Akademie tváření: Technologie opracování laserem

V sérii představovaných technologií nelze opominout ani nabídku a užití laseru a jeho uplatnění ve funkci přímého výrobního nástroje nebo jako prostředku, který dopomáhá k snadnějšímu a kvalitnějšímu průběhu některých klasických tvářecích technologií. S laserem se tak setkáváme při řezání plechů a profilových dílů včetně tvarového řezání, při zpracování různorodých plechových přístřihů, obecně označovaném jako technologie Tailored Blanks a Tailored Tubes, při přípravě na tváření vnitřním přetlakem, tváření s předehřevem včetně působení laserového ohřevu při ražení a vysekávání plechů,  při ohýbání plechů z křehkých materiálů či tváření rotačních symetrických dílů. Z řady dalších speciálních  postupů je zajímavé např. tváření přesných dílů pro mikroelektronické systémy, kdy na základě principů různé  absorpce a transparentnosti paprsku laseru u odlišných materiálů  lze docílit ohřevu tvářeného materiálu i v uzavřeném tvářecím nástroji, novinkou je i technologie využití pulzních laserů k vytváření tlakových rázů na povrchu tvářených materiálů s přetvárným efektem obdoby kuličkování materiálů a do popředí se dostávají i technologie Rapid Prototyping až Rapid Manufacturing při vytváření 3D modelů, prototypů i výrobků cestou skládání hotového produktu z vrstev za podpory laseru. Svou roli v oblasti tváření hraje laser i při renovaci tvářecích nástrojů laserovým navařováním a uplatní se i u řady kontrolních a měřicích prvků a systémů. Už tento výčet ukazuje na širokou škálu možností využití laserového paprsku u technologií tváření, a to výhodně už nejen u velkých výrobců s velkosériovou výrobou, ale i u menších podniků, které tvoří  v podstatě jádro každé ekonomiky.Těm věnují vyšší pozornost i programy EU. Např. v minulém roce byl tak úspěšně dokončen několikaletý projekt pro malé a střední podniky, označovaný zkratkou SME (Small and Medium-sized Enterprise) na podporu jejich konkurenceschopnosti zavedením vyššího stupně automatizace výroby, kde spolu s průmyslovými roboty se tu dostává hlavního slova právě laserovým technologiím. Některé podniky využily podle zahraničních médií nových laserových technologických inovací vhodně ke snižování vlastních výrobních nákladů právě v nedávném krizovém období, u nás se očekává, že pro menší podniky nastává vhodné období pro nové investice s postupným oživováním výroby.

Základní informace    

Pod označením slova laser se rozumí zesilování světla využitím stimulované emise, ustáleným výrazem pak kvantový generátor optického záření - záření, které na rozdíl od jiných zdrojů je monochromatické a koherentní. Od objevu laseru v roce 1960, tehdy rubínového, se laser a potažmo jeho vznikající konstrukční varianty neustále zdokonalovaly, laser nacházel stále nové a nové aplikace a pro průmysl se stal i vynikajícím výrobním nástrojem. Dnes se typy laserů většinou rozdělují podle prostředí a způsobu, jakým byl laserový efekt získán. Pro průmyslové aplikace, včetně technologií tváření, přicházejí tak v úvahu zvláště lasery plynové s aktivním prostředím tvořeným plynem nebo směsí plynů, lasery pevnolátkové, kde aktivní prostředí tvoří pevné krystalické, případně amorfní látky dotované příměsí vzácných zemin (např. ytterbia), nebo lasery polovodičové, s funkcí založenou na vzniku stimulované emise záření v aktivním polovodičovém materiálu při kvantových přechodech elektronů. Každá tato skupina laserů vyzařuje na jiné vlnové délce a už to předurčuje oblast jejich použití, ovlivněnou technologií a druhem zpracovávaného materiálu. 

Tržní potenciál   

Zajímavé a pro uživatele podstatné je, že přes pokles cen laserů v posledních letech roste  jejich účinnost. Zatímco starší výbojkami buzený  pevnolátkový laser dosahoval účinnosti kolem 5 %, CO₂ laser 10 %, pak nové typy pevnolátkových laserů mají účinnost kolem 30 % a výkonové diodové lasery nové generace dosahují až 40% účinnosti. Klesají náklady na kW výkonu laseru, podle studie mnichovského institutu iwb TU jen za období let 2005-2008 poklesly o celou polovinu.

Současná tržní nabídka laserů zahrnuje už dostatečně široké spektrum typů s odlišnými fyzikálně-optickými parametry a tedy i jejich různě vhodné uplatnění ve vztahu k požadované technologii, zpracovávanému materiálu a jeho schopnostem absorpce laserového paprsku. Volba mezi těmito typy se může zdát pro budoucího investora zpočátku až příliš široká, zvláště pak v případech, kdy pro záměry podniku je možné užít i vícero typů laserů s odlišnými investičními i provozními náklady. V posledních letech, kdy vzniká celá řada nových typů laserů, se hodně diskutuje o tom, kterým směrem se bude ubírat budoucí vývoj ideálního laseru. Je otázkou, zda se bude jednat o lasery  klasické CO₂  (vlnová délka 10,6 µm) či difuzně chlazené CO₂  lasery s destičkovitým nebo koaxiálním uspořádáním elektrod, pevnolátkové výbojkami nebo diodou čerpané lasery, většinou Nd:YAG, s aktivním materiálem ve tvaru válečku (vlnová délka 1,064 µm) nebo pevnolátkové lasery s deskovou formou krystalu, diskové lasery ve formě tenkého kotouče nebo lasery vláknové s aktivním vláknem, obojí  s dotováním prvky vzácných zemin.

