Témata
Zdroj: ÚPT AV ČR

Laserové mikroobrábění pikosekundovými pulzy

Výkonové lasery během několika desetiletí našly uplatnění ve více strojírenských technologiích. Laserové dělení materiálů lze považovat za běžnou technologii; lasery se používají také ke svařování, k povrchovému kalení a navařování a v poslední době také k 3D tisku kovů a k čistění povrchů. Díky pokroku ve vývoji se lasery začínají uplatňovat i při obrábění materiálů.

Doc. Libor Mrňa

Absolvoval MU v Brně. Přes dvacet let se v průmyslu zabýval technologiemi laserového dělení materiálu, laserového svařování a povrchového kalení laserem. V současnosti vede na ÚPT AV ČR výzkumnou skupinu Laserové technologie. Souběžně působí na Fakultě strojního inženýrství  VUT v Brně na Ústavu strojírenské technologie; vyučuje předmět Speciální metody svařování.

Jan Novotný

Vystudoval FSI VUT v Brně, obor Strojírenská technologie. V současnosti se věnuje laserovému mikroobrábění ultrakrátkými pulzy na Ústavu přístrojové techniky AV ČR.

Reklama

Laserové hloubkové gravírování už samozřejmě existuje delší dobu, pro tuto technologii se využívají převážně pulzní lasery s délkou pulzu v oblasti mikrosekund (10-6 s) až nanosekund (10-9 s). Výkon v pulzu je v řádech MW, ale průměrný výkon dosahuje stovek wattů. Dominantním efektem je termoablace – energie dopadajícího laserového pulzu způsobí přehřátí malého objemu materiálu a ten se odpaří. Vzniká prohlubeň s průměrem odpovídajícím zaostřenému laserovému svazku (řádově spodní stovky mikrometrů) a hloubkou desítek mikrometrů. Kombinací opakovací frekvence pulzů a posuvné rychlosti laserového svazku buď vznikne soubor prohlubní, nebo (jejich překrytím) dojde k odstranění souvislé vrstvy materiálu. Pokud proces opakujeme, dochází k násobnému prohloubení – hloubka odstraněného materiálu pak může dosáhnout do 1 milimetru. Tato technologie se využívá převážně pro gravírování textur, znaků a dalších symbolů ve vstřikovacích formách, ale i v dalších aplikacích.

Mikroobráběcí stanice, v pozadí pikosekundový laser Perla 100. (Zdroj: ÚPT AV ČR)

V současné době se v oblasti gravírování a obecně mikroobrábění aplikují i lasery s pikosekundovými pulzy (délka pulzu je 10-12 s). Užití takto krátkých pulzů má radikální vliv na proces ablace, která již není termická (energie laserového pulzu se nestačí přeměnit na teplo), a nastává tzv. fotoablace: Vysvětlení tohoto procesu není jednoduché – při zjednodušení se tenká vrstvička materiálu vlivem působícího intenzivního elektromagnetického pole laserového pulzu roztrhá na drobné částečky, které se rozptýlí do prostoru.

Trojice snímků na tomto obrázku ukazuje příklad mikroobrábění – jsou zde zobrazeny různé textury vytvářené všemi třemi dostupnými vlnovými délkami: 1 030 nm (vlevo), 515 nm (uprostřed) a 257 nm (vpravo). (Zdroj: ÚPT AV ČR)

Konstrukce laseru poskytujícího vysokovýkonné pikosekundové pulzy a navíc schopného práce v průmyslovém prostředí je ovšem komplikovaná jak z hlediska fyzikálního, tak z hlediska technického. Pro predikovatelnost a opakovatelnost výsledků je nutné zajistit co nejvíce konstantní parametry výstupu, zejména pokud jde o energii a o prostorový i časový tvar pulzu. Vysoká intenzita záření s sebou také nese výzvy pro vývoj optických materiálů a vrstev.

Hlavička zápalky s hloubkově gravírovaným logem ÚPT – jde o ukázku „studeného“ mikroobrábění, při němž hlavička zápalky nevzplanula. (Zdroj: ÚPT AV ČR)

