Témata
Reklama

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Jan Brajer

Laserovými technologiemi se zabývá od roku 2010, kdy již jako student Fakulty strojní ČVUT v Praze pracoval na vývoji výrobních technologií ve Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT). Poté začal pracovat na Akademii věd a nedlouho po obhájení doktorátu se v roce 2018 stal v Centru HiLASE vedoucím oddělení průmyslových aplikací laserů. Současně pracuje na FS ČVUT a CIIRC ČVUT. Nyní se zabývá hlavně přenosem nových laserových technologií do průmyslu, vede tým odborníků a určuje směr budoucího výzkumu.

Na vesnici, přesto světoví

Centrum HiLASE se zabývá vývojem a aplikacemi pulzních pevnolátkových diodově čerpaných laserů s vysokou energií v pulzu a zároveň s vysokou opakovací frekvencí. Díky tomu výrazně posunuje současnou technologii pikosekundových a nanosekundových laserů a dostává se do dosud neprobádaného režimu vysokého průměrného výkonu na úrovni 1 kW. Lasery s těmito parametry nejsou v současné době dostupné, přitom však mají významný aplikační potenciál. HiLASE je odpovědí na tuto dlouhodobou celosvětovou poptávku a na posílení strategické pozice České republiky v tomto vysoce perspektivním oboru. Kromě vývoje laserových zdrojů se v centru řeší i jejich aplikační potenciál. V grafu 1 jsou zeleně znázorněny lasery HiLASE v porovnání s ostatními laserovými systémy vyvinutými různými světovými institucemi.

Reklama
Reklama
Reklama
S koncem roku 2015 byla úspěšně završena realizační fáze projektu laserového centra HiLASE.

Máme to dobře zařízené

Centrum HiLASE je součástí Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR a v jeho čele stojí Ing. Tomáš Mocek, Ph.D., který udává směr celému projektu již od jeho zrodu v roce 2009, kdy byla připravena a podána projektová žádost. V rámci projektu jsou realizovány tři výzkumné programy. První dva mají za úkol vývoj laserových zdrojů. Jejich laboratoře jsou situovány v přízemí budovy na vibračně odstíněné podlaze v čistém prostředí třídy čistoty 10 000 a stálé teploty 20° ± 0,5° (ISO7). Laboratoře třetího výzkumného programu, zaměřeného na aplikace vyvíjených laserových zdrojů, sídlí v prvním patře. Díky uspořádání budovy je možné vést laserové paprsky nezávisle od různých laserů k jednotlivým experimentálním pracovištím. Současně tak mohou probíhat práce na několika experimentech nebo průmyslových aplikacích.

Porovnání laserů HiLASE s ostatními laserovými systémy vyvinutými různými světovými institucemi.

Výzkumný program 1 – pikosekundový laser

Výzkumný program 1, který se zabývá vývojem laserů založených na technologii tenkých disků, vede zkušený profesor Akira Endo z Japonska. Tato technologie využívá laserový krystal ve formě disku tlustého pouze několik stovek mikrometrů. Díky tomuto přístupu se zvýší povrch aktivního materiálu v poměru k celkovému objemu, což umožňuje provoz bez kryogenního chlazení a zlepšuje stabilitu generovaného laserového paprsku. Paralelně je vyvíjeno několik tenkodiskových systémů produkujících pikosekundové (10-12 s) laserové pulzy s vlnovou délkou 1 030 nm a energií od jednotek mJ až po jednotky J.

Systémy pracují s opakovací frekvencí od stovek Hz až po stovky kHz a dosahují středního výkonu na úrovni kW. Laserové zdroje s těmito parametry lze použít pro širokou škálu aplikací od testování optických komponent přes mikroobrábění a velmi přesné vrtání až po EUV litografii využitelnou v mikroelektronice pro výrobu mikročipů.

Porovnání různých typů laserů a jejich oblast použití

Výzkumný program 2 – velká energie v nanosekundách

Základním cílem Výzkumného programu 2 je vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserů za pomoci inovačních řešení odstraňujících současné technologické překážky generování pulzů s vysokou energií. Optimalizovaná sestava a vylepšené kryogenní chlazení krystalů dovolují dosáhnout energie přesahující 100 J při opakovací frekvenci 10 Hz a délce pulzů několik nanosekund. Navíc je možné tento laser v principu škálovat až k energii 1 kJ a více. Takovéto parametry nemá v současnosti žádné laserové zařízení na světě. Vedoucím toho programu je italský vědec Dr. Antonio Lucianetti, který má zkušenosti z laserových laboratoří ve Švýcarsku, Německu, Francii a USA.

Momentálně je již laserový systém VP-2 dokončen a probíhá jeho testování a náběh do provozních podmínek.

Systémy pracují s opakovací frekvencí od stovek Hz až po stovky kHz a dosahují středního výkonu na úrovni kW lze použít pro širokou škálu aplikací.

Po svém spuštění v budově HiLASE bude 100J laserový systém sloužit pro testování elektrooptických technologií pro průmysl a jako základna pro ověřování nových technologií v laserovém obrábění a modifikaci materiálů vyžadujících vysokou energii aplikovanou na velké ploše.

Vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserů za pomoci inovačních řešení je hlavním cílem výzkumného programu 2.

Výzkumný program 3 – aplikace laserů

Cílem tohoto výzkumného programu je výzkum a vývoj průmyslových aplikací a technologií využívajících laserů vyvíjených v rámci Výzkumného programu 1 a 2.
S postupným dokončováním laserových zdrojů tak přebírá aplikační skupina roli, v níž má za úkol uplatnit dosud nabyté zkušenosti a plně využít lasery HiLASE. Ačkoliv laserové systémy ještě nenaběhly na plný výkon, členové této skupiny již nyní spolupracují s průmyslovými firmami, jako jsou např. Staalboek, Crytur, Barum Continental, ČZ nebo Škoda Auto, na inovacích stávajících technologií.

U zavedených průmyslových aplikací se skupina zabývá předevšímvývojem a optimalizací technologií mikroobrábění, přesného řezání, odstraňování povlaků, popisování, ablace a laserového vyklepávání, tj. opracování povrchu materiálu rázovou vlnou generovanou laserem (peening). Právě technologie Laser Shock Peening (LSP) neboli vytvrzování povrchu materiálu rázovou vlnou pomocí laseru, je jedním z hlavních zaměření aplikačního týmu. Jedná se o velmi progresivní technologii, kde laserový paprsek generuje v povrchové vrstvě zpracovávaného materiálu tlaková zbytková napětí, která významně zlepšují únavové vlastnosti materiálu a omezují vznik a rozvoj povrchových trhlin. Tato technologie proto nalézá praktické uplatnění ve velmi náročných aplikacích, zejména v leteckém průmyslu. Jiným příkladem aktivit programu je stanice pro testování prahu poškození materiálu laserem, kterou mohou využít čeští i zahraniční výrobci laserové optiky nebo tenkých vrstev.

Přepokládáme, že vzhledem k výraznému pokroku v technologiích, kterých bylo dosaženo během vývoje laserových systémů HiLASE, se tyto systémy stanou velmi žádanými nástroji v řadě průmyslových a vědeckých aplikací. Snahou HiLASE proto není nabízet pouze čas na samotných laserech, ale poskytnout ucelené zázemí pro výzkum a vývoj technologií, které se od těchto laserů odvíjí. HiLASE je tak unikátním zařízením schopným poskytnout odbornou i materiálovou základnu zájemcům z průmyslové i akademické sféry v celé paletě relevantních technologií.

Třetí výzkumný program má za úkol najít pro vyvinuté technologie vhodné uplatnění nejen v průmyslových aplikacích.

Poděkování

Vývoj nové generace diodově čerpaných laserů v  rámci sekce výkonových systémů Fyzikálního ústavu je podporován Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky z projektů HiLASE (CZ.1.05/2.1.00/01.0027), DPSSLasers (CZ.1.07/2.3.00/20.0143) a Postdok (CZ.1. 07/2.3.00/ 30.0057), které jsou spolufinancovány Evropským fondem regionálního rozvoje, Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Fyzikální ústav AV ČR

Jan Brajer

brajer@fzu.cz

www.fzu.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 160129
Datum: 10. 02. 2016
Rubrika: Monotematická příloha / Spojování a dělení
Firmy
Související články
Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Související články
Technologické lasery a trendy vývoje za rok 2015

Letošní rok v oblasti laserových technologií byl neobyčejně bohatý na nové poznatky a přinesl i řadu nových jevů v metodice dalšího vývoje. Vznikala nová komplexní střediska laserového výzkumu a nás může těšit, že ani Česká republika nezůstala pozadu. Rozvíjí se program HiLASE, zaměřený na laserové technologie a vývoj optických komponentů, a nedávno bylo slavnostně otevřeno i středisko ELI Beamlines – Extreme Light Infrastructure – jako součást evropského plánu budování center nové generace vybavených nejvýkonnější technikou vhodnou pro naplnění programu bádání až na samé hranici poznání.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Nové úkoly v technologii vodních paprsků

Jednou za dva roky pořádá Oddělení desintegrace materiálů Ústavu geoniky Akademie věd ČR konferenci o technologii vysokorychlostních vodních paprsků. Letos organizátoři pro své setkání vybrali nádherné a inspirativní prostředí Lednicko-Valtického areálu, zapsaného do seznamu světového a kulturního dědictví UNESCO. V pořadí již pátá konference této série přitáhla pozornost mnoha zahraničních a tuzemských odborníků.

Výroba polymerních a kompozitních prototypů

Aditivní technologie výroby je termín pro dnes běžně používané označení „3D tisk“. Tato technologie dříve spadala pod tzv. rapid prototyping, který se využívá v různých průmyslových odvětvích pro rychlé vytváření prototypů nebo jejich částí před finální výrobou a samotnou komercializací produktů. Díky dynamickému vývoji odvětví umožňuje dnes tato technologie vytvoření komponent splňujících požadavky pro finální produkt nejen po vizuální stránce, ale i z hlediska mechanických vlastností.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit