.

A szerszámélezés szolgáltatásonként 500–3000 USD-ba kerül, és offline állapotba kapcsolja a gépet. A percenként 400 ütemű, 300 000 ütemű élezési intervallumú, kétműszakos vágószerszámot nagyjából 12 munkanaponként kell élezni. Ez egy visszatérő állásidő és költségritmus, ami a pénzügyi modellhez tartozik.

A lézerforrások életciklusa eltérő.Az impulzusos szálas lézer általában 20 000–100 000 üzemórára van besorolva. Napi 20 üzemórával egy 50 000 órás forrás közel hét évig működik a csere előtt. A forráscsere költsége 30 000–80 000 USD a jelentős teljesítménytől{13}} függően, de egy esemény, nem pedig egy visszatérő ritmus.

A lézeres karbantartást az optika és a fogyóeszközök uralják:

• Védőburkolat üveg:pár száz-néhány ezer óránként cserélik a füstterheléstől függően, darabonként 20-100 USD áron.
• Fúvóka és védőgáz:sűrített levegő vagy nitrogén alacsony áramlás mellett, elhanyagolható költséggel.
• Füstszűrő közeg:az igazi visszatérő tétel, ára a következő részben.

Karbantartási összehasonlítás

3. költségmeghajtó: sorja, por és a tisztaság költségvetése

Mindkét folyamat szennyeződést okoz. A típus különbözik, és a típus határozza meg a tisztasági tervezést.

A vágás során sorja és mechanikai törmelék keletkezik.A kopott szerszám sorját hagy a vágott élen-, amely áthajlik, és átszúrhatja a kész cellában lévő elválasztót. Az ipari korlátok jellemzően 10–15 µm alatti sorjamagasságot követelnek meg, és a stancolt vágás csak akkor közelíti meg ezt a határt, ha a szerszámot frissen élezték. A bevonat töréséből származó mechanikai por is leválik a vágott élről, és el kell távolítani, jellemzően kefével vagy porszívóval.

A lézeres bevágás füst- és fröccsenő aeroszolt termel.Az elpárolgott fém és szén finom részecskékké alakul vissza. Némelyik salakként visszarakódik a vágott élre; a többit egy elszívó rendszerrel kell felfogni, mielőtt a fólia felületén leülepedne. Az elektróda felületén ülő laza vezetőképes részecske látens rövidzárlat. A lézeres bevágás ezért a következőket írja elő:

• Helyi füstelszívása vágási zónában olyan befogási sebességgel, amely elegendő ahhoz, hogy a csóvát kihúzza, mielőtt az szétterül,
• HEPA minőségű szűrésa mikron alatti fém és szén aeroszol esetében,
• Szélsár-szabályozásfolyamatparamétereken (impulzusenergia, fókuszpozíció, segédgáz) keresztül, hogy az újra{0}}lerakódás ugyanazon a 10–15 µm-es tűrés alatt maradjon, mint amilyen a sorjaszabályozás a szerszámokon.

A lézeres bevágás tisztasági költségvetése valós, de korlátozott. A jól megtervezett elszívási és szűrési csomag 10–15%-kal növeli az állomás költségeit, és fogyóeszközöket tartalmaz, míg a rosszul szabályozott szerszámeljárás a szennyeződést a felszálló, sorja okozta törmelékben rejti el, ami nehezebben tulajdonítható. Az összehasonlítás nem a "tiszta vs. piszkos", hanem "látható visszatérő költség vs. rejtett hiba költsége".

A Breakeven Table: Hol lesz olcsóbb a lézeres bevágás

A döntési mérőszám az elektróda alkatrészenkénti költsége, nem a gép ára. Az alábbi táblázat modellezi a teljes éves költséget-a gépek amortizációját, a szerszámozást, a karbantartást és a porkezelést-, a gyártási mennyiségekre vonatkoztatva egy közepes méretű tasakelektróda-formátum esetében, évente egyszeri formátumváltással.

Feltételezések: 5 éves amortizáció; szerszámvágó állomás 120 000 USD; lézerállomás 230 000 USD; formátumonként egy kocka 15 000 USD áron; szerszámélezés 300 000 ütésenként 1 200 USD áron; 50 000 óra alatt amortizált lézerforrás; a porkezelés az éves lézeres működési költség 8 %-át tette ki.

Ebben a modellben a crossover évente 1-2 millió alkatrészt tartalmaz. Két változó mozgatja élesen:

• Évente változik a formátum.Minden további formátummódosítás hozzáad egy stancolást, és a crossovert a lézer javára alacsonyabb hangerő felé tolja.
• Tolerancia osztály.A 15 µm-ről 8 µm-re meghúzott sorja gyakoribb élezést kényszerít ki, ami növeli a szerszámköltséget és még lejjebb húzza a keresztváltót.

Évente 10 millió alkatrésznél a lézeres bemetszés nagyjából a fele az éves stancolási költségnek ebben a konfigurációban. 500 000 alkatrész alatt a stancolt vágás egyértelműen olcsóbb, és megfelelő választás kis mennyiségű vagy korai szakaszban végzett munkákhoz.