V ÚPT je provozováno mikroobráběcí centrum s pikosekundovým laserem Perla 100. Laser tvoří klíčovou část celého systému. Byl vyvinut na pracovišti Hilase (součást FZÚ AV ČR). Jeho parametry: pracovní vlnová délka 1 030 nm – blízká infračervená oblast, délka pulzu 1 ps, energie v pulzu 1 mJ, opakovací frekvence pulzů 60 kHz, průměrný výkon 60 W, stabilita výkonu < 0,5 % RMS. Součástí systému je také konverzní jednotka, která vytváří laserový svazek na 2. harmonické (515 nm – zelená) a 4. harmonické (257 nm – tedy již v UV oblasti). Mechanická část centra je tvořena stanicí se třemi lineárními osami (rozsah X, Y: 400 mm, Z: 100 mm) a jednou osou rotační. Na ose Z je navíc skenovací hlava, která paprsek v rovině X–Y rozmítá v rozsahu 53 × 53 mm. Celý systém tak má celkem šest řízených os. Optický systém na 4. harmonické (257 nm) je oddělený a jde o ryze experimentální část, protože pro tuto vlnovou délku a pro pikosekundové pulzy s dosahovanou energií zatím existuje jen málo komerčně dostupných optických elementů. Na vývoji vhodné optiky již spolupracuje firma Meopta v rámci Národního centra kompetence. Dále stanice obsahuje optický systém pro definici přesného počátku souřadného systému součásti a také vhodný software, zajišťující vytváření potřebných skenovacích trajektorií, repozici os a další operace. Celý systém je na obrázku ještě v průběhu instalace bez ochranného krytování.

Příklad ozubeného soukolí na korundovém podkladu: Do podložky z korundové keramiky byla vyfrézována dutina pro jednotlivá ozubená kola (z dutiny vystupují válcové výčnělky jakožto osy pro kolečka). Jednotlivá ozubená kolečka jsou z korozivzdorné oceli a křemíkového waferu, pastorek mezi nimi je měděný, tloušťka soukolí je 0,2 mm. (Zdroj: ÚPT AV ČR)

Velikost ohniskového spotu závisí na pracovní vlnové délce laseru – kratší vlnová délka znamená menší spot, a tedy možnost vytvářet menší struktury. To je také příčinou využívání vyšších harmonických základní vlnové délky laseru. Pro vlnovou délku 1 030 nm a skenovací objektiv s ohniskovou vzdáleností 100 mm se velikost stopy v závislosti na materiálu a použitém výkonu pohybuje okolo hodnoty 25 µm, pro vlnovou délku 515 nm a objektiv s touž ohniskovou vzdáleností je velikost stopy zhruba 15 µm.

Reklama

V současné době je navazována spolupráce s firmami, pro něž se testuje vhodnost použití mikroobrábění pro konkrétní součástky. To lze brát jako důkaz, že mikroobrábění materiálů pomocí pikosekundových laserových pulzů je další nadějnou a vysoce pokročilou technologií a také novou aplikací laseru v průmyslu a dalších odvětvích.

Polotovar mikročoček vytvořený v křemenném skle. Je patrné, že lze frézovat i relativně oblé či plynulé tvary. (Zdroj: ÚPT AV ČR)
Související články
Laser jako nástroj: Když světlo dostane směr

Letos v květnu uběhne 66 let ode dne, kdy byl vědecké veřejnosti poprvé v praxi představen vynález laseru. V dnešní době již laserové technologie, generování a zesilování elektromagnetického záření pronikají téměř do všech oborů lidské činnosti. Od svého objevu prošla tato inovativní technologie významným vývojem, který postupuje i nadále.

Bodor Laser je již šestým rokem největším prodejcem vláknových laserových řezacích strojů

Společnost Bodor Laser si s více než 8 000 dodanými jednotkami v roce 2024 opět zajistila první místo v celosvětovém prodeji vláknových laserových řezacích strojů od výkonu 1 kW. Jak potvrdil Shenzhen Qianzhan Industry Research Institute, jedná se již o šestý po sobě jdoucí rok, kdy společnost dosáhla tohoto úspěchu. Tím si získává celosvětové uznání za inovace, kvalitu a vynikající služby.

Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Související články
Temná zákoutí laserového svařování

Článek nahlíží na technologii laserového svařování střízlivýma očima technika. Vedle mnohých nesporných výhod této technologie je totiž nutné být si vědom také jejích nevýhod.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Laser jako nástroj: Výhoda bezkontaktnosti

Laserové měření využívá schopnost přesně směrovaného světelného svazku nést informaci o prostoru. Někde stačí přesnost na centimetry, jinde rozhodují mikrometry; pokaždé však jde o rychlé, bezkontaktní a dobře automatizovatelné získání dat. Od raných dálkoměrů vede tato cesta až k dostupným měřidlům dnešní praxe.

Laser jako nástroj: Dělení bez břitu

Laserové řezání je jedním z nejčastějších průmyslových využití této technologie. Na první pohled může působit jednoduše – paprsek se propálí skrze materiál a tím jej rozdělí. Kvalitní a opakovatelné výsledky však závisejí na přesném nastavení jednotlivých parametrů, jako je technika řezu, rychlost či například správná volba asistenčního plynu.

