Lasersko urezivanje u odnosu na rezanje kalupima: Ekonomika oblikovanja elektroda

Autor: Dany Huang, Ph.D.

Glavni izvršni direktor i voditelj istraživanja i razvoja, TOB New Energy

Povežite se s dr. Huangom na LinkedInu

Izvršni sažetak i ključni zaključci

Oblikovanje elektroda je korak u kojem se rađa geometrija ćelije-i gdje se odlučuje o cijeni po dijelu. Mehaničko izrezivanje pobjeđuje na kapitalnim troškovima kod male količine i stabilnih formata. Lasersko zarezivanje pobjeđuje kada se uračunaju promjene formata, održavanje matrice i defekti povezani sa srhovima. Crossover obično proizvodi između 3 i 8 milijuna dijelova elektrode godišnje, ovisno o bujici formata i klasi tolerancije.

• Kapacitet za rezanje kalupa počinje blizu 80.000 – 150.000 USD za stanicu po principu ključ u ruke; ćelija za lasersko urezivanje počinje od 150 000 do 300 000 USDza usporedivu propusnost.
• Alati za kalupe skriveni su stalni troškovi: matrica precizne elektrode košta 3.000–40.000 USD i zahtijeva ponovno oštrenje svakih 200.000–800.000 poteza, s potpunom zamjenom pri promjeni formata.
• Svjetlovodni laserski izvori imaju nazivni radni vijek od 20 000 do 100 000 satii režite bilo koju geometriju jezičaka bez promjene alata, ali zahtijevajte disciplinirano odsisavanje prašine i dima kako biste zaštitili čistoću optike i ćelije.
• Proračuni za neravnine i prašinu odlučuju o procesu:čičak od 10 µm ili labava vodljiva čestica defekt je kratkog spoja stanice; lasersko urezivanje pomiče problem kontaminacije s čička na dim, mijenjajući cjelokupni inženjering čistoće.

Postoje dva načina da se presvučena mreža elektroda pretvori u oblikovane elektrode: matrica od očvrslog čelika koja prolazi kroz foliju ili fokusirana laserska zraka koja isparava isti obris. Oba proizvode dijelove. Ekonomika dvaju putova razlikuje se na načine koji postaju vidljivi tek kada model punog troška uključuje životni vijek alata, promjene formata, kontrolu srha, upravljanje prašinom i otpad-prouzročen kvarovima.

Greška je uspoređivanje nabavnih cijena. Rezač je jeftin do treće promjene formata. Laser je skup dok proizvodnja prvog novog oblika elektrode ne košta ništa.

Kako se dva procesa zapravo spajaju

Rezanje štancapritišće prilagođenu brušenu matricu na foliju elektrode pomoću seta za bušenje i matricu. Oštrica reže sloj aktivnog materijala i metalnu foliju u jednom potezu, stvarajući čist rub kada je matrica oštar i oštricu kada nije. Brzina je velika-strojevi s jednom stanicom postižu 60–120 udaraca u minuti, a rotacijski kalupi idu brže. Svaki oblik elektrode zahtijeva svoju matricu.

Lasersko urezivanjeusmjerava pulsni ili CW vlaknasti laser duž obrisa elektrode. Zraka isparava materijal u prorezu obično širokom 30-80 µm. Nikakav fizički alat ne dodiruje dio. Promjena oblika elektrode softverska je operacija-prenesite novu CAD datoteku i putanja rezanja se ažurira. Brzina ovisi o duljini reza po dijelu, a ne o brzini hoda.

Ova dva procesa nisu zamjena u svakom slučaju. Lasersko urezivanje dominira prizmatičnim i vrećicastim oblikovanjem elektroda jer ti formati često mijenjaju oblik i zahtijevaju geometriju jezičaka s kojima se matrice loše rukuju. Rezanje kalupa zadržava jaku poziciju u cilindričnim formatima velikog volumena iu kontinuiranim procesima koji se uvlače u mrežu gdje je geometrija godinama zamrznuta.

Pokretač troškova 1: unaprijed uloženo i alat

Usporedba kapitala mora razdvojiti stroj od alata, jer je alat mjesto gdje se izrezom akumuliraju troškovi.

Za tvornicu koja radi na jednom cilindričnom formatu pet godina, niska cijena stroja i amortizirani alati su najbolji. Za postrojenje koje razvija vrećice ćelija gdje se konture elektrode mijenjaju svakih nekoliko mjeseci tijekom razvoja proizvoda, sama cijena matrice može premašiti premiju cijene lasera unutar prve godine.

Vrijeme izvedbe inženjeringa jednako je važno kao i novac. Za dizajn, rezanje i provjeru nove matrice potrebni su tjedni. Trasa laserskog reza se validira za jedan dan. U industriji u kojoj se odluke o formatu ćelija mijenjaju sa zahtjevima kupaca, ta vremenska razlika ima stvarnu komercijalnu težinu.