A kontra B: Amikor minden folyamat a megfelelő válasz

A mérnöki döntés nem az, hogy „melyik folyamat a jobb”, hanem „melyik folyamat illeszkedik a termék ütemtervéhez”. Az alábbi összehasonlítás keretezi.

Egy kutató- vagy kísérleti létesítménynek, amely ezer darabszámban gyárt prototípuselektródákat, szinte biztos, hogy fröccsöntéssel kell vágni-vagy akár kézi présszerszámot is kell használnia,-mert a mennyiség nem indokolja a lézertőkét. A termékfejlesztési folyamatot tápláló kísérleti gyártási létesítménynek korán át kell állnia a lézer használatára, mert a fejlesztés során bekövetkező formátumváltozások különben hetente költségkeretet emésztenek fel.

A nagy sebességű-lézeres marógépintegrált porelszívás prizmás és tasak elektróda kialakításához magasabb első számlát tartalmaz, de a költséggörbéje ellaposodik ott, ahol a vágószerszám emelkedik. Ezzel szemben aprecíziós elektróda szerszámvágóa rögzített -formátumú, nagy-volumenű hengeres gyártásnál az alacsonyabb összköltségű gép marad, ha a formátum lefagy, és a mennyiség nagy. A két gép egy teljes körű gyárban kiegészíti, nem versenytárs minden pályázatban.

Adatok alapján válassz, nem szokás szerint

Az akkumulátor-berendezések beszerzésének visszatérő mintája nem az, hogy a mérnökök rossz eljárást választanak. Arról van szó, hogy azt a folyamatot választják, amelyet legutóbb használtak. A fenti költségmodell elég egyszerű ahhoz, hogy egy táblázatban futtassuk, és minden új sornál le kell futtatni, mert a keresztváltó a formátum lemorzsolódása, a tűrésosztály és a fólia vastagsága szerint mozog.

Három adatpont teszi őszintevé a modellt:

• A szerszámélezések közötti tényleges löketek a célanyagnál,{0}}próbaszerszámon mérve, a szerszámgyártó nem idézi.
• Sorja növekedési görbe az élezési intervallumon keresztül, hogy megtudja, mikor kezdenek el meghibásodni az alkatrészek a specifikációban.
• A lézer valódi porkezelési költsége, beleértve a szűrőanyagot és a részecskehibáknak tulajdonítható hulladékot.

Ezzel a három számmal a fedezeti táblázat már nem elméleti, és növényspecifikus válasz lesz.

GYIK: Lézeres bevágás vs. Die Cutting

Melyik az olcsóbb, lézeres bemetszés vagy stancolt vágás?
Évente nagyjából 1 millió elektróda alkatrész alatt stabil formátum mellett a stancolt vágás olcsóbb. Évente 2 millió alkatrész felett, vagy gyakori formátumváltás esetén a lézeres bemetszés alacsonyabb éves összköltséggel jár, mivel megszűnik a szerszámozás és az élezés.

Mennyi ideig bírja a lézeres bemetszőgép forrása?
Az impulzusos szálas lézerforrások 20 000–100 000 üzemórára vannak méretezve. Napi két műszakban egy 50 000 órás forrás körülbelül hét évvel a csere előtt működik, szemben a néhány hetente mechanikus vágószerszámmal végzett élezéssel.

A lézeres bevágás okoz porproblémát?
Igen, de más fajta. A lézeres vágás fém- és szénfüst aeroszolt termel, amelyet a vágási zónában ki kell vonni és HEPA-szűrni kell. A fröccsöntés eltávolítja a mechanikai törmeléket és sorját. Mindkét folyamatnak ugyanazt az él- és részecsketisztasági költségkeretet kell tartania, -körülbelül 10 µm-, különböző eszközökkel.

Egy vágószerszám képes kezelni az új elektródaformátumot?
Csak új szerszámmal, 3000–40 000 USD-ba kerül, 4–8 hetes átfutási idővel. A lézeres bemetsző új vágási geometria feltöltésével változtatja a formátumot, általában egy napon belül érvényesítve.

Milyen vastagságú elektróda vágható a lézeres bevágással?
A szálas lézerek a bevonatos fóliát a 8 µm-es csupasz fóliától nagyjából 30–40 µm-es fóliáig vágják, 60–120 µm-es kétoldalas bevonattal. A nehezebb többrétegű lapok több áthaladást vagy hibrid megközelítést igényelhetnek.

A TOB New Energy folyamatmérnöki csoport által összeállított műszaki referencia az elektródaképző vonalakból prizmatikus, tasakos és hengeres cellás programokon keresztül. Ha az adott formátumban megtérülő modellt szeretne elérni, lépjen kapcsolatba Dr. Dany Huanggal a LinkedIn-en, vagy küldje el gyártási paramétereit a Xiamen mérnöki pulthoz.