Správná volba laseru   

Pro nové uživatele je důležité si před nákupem laseru a s ním i celého laserového systému přesně ujasnit, jaké jsou vlastní reálné potřeby práce s laserem včetně dlouhodobějších záměrů a uvědomit si, že neuváženým nákupem zbytečně výkonného laseru se investice podstatně zdražuje. Zde jsou některé zajímavé názory ekonomů předního výrobce laserů a laserových systémů - německé firmy Trumpf : „Dobré je si uvědomit, že cena laseru roste s jeho výkonem, někdy více než proporcionálně, přičemž maximální výkon nakoupené investice se nemusí vždy plně využít. Např. u CO₂  laserů, zatím stále ještě nejvíce užívaných laserů u strojírenských technologií, kde pro práci s plechem je přínosem dobrá kvalita řezu při všech tloušťkách plechu, rostou investiční náklady přibližně už o 50 % při samotném zdvojení výkonu laseru."  Přitom většina prací s plechem probíhá jen u plechů tloušťky 1 až 6 mm,  kdy postačí výkon laseru přibližně do 3 kW a není nutné nijak zatěžovat rozpočet nákupem zbytečně výkonnější varianty  (CO₂ lasery se vyrábějí v řadě do 20 kW). Kde je těžištěm zamýšlených prací s laserem zpracovávání tenkých plechů, volí se spíše typy pevnolátkových laserů, včetně vláknových, kde se vedle možnosti vedení a rozdělování paprsku optickým kabelem na vícero pracovišť dosahuje i vyšší pracovní rychlosti a tím poklesu výrobních nákladů. Soustavným studiem vlivů jednotlivých typů laserů na způsoby řezání plechů se zabývá zvláště Fraunhofer Institut ILT. Tady dosáhli např. při řezání ocelových plechů o tloušťce 0,7 až 2,5 mm vláknovým 4kW laserem, který dnes představuje nejnovější generaci průmyslových laserů, podstatně vyšších parametrů oproti  řezání s CO₂ laserem. Při stejné nebo ještě lepší kvalitě řezu při technologiích, kde na rozdíl od pohybu polotovaru se efektivněji pohybuje podle kontur řezu zaostřený paprsek laseru, dosáhli řezné rychlosti přes 100 m.min^-1. Při ještě menších tloušťkách, u kovových fólií, dosáhli ve Fraunhofer Institutu, tentokrát IWS v Drážďanech, u nově vyvinutého postupu nazvaného „Kiss-Cutting" dokonce rychlosti řezu přes 200 m.min^-1. Institut IWS se aktivně podílel i na programu internacionalizace vědy a výzkumu, kde jedním z účastníků programu byla i ČR a odbornou konzultační a poradenskou činnost je připraven našim podnikům nabídnout i nadále (více o programu spolupráce MM Průmyslové spektrum 6/2010). Od 5. do 6. října pořádal IWS v Drážďanech 6. mezinárodní laserové sympozium Fiber - Disc (FiSC), a jak už název napovídá, šlo zde o hodnocení nejnovějších typů laseru, vláknového a diskového, a posouzení jejich výhodnosti pro jednotlivé průmyslové technologie (www.iws.fraunhofer.de/workshop/e_workshop.html).

(Při řezání silnějších plechů se doposud užívá CO₂ laser, který při  výkonu do 6 kW  postačí pro řezání ocelových plechů do tloušťky 30 mm nebo řezání ocelových trubek a profilů.  Při optimálních podmínkách se podařilo tímto typem laseru řezat ocel i tloušťky 60 mm. Hliník se řeže do 20 mm, mosaz do 8 mm. Vyšších výkonů laseru se využívá spíše ke svařování, nižších pod 500 W pro technologie s nekovovými materiály nebo u slabších kovových profilů).

U pevnolátkových laserů, které na rozdíl od CO₂ laserů mohou přenášet výkon paprsku optickým kabelem nebo ho i stejným způsobem rozvádět na více pracovišť (stejnou schopnost mají i diodové lasery),  je široká škála vhodných technologií podporovaná řadou nových variant laserů, o kterých byla zmínka už dříve. Podle výkonu se jich využívá především pro svařování a řezání, včetně způsobů se skenováním paprsku, pro popisování a různé způsoby mikroopracování a vhodné jsou i pro v úvodu zmíněné technologie Laser Prototyping, Tooling a Manufacturing, založené na laserovém spékání nebo přetavování práškových materiálů postupy Selective Laser Sintering SLS a  Selective Laser Melting SLM. U obou těchto metod, kde rozdíl je jen ve výšce laserového ohřevu, jde o přímou návaznost na CAD data a vytváření dílů po vrstvách odpovídajících řezům vytvářeným simulací elektronické předlohy. Nové typy pevnolátkových laserů vynikají opět vysokou jakostí paprsku a u pulzních laserů dosažitelností krátkých až ultrakrátkých pulzů. Rychlý vývoj  diskových laserů - dnes do 16 kW - a vláknových laserů slibuje zatím nikterak neohraničované výkonové možnosti.

