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
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
Plazmatron a jeho využití ve strojírenském průmyslu

Běžně se setkáváme se třemi skupenstvími hmoty - jsou to pevné látky, kapaliny a plyny. Existuje však ještě čtvrté skupenství - plazma - ionizovaný plyn obsahující ionty, elektrony a případně neutrální atomy a molekuly.

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.

Související články
Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Zpracování materiálů studeným laserem

Lasery s ultrakrátkým pulsem mohou být využívány pro řezání, vrtání, značení nebo úpravu povrchů. Protože ultrakrátké pulsy jsou kratší než čas potřebný pro většinu energeticky difuzních procesů uvnitř atomové mřížky, nepřenese se žádné teplo do okolního materiálu, což eliminuje nechtěné změny materiálu. To je důvodem, proč se této metodě zpracování materiálů také říká "studená".

Lasery v prvním pololetí 2013

O tom, že laserová technika ani po více než půl století od svého objevu neřekla ještě zdaleka své poslední slovo, ale právě naopak, nikdo nepochybuje. Prakticky není dnes oboru, kde by se nemohla uplatnit, přičemž právě díky laserům se v těchto oborech stav vývoje dostává na kvalitativně vyšší úroveň.

Vodní paprsek řeže filigránské tvary

Řezání drobných filigránských tvarů umožňuje nová technologie řezání materiálů vodním paprskem o průměru 0,2 mm. Další výhodou je vyšší rychlost řezání. Využití této technologie je možné na nových i na starších, v praxi již používaných strojích.

Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

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.

Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem zvyšuje trvanlivost

Soustružení abrazivním vodním paprskem je technologie, která spojuje kinematiku konvenčního soustružení s abrazivním vodním paprskem jako nástrojem. Toto spojení je výhodné zejména při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, např. titanových slitin, kde nahrazuje hrubování konvenčním soustružením řezným nástrojem.

Ultrakrátké pulzy na Laser - World of Photonics

Květen letošního roku byl po dvou letech opět dějištěm tradičního mnichovského veletrhu Laser - World of Photonics a ukázkou toho, kam vývoj v této oblasti pokročil. Podle statistik švýcarské Optech Consulting dosáhl obrat na trhu průmyslových laserů v roce 2012 sice objemu 7,9 miliard euro, tedy o 9 % více než v předchozím roce, ale tento ukazatel je třeba do jisté míry korigovat kurzovními změnami, ke kterým došlo v tomto roce při poklesu hodnoty eura jak vůči US dolaru, tak i hlavním asijským měnám. Co je ale podstatné pro uživatele laserových technologií, je další vývoj těchto technologií ve smyslu zdokonalování technických parametrů a efektivnosti systémů.

Vláknový laserový řezací systém

LVD rozšiřuje svou řadu laserových řezacích systémů zavedením vysoce rychlostního vláknového laserového řezacího systému Electra FL.

Diodový laser a navařování pro opravu povrchů

Pro použití diodového laseru při nanášení povlaků drátem hovoří vysoká kvalita pro-vedení návaru. Cílem je nahradit poškozené keramické povrchy vrstvou z ušlechtilé oceli, kterou je možné vždy po porušení opravit. Jako technologie se pro opravy hna-cích hřídelí používá navařování.

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