×
العلاقة بين سرعة عمل ماكينات الليزر وقدرتها الاستهلاكية للطاقة ليست بسيطة على الإطلاق. وبحسب التقارير الصادرة مؤخراً من قطاع أنظمة الليزر في 2023، فإن هذه الماكينات تستهلك عند بدء التشغيل حوالي 2.5 كيلوواط. ولكن بمجرد استقرار العمل واستمرار تشغيل الماكينة بسرعة تبلغ حوالي 800 ملليمتر في الثانية، فإنها عادةً ما تستهلك فقط 1.2 كيلوواط، وهو ما يعادل فعلياً أقل بنسبة تصل إلى ربع استهلاك التقنيات القديمة للحفر. ولكن إذا اضطر المشغلون إلى تقليل السرعة إلى 300 ملليمتر/ثانية من أجل تنفيذ حفر عميق جداً، فإن استهلاك الطاقة يرتفع بنسبة تصل إلى 40%. يحدث ذلك لأن الليزر يظل نشطاً لفترة أطول على سطح المادة. لحسن الحظ، فإن المعدات الأحدث مزودة بما يُعرف بتقنية التحكم التكيفي في قدرة الليزر. وبشكل أساسي، يقوم نظام التحكم بتعديل كمية الطاقة المُوجهة إلى الليزر وفقاً للسرعة المبرمجة، مما يساعد في الحفاظ على كفاءة استخدام الطاقة بشكل عام حتى في ظل تغير الظروف أثناء فترات الإنتاج.
تقوم أحدث أنظمة الليزر الليفي بتعديل سرعتها أثناء التشغيل بناءً على ما تراه الآلة من خلال نظام الرؤية الخاص بها. هذا يعني أنها لا تهدر الطاقة أثناء الحركة دون تنفيذ أي عملية وسم، مما يقلل من استهلاك الطاقة خلال تلك الفترات غير النشطة بنسبة تصل إلى الربع وفقاً للدراسات الحديثة لعام 2024. كما توجد ميزة ذكية تُسمى 'وضعية البث' (burst mode) تقوم بالتبديل بين نبضات سريعة جداً بتردد 10,000 هرتز أثناء عملية الوسم، ونبضات أبطأ بكثير بتردد 200 هرتز فقط أثناء الانتظار. يظل النظام جاهزاً للعمل دون استهلاك كبير للطاقة الكهربائية أثناء فترات الخمول، حيث تنخفض قوة الاستهلاك إلى 300 واط فقط بدلاً من القيمة السابقة.
قام مورد توريد أوتوماتيكي من الدرجة الأولى بتحسين إعدادات الليزر CO₂ لوضع العلامات على زنبركات الصمامات، مما حقق وفورات كبيرة في استهلاك الطاقة مع الحفاظ على معايير الجودة ISO/TS 16949:
| المعلمات | الأصلي | مُحسَّن |
|---|---|---|
| السرعة | 650 مم/ث | 900 مم/ث |
| تردد النبض | 20 كيلوهرتز | 15 كيلوهرتز |
| دورة الواجب | 85% | 72% |
أدى هذا التعديل إلى تقليل استهلاك الطاقة السنوي من 58 ميغاواط ساعة إلى 34.8 ميغاواط ساعة. وقد برر العائد على الاستثمار خلال 15 شهرًا ترقية ستة أنظمة قديمة باستخدام مُعدّلات تردد متكيّفة.
تحقيق شركات تصنيع الأجهزة الطبية التي تستخدم ليزر الأشعة فوق البنفسجية وفرًا بنسبة 18% في تكاليف الطاقة لكل وحدة من خلال تطبيق ملفات تعريف سرعة متغيرة:
على الجانب الآخر، أفاد قطاع الإلكترونيات بزيادة في الكفاءة في استخدام الطاقة بنسبة 31٪ من خلال الجمع بين إعدادات السرعة المُبرمجة وأجهزة استشعار الحمل الحراري. ويمنع هذا ارتفاع درجة الحرارة أثناء وسم لوحات الدوائر المطبوعة مع الحفاظ على طاقة إنتاجية تبلغ 1,200 لوحة/ساعة (تقرير تصنيع أشباه الموصلات لعام 2023).