IMTS 2026: Ve znamení nových trendů v obrábění

V září se v Chicagu uskutečnil veletrh IMTS. Pro Českou republiku i pro firmy, které zde reprezentovaly sebe i český průmysl, to byl velmi intenzivní týden. Obdobně koncipovanou společnou prezentaci neměla žádná jiná ze zúčastněných zemí. Německo i Čína sice měly národní expozice, český projekt však díky koordinaci a podpoře Ministerstva průmyslu a obchodu nabídl na IMTS zcela unikátní formát prezentace. Pojďme se podívat na několik postřehů z výstavy.

Vysokoteplotní pára z lehkovodních SMR

Pokročilé reaktory IV. generace slibují páru o teplotách 500 °C a vyšších, do komerčního provozu se však dostanou nejdříve kolem roku 2050. Lehkovodní malé modulární reaktory (SMR) budou k dispozici o deset i více let dříve, jejich pára ale dosahuje jen necelých 300 °C. Mezeru mezi oběma generacemi může překlenout sekundární stupeň mechanické komprese páry. Článek představuje koncept multiaplikačního teplárenského a průmyslového komplexu MASMRaK a ukazuje jej na reaktorech NuScale VOYGR a NUWARD 400 i na příkladech konkrétních českých tepláren.

Inteligentní ekosystém a materiálová alchymie

Současná podoba strojírenského průmyslu prochází transformací, která svou hloubkou připomíná spíše technologickou revoluci než postupnou evoluci. Zatímco v uplynulých dekádách byl vývoj výrobních technologií primárně diktován snahou o zvyšování mechanického výkonu, otáček vřeten a hrubé síly strojů, dnešní paradigma se dramaticky posouvá k jemnějším, avšak komplexnějším hodnotám. Středobodem zájmu se stává schopnost garantovat naprostou přesnost a opakovatelnost procesu v prostředí, které je čím dál proměnnější a náročnější. Tento přerod k inteligentní výrobě, definované nejen rozměrovou integritou, ale i vnitřními vlastnostmi materiálu a digitální stopou, tvoří základní pilíř konkurenceschopnosti pro nejnáročnější sektory, jako jsou letectví, energetika, e-mobilita nebo personalizovaná medicína.

Revoluce udržitelnosti: Výroba pod kontrolou

V praxi sériové výroby není udržitelnost jen dodatečným parametrem vázaným na životní prostředí. Je to především pracovní disciplína zaměřená na úspornost, eliminaci ztrát, přesnější řízení a konzistentní výsledky. Jako taková je v symbióze s inženýrským myšlením, přičemž její jednotlivé strategie významně přispívají k celkové stabilitě procesu.

Revoluce udržitelnosti: Dekarbonizace průmyslového tepla

Je-li řeč o snížení emisí v průmyslu, pozornost se upírá hlavně k elektřině. Hlavní částí spotřeby energie ve výrobě je teplo - od ohřevu materiálu přes sušení až po výrobu páry. Jeho dekarbonizace, tedy přechod od spalování fosilních paliv k nízkoemisním nebo bezemisním zdrojům, se proto stává jedním z klíčových kroků na cestě k udržitelnému průmyslu.

Revoluce udržitelnosti: Inovativní materiály zítřka

Ekologické alternativy technických materiálů dnes pronikají napříč nejrůznějšími odvětvími – od stavebnictví přes obaly a módu až po automobilový průmysl. Již dnes je například možné postavit dům z konopného betonu, zabalit elektroniku do myceliového obalu, obléct si oděv z „kůže“ vypěstované z podhoubí nebo jezdit autem, které obsahuje díly z rostlinných biopolymerů.

Revoluce udržitelnosti: Bezuhlíková ocel je pouze zdánlivý paradox

Výroba oceli je dlouhodobě strategickým odvětvím, na němž nevyhnutelně stojí obrovská část strojírenské výroby. Jak může být ocel „bezuhlíková”, když je uhlík její nedílnou součástí? Odpovědí je změna výrobního procesu – nové technologie, které místo uhlíku využívají vodík a zelenou elektřinu, již v dnešní době přispívají k dekarbonizaci tohoto odvětví.

Výherci Zlaté medaile MSV 2024

Součástí 65. Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně se i letos stalo udělování cen Zlaté medaile. Tyto ceny byly předány za celkem šest veletržních exponátů, které komisi oslovily inovativním provedením, a v sedmém případě také za celoživotní přínos oboru. Tradice této soutěže sahá až do roku 1964.

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 30 let zkušeností s odbornou novinařinou
Předplatit