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
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.

Profesor Stanislav Hosnedl 80

V říjnu tohoto roku se prof. Stanislav Hosnedl dožívá významného životního jubilea 80 roků. V roce 1964 dokončil studia v oboru Konstrukce obráběcích strojů na VŠSE FST v Plzni. Roku 1984 získal vědecko-akademický titul CSc., který po revoluci, později v roce 1990, obhájil také na ČSAV Praha. V roce 1992 se habilitoval a konečně v roce 2002 byl jmenován profesorem pro obor Strojní inženýrství.

Na cestě ke zrození stroje, část 7: Realizace

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Související články
Na cestě ke zrození stroje, část 6: Projekce

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje výrobu obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a jež po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Stroje v pohybu:
Fotoprůzkumné družice

Za druhé světové války přinášely informace z fronty filmové týdeníky, při první válce v Perském zálivu vysílala živě CNN z bombardovaného Bagdádu – a nyní na Ukrajině má veřejnost poprvé v historii k dispozici prakticky v reálném čase družicové snímky. Navíc neskutečné kvality. Každopádně jde o materiál, který umožňuje potvrdit, nebo naopak vyvrátit mnohá tvrzení válčících stran.

Na cestě ke zrození stroje, část 5: Zakázka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

25. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika

Novotného lávka v centru Prahy bude ve dnech 8.–9. června 2022 hostit již 25. mezinárodní konferenci Hydraulika a pneumatika, jejímž cílem je výměna odborných zkušeností a nových poznatků ve výzkumu a vývoji hydraulických a pneumatických prvků a systémů.

Na cestě ke zrození stroje, část 3:
Cenová nabídka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Na cestě ke zrození stroje,
část 2: Koncepce

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Na cestě ke zrození stroje,
Část 1. Průzkum trhu

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje postup výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, v jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu a návratnost investic.

Podpora rozvoje mladých technologicky orientovaných firem

Je všeobecně známo, že zejména v počátečních fázích podnikání či inovačního cyklu, kdy firma vyvíjí nový, nebo modifikuje již existující produkt pro zcela nové využití, vzniká celá řada otázek spojených s designem produktu, se strategií jeho komercializace, s definicí vhodných zahraničních trhů a se smysluplným byznys modelem. Jedná se o kritickou fázi rozvoje firem, protože jen malé části z nich se podaří touto fází projít bezi zásadních problémů.

Válka technologií a myšlení v krabici

Strategické myšlení předchází strategickému řízení, které je jen nástrojem. Bez skvělého strategického myšlení (proč a kam jdeme) nemůže být skvělé strategické řízení. Poučíme se z minulosti i ze slabých signálů budoucích trendů?

Inženýrská akademie ČR - Výzkumná spolupráce v oblasti jaderné energetiky

Inženýrská akademie ČR je organizace sdružující lidi se společným zájmem - podporovat výzkum, vzdělávání a inovace. Najdeme zde špičkové odborníky z různých oborů. V našem seriálu dáváme slovo těm z nich, jejichž oblasti působnosti mohou být pro naše čtenáře zvlášť zajímavé.

Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

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