تختلف تقنيات الوسم بالليزر بشكل كبير من حيث الكفاءة في استخدام الطاقة. تعد ليزرات CO2 الأقل كفاءة، حيث تستهلك 7–15 كيلوواط مع تحويل 10–20% فقط من الطاقة المُدخلة إلى طاقة قابلة للاستخدام (Heatsign 2023). تتفوق الليزرات بالألياف على غيرها، حيث تحقق كفاءة تحويل تصل إلى 40–50% عند استهلاك 2–4 كيلوواط. أما الليزرات فوق البنفسجية، فهي ضرورية للدقة، لكنها تتطلب طاقة أكثر بنسبة 15–30% مقارنةً بالنظم الليزرية بالألياف لتطبيقات دقيقة مثل وسم الأجهزة الطبية.
| المعيار | ليزر ثاني أكسيد الكربون | ليزر الألياف | ليزر الأشعة فوق البنفسجية |
|-----------------------|-----------------|-----------------|------------------|
| متوسط استهلاك الطاقة | 7-15 كيلوواط | 2-4 كيلوواط | 3-5 كيلوواط |
| تحويل الطاقة | 10-20% | 40-50% | 25-35% |
| متطلبات التبريد | نشط (عالي) | سلبي | نشط (متوسط) |
يُعد الليزر الأليفي الأكثر كفاءة لثلاثة مزايا رئيسية:
وفقًا لدراسات كفاءة الليزر الليفي، توفر هذه الأنظمة تكاليف تشغيل أقل بنسبة 40% مقارنةً بليزرات CO2 في الإنتاج المستمر. كما يلغي الضخ المباشر للديود الحاجة إلى إعادة تعبئة الغاز، مما يقلل الهدر في الطاقة أثناء الخمول بنسبة 60-70% في سير العمل بالدُفعات.
تستهلك ليزرات الأشعة فوق البنفسجية (355 نانومتر) طاقةً أكثر بنسبة 18-22% مقارنةً بالليزرات الليفية عند وضع العلامات على البوليمرات الحساسة للحرارة والأشباه الموصلات. ويرجع ذلك إلى العمليات المكثفة في مضاعفة التردد ثلاث مرات والاحتياجات الخاصة للتبريد النشط لمكونات العدسات. وعلى الرغم من أهميتها في الإلكترونيات الدقيقة (الميزات أقل من 15 ميكرومتر)، فإن أنظمة الأشعة فوق البنفسجية تُسجل كفاءة طاقة أقل بنسبة 35% في المتوسط وفقًا للمقاييس الصناعية (تقرير معالجة مواد الليزر 2024).
غالبًا ما يؤدي زيادة سرعات الوسم إلى ارتفاع استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 15 إلى 35% (مجلة معالجة المواد 2023). بالنسبة لليزر CO2، فإن التشغيل بسرعة 80% يقلل الإنتاج اليومي بنسبة 12%، لكنه يخفض الطلب على الطاقة بنسبة 22 كيلوواط في الساعة في العمليات المستمرة. تختلف العلاقة بين الطاقة والسرعة حسب التكنولوجيا:
| نوع الليزر | زيادة السرعة | التأثير على استهلاك الطاقة |
|---|---|---|
| ألياف | +25% | +18% |
| CO₂ | +20% | +30% |
| UV | +15% | +24% |
تستخدم وحدات التحكم الحديثة إشارات رد فعل في الوقت الفعلي لكشف درجة صلابة المادة، وتقلل تلقائيًا من السرعة بنسبة تتراوح بين 40 إلى 60% عند وضع العلامات على الفولاذ المقوى مقارنةً مع الألومنيوم. ويمنع هذا الهدر الكبير في الطاقة الناتج عن الوسم المفرط، وهو مصدر رئيسي للهدر، حيث كانت الإعدادات ذات السرعة الثابتة مسؤولة سابقًا عن 30% من سوء كفاءة الطاقة في خطوط المواد المختلطة.
