Lasersko zarezovanje v primerjavi z izrezovanjem: Ekonomika oblikovanja elektrod

Avtor: Dany Huang, dr.

Generalni direktor & vodja raziskav in razvoja, TOB New Energy

Povežite se z dr. Huangom na LinkedInu

Povzetek in ključni povzetki

Oblikovanje elektrod je korak, kjer se rodi geometrija celice-in kjer se odloča o ceni na del. Mehansko izsekavanje ima prednost pri kapitalskih stroških pri majhni količini in stabilnih formatih. Lasersko zarezovanje zmaga, ko se upoštevajo spremembe formata, vzdrževanje matrice in napake, povezane z brušenjem. Križanec običajno pristane med 3 in 8 milijoni delov elektrode na leto, odvisno od odmika formata in razreda tolerance.

• Capex izrezovanje se začne blizu 80.000–150.000 USD za postajo na ključ; celica z laserskim zarezovanjem se začne pri 150.000–300.000 USDza primerljivo pretočnost.
• Orodje za izrezovanje je skriti ponavljajoči se strošek: natančna elektrodna matrica stane 3.000–40.000 USD in zahteva ponovno ostrenje vsakih 200.000–800.000 gibov s popolno zamenjavo ob spremembi formata.
• Viri laserskih vlaken so ocenjeni na 20.000–100.000 delovnih urin odrežite poljubno geometrijo jezička brez menjave orodja, vendar zahtevajte disciplinirano odsesavanje prahu in dima za zaščito optike in čistoče celice.
• Proračuni za brušenje in prah odločajo o postopku:čep velikosti 10 µm ali ohlapen prevodni delec je napaka zaradi kratkega stika v celici; lasersko zarezovanje premakne problem kontaminacije z bruhanja na dim, s čimer se spremeni celoten inženiring čistoče.

Obstajata dva načina za pretvorbo prevlečene elektrodne mreže v oblikovane elektrode: kaljena jeklena matrica, ki vtisne skozi folijo, ali fokusiran laserski žarek, ki izpari isti obris. Oba proizvajata dele. Ekonomika obeh poti se razlikuje na načine, ki postanejo vidni šele, ko model polnih stroškov vključuje življenjsko dobo orodja, spremembe formata, nadzor zarez, upravljanje s prahom in odpad-povzročene napake.

Napaka je primerjava nabavnih cen. Izsekovalnik je poceni do tretje spremembe formata. Laser je drag, dokler proizvodnja prve nove oblike elektrode ne stane nič.

Kako se ta dva procesa dejansko odrezata

Izrezovanjepritisne prilagojeno brušeno matrico ob folijo elektrode s kompletom za prebijanje in matrico. Rezilo v eni potezi odreže prevleko aktivnega materiala in kovinsko folijo ter ustvari čist rob, ko je matrica ostra, in rob, ko ni. Hitrost je visoka-enopostajni stroji dosežejo 60–120 gibov na minuto, rotacijske matrice pa gredo hitreje. Vsaka oblika elektrode zahteva svojo matrico.

Lasersko zarezovanjeusmerja pulzni ali CW laser z vlakni vzdolž obrisa elektrode. Žarek upari material v zarezo, običajno široko 30–80 µm. Nobeno fizično orodje se ne dotika dela. Spreminjanje oblike elektrode je programska operacija-naložite novo datoteko CAD in pot reza se posodobi. Hitrost je odvisna od dolžine reza na kos in ne od stopnje giba.

Oba postopka nista v vsakem primeru nadomestna. Lasersko zarezovanje prevladuje pri oblikovanju prizmatičnih elektrod in elektrod v vrečkah, ker ti formati pogosto spreminjajo obliko in zahtevajo geometrijo jezičkov, ki se matrice slabo obdelujejo. Izrezovanje ohranja močan položaj v visokoserijskih cilindričnih formatih in v neprekinjenih procesih z ročnim podajanjem, kjer je geometrija leta zamrznjena.

Stroškovni dejavnik 1: vnaprejšnja naložba in orodje

Primerjava kapitala mora ločiti stroj od orodja, saj je orodje tisto, kjer izrezovanje kopiči stroške.

Za obrat, ki pet let uporablja en cilindrični format, sta nizka cena stroja in amortizirano orodje naravnost zmagala. Za tovarno, ki razvija vrečke za celice, kjer se obris elektrode spreminja vsakih nekaj mesecev med razvojem izdelka, lahko samo stroški matrice presežejo ceno laserja v prvem letu.

Čas inženiringa je pomemben enako kot denar. Oblikovanje, rezanje in potrditev nove matrice traja tedne. Pot laserskega reza je validirana v enem dnevu. V panogi, kjer se odločitve glede formata celic spreminjajo z zahtevami strank, ima ta časovna razlika resnično komercialno težo.

Stroškovni dejavnik 2: Vzdrževanje-Obraba matrice v primerjavi z življenjsko dobo laserskega vira

Obraba matrice je predvidljiva in neizprosna.Vsaka poteza odrgni rezalni rob. Rob matrice se zaokroži, rob se poveča in kakovost reza se poslabša. Ponovno ostrenje je potrebno vsakih 200.000–800.000 gibov, odvisno od debeline folije, abrazivnosti prevleke in stopnje jekla za matrice. Sama prevleka elektrode-ki vsebuje delce trdega oksida za katode-pospešuje obrabo robov. Med ostrenji se višina rezila dvigne, deli blizu konca intervala ostrenja pa imajo postopoma slabšo kakovost robov.

Ostrenje matrice stane 500–3000 USD na storitev in stroj odklopi. Dvoizmenski izsekovalni rezkar s 400 gibi na minuto z intervalom ostrenja 300.000 gibov potrebuje ostrenje približno vsakih 12 delovnih dni. To je ponavljajoč se izpad in stroškovni ritem, ki sodi v finančni model.

Laserski viri imajo drugačen življenjski cikel.Impulzni laser z vlakni je običajno ocenjen za 20.000–100.000 ur delovanja. Pri 20 delovnih urah na dan 50.000-urni vir deluje skoraj sedem let pred zamenjavo. Zamenjava vira stane 30.000–80.000 USD, odvisno od moči-pomemben, vendar enkraten dogodek in ne ponavljajoči se ritem.

Namesto laserskega vzdrževanja prevladujejo optika in potrošni material:

• Zaščitno pokrivno steklo:zamenjati vsakih nekaj sto do nekaj tisoč ur, odvisno od obremenitve dimnih plinov, po 20–100 USD za vsako.
• Šoba in zaščitni plin:stisnjen zrak ali dušik pri nizkem pretoku, zanemarljivi stroški.
• Filter za dimne pline:pravi ponavljajoči se predmet, katerega cena je navedena v naslednjem razdelku.

Primerjava vzdrževanja

Stroškovno gonilo 3: Burr, prah in proračun za čistočo

Oba procesa povzročata kontaminacijo. Tip se razlikuje in tip določa tehniko čistoče.

Pri rezanju nastajajo robovi in ​​mehanski odpadki.Obrabljena matrica pusti na odrezanem robu-kovine, ki se prepogne in lahko prebode separator v končni celici. Industrijske omejitve običajno zahtevajo višino brusov pod 10–15 µm, izrezovanje pa se tej meji približa le, ko je matrica sveže nabrušena. Mehanski prah zaradi zloma prevleke prav tako pada z odrezanega roba in ga je treba odstraniti, običajno s ščetkanjem ali vakuumom.

Lasersko zarezovanje proizvaja dim in brizganje aerosola.Uparjena kovina in ogljik se ponovno kondenzirata v drobne delce. Nekateri se odložijo nazaj na odrezani rob kot žlindra; preostanek mora zajeti ekstrakcijski sistem, preden se usede na površino folije. Ohlapen prevodni delec, ki sedi na površini elektrode, je latentni kratek stik. Lasersko zarezovanje torej zahteva:

• Lokalno odvajanje dimana območju reza z zadostno hitrostjo zajemanja, da potegne oblak, preden se razširi,
• Filtriranje stopnje HEPAza submikronski kovinski in ogljikov aerosol,
• Nadzor umazanije na robovihprek procesnih parametrov (energija impulza, položaj žarišča, pomožni plin), da ohranite ponovni -nanos pod isto toleranco 10–15 µm, kot so tarče za nadzor brušenja na matricah.

Proračun za čistočo za lasersko zarezovanje je resničen, vendar omejen. Dobro zasnovan paket za ekstrakcijo in filtracijo doda 10–15 % k stroškom postaje in vključuje potrošne filtre, medtem ko slabo nadzorovan postopek matrice svojo kontaminacijo skriva v naraščajočih ostankih, povezanih z brušenjem, ki jih je težje pripisati. Primerjava ni "čisto proti umazanemu", temveč "vidni ponavljajoči se stroški v primerjavi s stroški skritih napak."

Tabela prelomnosti: kjer lasersko zarezovanje postane cenejše

Odločitvena metrika je cena na del elektrode, ne cena stroja. Spodnja tabela modelira skupne letne stroške-amortizacije stroja, orodja, vzdrževanja in upravljanja prahu-v obsegu proizvodnje za srednje velik format elektrod v vrečki z eno spremembo formata na leto.

Predpostavke: 5-letna amortizacija; postaja za izrezovanje 120.000 USD; laserska postaja 230.000 USD; ena matrica na format pri 15.000 USD; ostrenje matrice vsakih 300.000 gibov po 1.200 USD; laserski vir amortiziran nad 50.000 h; upravljanje prahu znaša 8 % letnih stroškov delovanja laserja.

Crossover v tem modelu sedi med 1 in 2 milijona delov na leto. Dve spremenljivki ga močno premakneta:

• Oblika se spreminja vsako leto.Vsaka dodatna sprememba formata doda nakup matrice in potiska križanec k manjšim količinam v korist laserja.
• Razred tolerance.Specifikacije brusov, poostrene s 15 µm na 8 µm, zahtevajo pogostejše ostrenje matrice, kar zviša stroške matrice in potegne križišče še nižje.