Současný intenzivní vývoj těchto dvou nových typů laserů s nejvyšší kvalitou paprsku, diskových a naproti tomu vláknových,  provází i ověřování vhodných  technologií a hledání optima pro oba typy, konstrukčně podstatně odlišné. Pro čerpání aktivního tenkého kotoučového média je u diskových laserů podstatný vícenásobný přechod záření od laserové diody přes reflektující vrstvy jedné strany kotouče a okolních reflektorů. Teplo, které u diskových laserů vzniká stejně jako u jiných typů laserů, je odváděno napojením druhé strany kotouče na kontaktní chladič. Malá tloušťka kotouče krystalu a přitom dostatečná hodnota přechodu tepla ve směru paralelním s výstupním paprskem příznivě působí na intenzitu chlazení a homogenní rozdělení teploty uvnitř paprsku, a tím se dosahuje i vyšší jemnosti zaostření paprsku a růstu jeho hloubky ostrosti. U vláknových laserů dochází ke chlazení vzduchem po celé délce dotovaného vlákna, odpovídajícího funkci krystalu u klasických pevnolátkových laserů. U ns, ps a fs laserů, jejichž průmyslová realizace úzce s oběma typy laserů souvisí, se zatím z praktického hlediska se zaměřením na dosahované kvalitativní a výkonové parametry při tak extrémně krátkých pulzech dává často přednost diskovým laserům s redukováním nelineárních efektů ve výkonové špičce pulzů.

Pro diodové polovodičové výkonové lasery (vlnová délka 790-980 nm) mluví jejich dobrá účinnost, nízké investiční a provozní náklady, vysoká životnost a malé rozměry. V sestavě dosahují výkonu až 10 kW. Při obvyklém výkonu do 250 W se doporučují pro řezání a svařování plastů nebo různých kovových fólií, vhodné jsou i pro pájení. Při vyšších výkonech jsou vhodné i pro technologie povrchových úprav, kde se může výhodně využít původní pravoúhlý profil zaostřeného paprsku s rovnoměrným rozložením intenzity záření. Průběžný vývoj u těchto laserů přinesl zvýšení kvality jejich vyzařovaného paprsku až na úroveň, srovnatelnou se stavem u diskových a vláknových laserů.

Do skupiny průmyslových laserů zasahují ještě i některé další typy, které však nejsou určené pro tvářecí technologie. Uvádíme je stručně jen pro doplnění přehledu. V elektronice a jemné mechanice se používají i excimerové lasery s halogenidy nebo oxidy vzácných plynů. V zásadě jsou pulzní, s vlnovou délkou záření v ultrafialové části spektra od 157 do 351 nm. Vynikají dobrou fokusací paprsku a při krátkých pulzech poskytují opracování s ostrými okraji a jen minimální tepelnou zátěží okolí. Další způsob jemného řezání tzv. technologií Microjet je založen na řezání paprskem laseru při jeho vedení vodním sloupcem. Výkonný laserový paprsek se při této metodě fokusuje na úroveň trysky vodního sloupce a v trvale fokusovaném stavu je pak  tímto vodním sloupcem veden celou operací řezu. Takový postup má hned několik výhod. Vynikající chlazení místa řezu vodou sloupce, dosahování vyšších řezných rychlostí oproti způsobům bez vedení vodním paprskem, čistý beztrhlinkový řez s naprosto paralelním tvarem hran a především žádné tepelné zatěžování okolní zóny řezu. Perspektivní je zvláště kombinace metody Microjet s vláknovým laserem.

Jak už z dosavadního popisu laserových technologií, byť ohraničených oborem tváření vyplývá, jsou dnes už oblast a možnosti využívání laserů natolik široké, že žádný krátký pohled do této problematiky nemůže přinést všechny vyčerpávající informace a zhodnotit všechny technické a ekonomické faktory potřebné pro objektivní volbu konkrétní technologie.  Za ideální pro taková rozhodování se považuje možnost modelového ověření postupu ještě před konečným investičním rozhodnutím a hlavně spolupráce s výrobcem a dodavatelem co nejširší škály průmyslových laserů a systémů. U nás je tak možné doporučit např. firmu Trumpf Praha v pražských Stodůlkách, jejíž výhodou je vedle dodávaného kompletního sortimentu všech typů laserů zároveň i prostorné servisní, školicí a předváděcí centrum.

Ing. Jiří Šmíd

iia.smid@gmail.com