مهما يكن الأمر غريبًا، فإن بعض مرافق صناعة السيارات تستخدم بالفعل 18 بالمئة أكثر من الطاقة عند تشغيل أنظمتها فوق البنفسجية بسرعة قصوى مقارنةً بالمنشآت التي تعمل بسعة تبلغ حوالي 85 بالمئة. لماذا؟ وذلك لأن هذه العمليات عالية السرعة تحتاج إلى تعديلات مستمرة لدرجة الحرارة وتعاني من ارتفاعات مفاجئة في الطاقة فقط للحفاظ على الدقة عند هذه المستويات المتطرفة. وتشير البيانات الصناعية الفعلية من العام الماضي إلى ملاحظة مثيرة للاهتمام أيضًا. عندما عاد مصنّع كبير إلى ما يسمّونه "السرعة المثالية" بدلًا من السرعات القصوى في وضع العلامات على مكونات الطائرات، تمكنوا من توفير حوالي 740 مليون ساعة واط سنويًا. هذا النوع من الكفاءة يُحدث فرقًا حقيقيًا على المدى الطويل.
تتنبأ الشبكات العصبية الآن بأنماط الطاقة قبل 0.8 ثانية من تنشيط الليزر، حيث تقوم بتعديل تردد النبضات وتركيز الحزمة للحفاظ على الكفاءة ضمن نطاق 5% أثناء انتقالات السرعة. وقد أفاد المستخدمون المبكرُون بحدوث 27% أقل في حدوث قفزات الطاقة أثناء معالجة الدفعات مقارنةً بوحدات التحكم القابلة للبرمجة التقليدية (PLCs).
وبحسب بحث نشر في مجلة ليزر تك العام الماضي، فإن التحول إلى تشغيل الليزر النابض يقلل من استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 22 و35 في المئة مقارنة بتشغيل الليزر باستمرار خلال تلك الدورات المتقطعة. الفكرة الأساسية هنا بسيطة للغاية - قم بتشغيل قوة الليزر فقط عندما يحتاج إلى وضع العلامات بدلاً من تركه في حالة توقف يسحب الكهرباء طوال اليوم. كشف بعض النتائج الحديثة لعام 2024 كيف تمكنت شركات تصنع قطع غيار للطائرات من توفير حوالي 28٪ من فواتير الطاقة السنوية بعد أن بدأت باستخدام هذه الإعدادات النابضة بشكل خاص لحفر الأرقام التسلسلية على قطع التيتانيوم. هذا منطقي إذا فكرت في الأمر نظرًا لأن التيتانيوم يتطلب ظروفًا معالجة كثيفة بحد ذاتها.
تستعيد الدوائر المُعادة توليد ما يصل إلى 18% من الطاقة غير المستخدمة خلال فترات النبض. في أنظمة الليزر بالألياف السريعة، يتم إعادة توجيه هذه الطاقة إلى أنظمة مساعدة مثل وحدات التبريد أو المحركات الموضعية. أظهرت الاختبارات الميدانية أن هذه الدوائر توفر 9.7 كيلوواط ساعة/يوم في العمليات automotive التي تعمل على مدار الساعة دون التأثير على السرعة أو الجودة.