Pri 10 milijonih delov na leto lasersko zarezovanje kaže približno polovico letnih stroškov izrezovanja v tej konfiguraciji. Pod 500.000 deli je izsekavanje nedvoumno cenejše in prava izbira za delo v majhnih količinah ali v zgodnji fazi.

A proti B: Ko je vsak proces pravi odgovor

Inženirska odločitev ni "kateri postopek je boljši", temveč "kateri postopek ustreza načrtu izdelka". Spodnja primerjava to uokvirja.

Raziskovalni ali pilotni obrat, ki proizvaja na tisoče prototipnih elektrod, bi moral skoraj zagotovo izsekati-ali celo uporabiti ročno izrezovalno stiskalnico-, ker obseg ne upravičuje kapitala laserja. Obrat od pilota do proizvodnje, ki napaja cevovod za razvoj izdelkov, bi se moral zgodaj premakniti na laser, saj bi spremembe formata med razvojem sicer porabile tedenske proračune.

A visokohitro-laserski stroj za zarezovanjez vgrajenim odsesavanjem prahu za prizmatično in vrečkasto oblikovanje elektrod ima višji prvi račun, vendar se njegova krivulja stroškov izravna, kjer se izsekovalni rezalnik povzpne. Nasprotno, arezalnik za natančno elektrodopri fiksnem-velikem{1}}formatu je cilindrična proizvodnja še vedno stroj z nižjimi skupnimi stroški, ko je format zamrznjen in je obseg velik. Stroja sta dopolnila v tovarni v polnem obsegu, ne pa tekmeca na vsakem razpisu.

Izbira po podatkih, ne po navadi

Ponavljajoči se vzorec pri nabavi baterijske opreme ni v tem, da inženirji izberejo napačen postopek. To je, da izberejo postopek, ki so ga uporabili zadnjič. Zgornji stroškovni model je dovolj preprost za izvajanje v preglednici in ga je treba izvajati za vsako novo vrstico, ker se križanec premika z odmikom formata, razredom tolerance in debelino folije.

Zaradi treh podatkovnih točk je model pošten:

• Dejanski gibi med ostrenji matrice na ciljnem materialu-izmerjeni na poskusni matrici, ki jih orodjar ne navaja.
• Krivulja rasti burra v intervalu ostrenja, da veste, kdaj deli začnejo odpovedovati specifikacijam.
• Realni stroški upravljanja prahu za laser, vključno s filtrirnimi mediji in ostanki, ki jih je mogoče pripisati napakam delcev.

S temi tremi številkami tabela rentabilnosti ni več teoretična in postane odgovor, specifičen za rastlino.

Pogosta vprašanja: Lasersko zarezovanje v primerjavi z izrezovanjem

Kaj je ceneje, lasersko zarezovanje ali izrezovanje?
Pod približno 1 milijonom elektrodnih delov na leto s stabilnim formatom je izrezovanje cenejše. Pri več kot 2 milijonih delov na leto ali pri pogostih spremembah formata ima lasersko zarezovanje nižje skupne letne stroške, ker orodja in ostrenje izginejo.

Kako dolgo zdrži vir laserskega zarezovalnega stroja?
Laserski viri z impulznimi vlakni so ocenjeni na 20.000–100.000 ur delovanja. V dveh izmenah na dan 50.000-urni vir deluje približno sedem let pred zamenjavo, v primerjavi z ostrenjem matrice vsakih nekaj tednov na mehanskem rezalniku.

Ali lasersko zarezovanje povzroča težave s prahom?
Da, ampak drugačne vrste. Lasersko rezanje proizvaja kovinski in ogljikov aerosol, ki ga je treba ekstrahirati na območju reza in filtrirati s HEPA. Izrezovanje odstranjuje mehanske ostanke in robove. Oba postopka morata imeti enak proračun za čistost robov in delcev-približno 10 µm-na različne načine.

Ali lahko izsekovalni rezalnik prenese nov format elektrode?
Samo z novo matrico, ki stane 3.000–40.000 USD z dobavno dobavo 4–8 tednov. Laserski zareznik spremeni format tako, da naloži novo geometrijo reza, ki se običajno potrdi v enem dnevu.

Kakšno debelino elektrode je mogoče rezati z laserskim zarezovanjem?
Vlakneni laserji zarezujejo prevlečeno folijo od 8 µm gole folije do približno 30–40 µm folije z dvostranskim premazom 60–120 µm. Težji večplastni zavihki lahko zahtevajo več prehodov ali hibridni pristop.

Tehnična referenca, ki jo je sestavila skupina za procesno inženirstvo TOB New Energy iz napeljav linij za oblikovanje elektrod v programih prizmatičnih, vrečk in cilindričnih celic. Za model prelomnosti v vašem specifičnem formatu se povežite z dr. Danyjem Huangom na LinkedInu ali pošljite svoje proizvodne parametre inženirskemu oddelku Xiamena.