Pokretač troškova 2: Održavanje-Istrošenost kalupa u odnosu na vijek trajanja laserskog izvora

Trošenje matrice je predvidljivo i nemilosrdno.Svakim potezom brusi se oštrica. Rub matrice se zaokružuje, brazda raste, a kvaliteta rezanja opada. Ponovno oštrenje potrebno je svakih 200 000–800 000 poteza, ovisno o debljini folije, abrazivnosti premaza i stupnju čelika za kalup. Sam premaz elektrode-koji sadrži čestice tvrdog oksida za katode-ubrzava trošenje rubova. Između oštrenja, visina srha raste prema gore, a dijelovi pri kraju intervala oštrenja imaju postupno lošiju kvalitetu rubova.

Oštrenje matrice košta 500–3000 USD po usluzi i isključuje stroj. Rezač za rezanje u dvije smjene koji radi 400 udaraca u minuti s intervalom oštrenja od 300 000 poteza treba oštriti otprilike svakih 12 radnih dana. To je periodični prekid rada i ritam troškova koji pripada financijskom modelu.

Laserski izvori imaju drugačiji životni ciklus.Pulsni vlaknasti laser obično je predviđen za 20 000–100 000 sati rada. Uz 20 radnih sati dnevno, izvor od 50 000 sati radi gotovo sedam godina prije zamjene. Zamjena izvora košta 30.000–80.000 USD, ovisno o snazi-značajan, ali jedan događaj, a ne ponavljajući ritam.

Umjesto laserskog održavanja dominiraju optika i potrošni materijal:

• Zaštitno pokrivno staklo:zamjenjuje se svakih nekoliko stotina do nekoliko tisuća sati, ovisno o opterećenju dimom, po cijeni od 20–100 USD.
• Mlaznica i zaštitni plin:komprimirani zrak ili dušik pri niskom protoku, zanemariv trošak.
• Filter dimnih plinova:pravi predmet koji se ponavlja, čija je cijena navedena u sljedećem odjeljku.

Usporedba održavanja

Pokretač troškova 3: neravnine, prašina i proračun za čistoću

Oba procesa stvaraju kontaminaciju. Vrsta se razlikuje, a vrsta određuje inženjering čistoće.

Rezanje kalupa proizvodi neravnine i mehaničke ostatke.Istrošena matrica ostavlja brazdu na odrezanom rubu-metala koja se savija i može probiti separator u gotovoj ćeliji. Ograničenja u industriji obično zahtijevaju visinu brusa ispod 10-15 µm, a rezanje matrica se približava ovoj granici samo kada je matrica svježe naoštrena. Mehanička prašina od loma premaza također se baca s ruba reza i mora se ukloniti, obično četkanjem ili usisavačem.

Lasersko urezivanje proizvodi dim i aerosol koji prska.Ispareni metal i ugljik ponovno se kondenziraju u fine čestice. Neki se talože natrag na rezni rub kao trošak; ostatak mora biti uhvaćen sustavom za ekstrakciju prije nego što se taloži na površini folije. Labava vodljiva čestica koja sjedi na površini elektrode je latentni kratki spoj. Lasersko urezivanje stoga nalaže:

• Lokalizirana ekstrakcija dimau zoni rezanja s brzinom hvatanja dovoljnom za povlačenje oblaka prije nego što se proširi,
• HEPA-filtracijaza submikronski metalni i ugljični aerosol,
• Kontrola rubne šljakeputem parametara procesa (energija impulsa, položaj žarišta, pomoćni plin) kako bi se ponovni-talog zadržao ispod iste tolerancije od 10–15 µm koja ima mete za kontrolu srha na matricama.

Proračun čistoće za lasersko urezivanje je stvaran, ali ograničen. Dobro osmišljen paket za ekstrakciju i filtraciju dodaje 10–15 % trošku stanice i sadrži potrošne filtre, dok loše kontrolirani proces matrice skriva svoju kontaminaciju u rastućem otpadu uzrokovanom srhovima koji je teže pripisati. Usporedba nije "čisto naspram prljavo", već "vidljivi ponavljajući trošak naspram troška skrivenog kvara".

Tablica rentabilnosti: gdje lasersko urezivanje postaje jeftinije

Mjerilo odluke je cijena po dijelu elektrode, a ne cijena stroja. Donja tablica modelira ukupne godišnje troškove-amortizacije stroja, alata, održavanja i upravljanja prašinom-po količinama proizvodnje za format vrećice elektrode srednje veličine s jednom promjenom formata godišnje.

Pretpostavke: 5-godišnja amortizacija; stanica za rezanje rezača 120.000 USD; laserska stanica 230.000 USD; jedna matrica po formatu od 15.000 USD; oštrenje matrice svakih 300.000 poteza po 1.200 USD; laserski izvor amortiziran preko 50.000 h; upravljanje prašinom košta 8 % godišnjih operativnih troškova lasera.

Crossover u ovom modelu sjedi između 1 i 2 milijuna dijelova godišnje. Dvije varijable ga oštro pomiču:

• Format se mijenja godišnje.Svaka dodatna promjena formata dodaje kupnju matrice i gura crossover prema manjim količinama u korist lasera.
• Klasa tolerancije.Specifikacija brusa smanjena s 15 µm na 8 µm zahtijeva češće oštrenje matrice, povećavajući cijenu matrice i povlačeći skretnicu još niže.