اصبحت أنظمة الليزر اليوم قادرة على توفير ما بين 15 إلى 30 بالمائة من فاتورة الطاقة، وذلك فقط لأنها تقوم بتعديل سرعتها أثناء تشغيل الدفعات. تكمن الحيلة في شيء يُسمى تعديل تردد النبضات، وهو ما يقلل بالفعل من هدر الطاقة بنسبة تصل إلى 22 بالمائة وفقًا لبعض الدراسات الحديثة (معهد بونيمون، 2023). عندما تنتقل هذه الليزرات ذهابًا وإيابًا بين وضعية النقش السريع وحالتها الهادئة في الانتظار، لم تعد تستهلك الكهرباء دون فائدة كما كان من قبل. ومن الواقع العملي، يُعد أحد مصنعي الرقائق مثالاً جيدًا، حيث تمكن من خفض تكاليف الطاقة السنوية لديهم بما يقارب 18 ألف دولار بعد تركيب أنظمة تحكم ذكية في السرعة. تعمل هذه البروتوكولات الجديدة بشكل أساسي على التأكد من أن الليزرات تنطلق فقط عند الحاجة، بحيث تتماشى تمامًا مع حركة خط الإنتاج.
| المتر | نظام ليزر الأشعة فوق البنفسجية A | نظام ليزر الأشعة فوق البنفسجية B |
|---|---|---|
| تكاليف الطاقة/الشهر | $1,240 | $980 |
| سرعة التسمية | 120 وحدة/دقيقة | 90 وحدة/دقيقة |
| الادخار الصافي السنوي | -$2,880* | +$5,210 |
*الادخار السلبي بسبب خسارة 18% في الإنتاجية أكثر من تعويض 21% في تقليل الاستهلاك
هذا يوضح سبب قيام 73% من المصانع بتحديد خفض السرعة تحت 20% - لتحقيق توازن بين الإنتاجية والادخار الفعلي للطاقة.
يؤكد حوالي 58 في المئة من الموردين أن آلاتهم تحتوي على هذه المزايا المعروفة باسم وضعية الاقتصاد، لكن الاختبارات المستقلة تظهر شيئًا مختلفًا. في الواقع، يقوم حوالي 41٪ بإيقاف تشغيل هذه الوضعيات عندما تبدأ الآلة في العمل لأنهم يريدون أقصى إنتاجية ممكنة. هناك تناقض واضح هنا بين الرغبة في إنجاز المهام بسرعة والعمل بطريقة صديقة للبيئة. خذ مثالاً شركة يامازاكي مازاك على الرغم من ذلك. فقد طورت تكنولوجيا ذكية إلى حد كبير حيث تقوم الليزرات الليفية الخاصة بها بتعديل استهلاك الطاقة بناءً على الحاجة الفعلية في كل لحظة. النتيجة؟ توفر الآلات حوالي 19٪ من الطاقة بينما تستمر في إتمام الدورات أسرع بنسبة 4٪ مقارنة بالماضي. إذن يتبين أن الذهاب نحو الطرق الخضراء لا يعني بالضرورة التضحية بالسرعة في النهاية.
تؤثر السرعة على استهلاك الطاقة، حيث يمكن أن تزيد السرعات الأعلى من الكفاءة، ولكن تقليل السرعات لأداء مهام معينة، مثل النقش العميق، يمكن أن يؤدي إلى زيادة الاستهلاك لأن الليزر يعمل لفترة أطول.
تُعد تقنيات مثل التحكم التكيفي في الطاقة، والتعديل الديناميكي للسرعة، ووضعية النبض (Burst Mode) من التكنولوجيا التي تساعد على تحسين استخدام الطاقة من خلال تعديل القدرة والسرعة وفقًا للاحتياجات الفعلية.
يتميز الليزر الليفي بكفاءة أعلى في تحويل الطاقة (40-50%) بفضل تصميمه الحالة الصلبة، وتحسين الطول الموجي، وتعديل النبضات بشكل فعال.
تستخدم وحدات التحكم المدعومة بالذكاء الاصطناعي التحليل التنبؤي لتعديل تردد النبضات وتركيز الحزمة، مما يقلل من ارتفاعات الطاقة ويعزز الكفاءة في الوقت الفعلي.
