Design of Experiments – Pellolta moderniin laserhitsausrobottiin

Hitsaus

Hitsaus on prosessi, jossa kaksi tai useampi metallikappale liitetään toisiinsa sulattamalla niiden liitoskohdat. Hyvin usein liitoskohtaan lisätään täyteainetta. Hitsausprosessin hallinnan kannalta lämpöenergian tuotto on olennaista. Hitsauslämpötila nostaa materiaalin sulamispisteeseen, jolloin syntyy sulaliitos, joka jäähtyessään muodostaa kestävän ja yhtenäisen rakenteen.

Hitsaus on monivaiheinen prosessi, johon vaikuttaa esimerkiksi lämpötilan hallinta, materiaalin ominaisuudet, valittu hitsausmenetelmä ja ympäristöolosuhteet. Moderni hitsaus voi olla manuaalista, puoliautomaattista tai täysin automatisoitua robottihitsausta. Hitsausmenetelmiä on useita, kuten kaarihitsaus, MIG/MAG (Metal Inert Gas / Metal Active Gas), TIG (Tungsten Inert Gas) ja laserhitsaus.

Tilastollisen koesuunnittelun perusteet juontavat juurensa Sir Ronald A. Fisherin työhön 1920- ja 1930-luvuilla. Työskennellessään Rothamstedin maatalouskoeasemalla Fisher huomasi silloisten koemenetelmien puutteet ja haasteet. Tähän perustuen hän kehitti nykyisen koesuunnittelun kolme perusperiaatetta:

1) Satunnaistaminen (Randomization)
2) Toistaminen (Replication)
3) Lohkominen (Blocking).

Satunnaistaminen tarkoittaa sitä, että kokeiden ajojärjestys on satunnainen. Satunnaistaminen on tärkeää, koska todellisessa ympäristössä voi olla erilaisia piileviä tekijöitä, kuten esimerkiksi lämpötilan vaihtelu tai koneen kunto. Satunnaistamisella varmistetaan, että piilevien tekijöiden vaikutus jakaantuu tasaisesti eri kokeiden kesken. Tällöin näiden tekijöiden vaikutus ei sekoitu tutkittavien tekijöiden vaikutuksiin. Vastaavasti toistaminen tarkoittaa kokeen toistamista samoilla asetuksilla. Toistojen avulla saadaan selville satunnaisvaihtelu eli kuinka paljon tulokset vaihtelevat, vaikka asetukset ovat samat. Toistaminen paljastaa johtuuko ero tekijöistä vai sattumasta. Lohkomisen avulla voidaan hallita tunnettuja häiriötekijöitä. Lohkomisen avulla voidaan tutkia esimerkiksi päivän tai raaka-aine-erän vaikutusta.

Koesuunnitelun perusperiaatteiden lisäksi Fisher kehitti täystekijäkoesuunnitelmat (Full Factorial Design), joissa tutkitaan eri tekijöiden vaikutuksia ja niiden yhteisvaikutuksia systemaattisesti. Yhteisvaikutus tarkoittaa tilannetta, jossa kahden tai useamman tekijän vaikutus ei ole vain summa niiden vaikutuksista. Tekijät voivat vahvistaa, heikentää tai jopa muuttaa toistensa vaikutusta. Tämä Fisherin kehittämä lähestymistapa mahdollistaa monimutkaisten prosessien ymmärtämisen ilman valtavaa määrää satunnaisia kokeita. Lisäksi Fisher kehitti menetelmän tällaisten kokeiden analysoimiseksi. Varianssianalyysin (ANOVA = Analysis of Variance) avulla voidaan erottaa mikä osa tulosten vaihtelusta aiheutuu tutkittavista tekijöistä ja mikä osa satunnaisesta virheestä. Tämä menetelmä on edelleen yksi tilastollisten kokeiden analyysin kulmakivistä. Menetelmää käytetään laajasti niin teollisuudessa, lääketieteessä kuin tutkimuksessakin.

SAMKin RoLa-projektissa tutkitaan robotisoitua laserhitsausta ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Laserhitsaus on hitsausmenetelmä, jossa hitsausenergia tuotetaan keskitetyllä erittäin voimakkaalla lasersäteellä. Kyseinen lasersäde kohdistetaan liitoskohtaan, jolloin se sulattaa materiaalin nopeasti ja paikallisesti, muodostaen kapean ja syvän hitsisulan. Menetelmän suurimpia etuja on erittäin pieni lämpövaikutusalue, mikä vähentää muodonmuutoksia ja jännityksiä verrattuna perinteisempiin hitsausmenetelmiin.

Laserhitsaus soveltuu esimerkiksi korkean tarkkuuden ohutlevyliitoksiin ja automatisoituihin tuotantolinjoihin. Menetelmä mahdollistaa esimerkiksi suuren hitsausnopeuden ja monimutkaisten liitosten toteutuksen. Laserhitsaus on keskeinen menetelmä modernissa valmistuksessa, koska se yhdistää teknologian, nopeuden ja laadun.

Laserhitsausprosessista on saatavilla runsaasti teoreettista tietoa, mutta pelkkä teoria ei riitä ratkaisemaan käytännön haasteita, joita yritykset kohtaavat tuotannossa. Prosessiin vaikuttaa useat tekijät, kuten laserteho, hitsausnopeus ja polttopisteen sijainti, sekä näiden tekijöiden väliset yhteisvaikutukset. Juuri nämä yhteisvaikutukset voivat olla ratkaisevia hitsin laadun kannalta, mutta niiden vaikutusta ei tunneta riittävästi. Usein ei ole tarkkaa tietoa siitä, miten yksittäiset parametrit tai niiden yhdistelmät vaikuttavat lopputulokseen. Tämän vuoksi Design of Experiments (DoE) on yksi tehokkaimmista menetelmistä prosessin optimointiin: sen avulla voidaan systemaattisesti selvittää merkittävimmät tekijät ja niiden yhteisvaikutukset, vähentää kokeiden määrää ja löytää optimaalinen hitsausstrategia nopeasti ja luotettavasti.

Laserhitsaus tuo hitsausprosessiin tarkkuutta ja nopeutta, mutta ilman systemaattista koesuunnittelua sen hallinta on haastavaa. Tästä syystä RoLa-projektissa sovelletaan Design of Experiments (DoE) -menetelmiä robotisoidun laserhitsauksen optimointiin. DoE:n avulla voidaan tutkia keskeisiä prosessiparametreja, kuten lasertehoa, hitsausnopeutta ja polttopisteen sijaintia, sekä niiden yhteisvaikutuksia. Näiden menetelmien avulla laserhitsausprosessi voidaan säätää tehokkaaksi, laadukkaaksi ja resurssiviisaaksi – vähentäen virheitä, parantaen hitsin laatua ja nopeuttaen tuotannon käyttöönottoa.