S 10 milijuna dijelova godišnje, lasersko urezivanje pokazuje otprilike polovicu godišnjih troškova rezanja u ovoj konfiguraciji. Ispod 500.000 dijelova, izrezivanje je nedvosmisleno jeftinije i ispravan izbor za male količine ili rad u ranoj fazi.

A protiv B: Kada je svaki proces pravi odgovor

Inženjerska odluka nije "koji je proces bolji", već "koji proces odgovara planu proizvoda". Usporedba u nastavku to uokviruje.

Istraživačko ili pilot postrojenje koje proizvodi tisuće prototipova elektroda gotovo bi sigurno trebalo rezati-ili čak koristiti ručnu prešu-jer obujam ne opravdava kapital lasera. Pogon od pilot-proizvodnje koji opskrbljuje cjevovod za razvoj proizvoda trebao bi ranije prijeći na laser, jer bi promjene formata tijekom razvoja inače trošile tjedni proračun.

A laserski{0}}stroj za urezivanje velike brzines integriranim odsisavanjem prašine za oblikovanje prizmatičnih i vrećicastih elektroda nosi veću prvu fakturu, ali njegova krivulja troškova se izravnava tamo gdje se rezač matrica penje. Nasuprot tome, arezač preciznih elektrodaza fiksni{0}}format velikog-količina, cilindrična proizvodnja ostaje stroj s nižim ukupnim troškom kada je format zamrznut, a volumen velik. Dva su stroja nadopuna u punoj tvornici, a ne konkurencija u svakom natječaju.

Biranje prema podacima, a ne prema navici

Uzorak koji se ponavlja u nabavi baterijske opreme nije taj da su inženjeri odabrali krivi proces. To je da izaberu proces koji su koristili prošli put. Gore navedeni troškovni model dovoljno je jednostavan za pokretanje na proračunskoj tablici i trebao bi se izvoditi za svaki novi redak, jer se križanje pomiče s odljevom formata, klasom tolerancije i debljinom folije.

Tri podatkovne točke čine model poštenim:

• Stvarni udarci između oštrenja matrice na ciljnom materijalu-izmjereni na probnoj matrici, a ne navodi ih proizvođač alata.
• Krivulja rasta brusa kroz interval oštrenja, kako biste znali kada dijelovi počnu gubiti specifikacije.
• Stvarni trošak upravljanja prašinom za laser, uključujući filtarske medije i otpad koji se može pripisati defektima čestica.

S ta tri broja, tablica rentabilnosti prestaje biti teoretska i postaje odgovor specifičan za biljku.

Često postavljana pitanja: Lasersko urezivanje u odnosu na rezanje kalupa

Što je jeftinije, lasersko urezivanje ili rezanje kalupa?
Ispod otprilike 1 milijuna dijelova elektroda godišnje sa stabilnim formatom, rezanje je jeftinije. Iznad 2 milijuna dijelova godišnje ili s čestim promjenama formata, lasersko urezivanje ima manji ukupni godišnji trošak jer alati i oštrenje nestaju.

Koliko dugo traje izvor stroja za lasersko urezivanje?
Izvori lasera s pulsnim vlaknima predviđeni su za 20 000–100 000 radnih sati. U dvije smjene dnevno, izvor od 50.000 sati radi otprilike sedam godina prije zamjene, u odnosu na oštrenje matrice svakih nekoliko tjedana na mehaničkom rezaču.

Stvara li lasersko urezivanje probleme s prašinom?
Da, ali drugačija vrsta. Lasersko rezanje proizvodi aerosol metala i ugljika koji se mora ekstrahirati u zoni rezanja i HEPA-filtrirati. Rezanje kalupa uklanja mehaničke ostatke i neravnine. Oba procesa moraju imati isti rub i budžet za čistoću čestica-oko 10 µm-na različite načine.

Može li rezač izrezivača podnijeti novi format elektrode?
Samo s novim kalupom, koji košta 3.000–40.000 USD s rokom isporuke od 4–8 tjedana. Laserski rezač mijenja format učitavanjem nove geometrije reza, koja se obično potvrđuje unutar jednog dana.

Koja se debljina elektrode može rezati laserom?
Vlaknasti laseri zarezuju foliju obloženu od 8 µm gole folije do otprilike 30–40 µm folije s dvostranim premazom od 60–120 µm. Teže višeslojne kartice mogu zahtijevati više prolaza ili hibridni pristup.

Tehničku referencu sastavila je skupina za procesno inženjerstvo TOB New Energy iz instalacija linije za oblikovanje elektroda kroz programe prizmatičnih, vrećica i cilindričnih ćelija. Za model rentabilnosti na vašem specifičnom formatu, povežite se s dr. Danyjem Huangom na LinkedInu ili pošaljite svoje proizvodne parametre inženjerskom odjelu Xiamena.