Témata
Reklama

Laserové technologie v průmyslové praxi

Technologie svařování a  3D dělení materiálů laserem lze bezesporu považovat za velice moderní a vysoce produktivní prostředek v dnešní strojírenské výrobě. Mnoho firem by rádo tyto technologie využilo pro zlepšení technické úrovně a také ekonomiky výroby u svých výrobků, ale zvláště malé a střední firmy, které s nimi nemají žádné zkušenosti, mají obavy z vysokých investic a z  rizika nenaplnění očekávání vkládaných do těchto technologií. Nejde ovšem jenom o zakoupení nejvhodnějšího laseru, ale naprosto nezbytné jsou i teoretické znalosti a praktické zkušenosti s těmito technologiemi.

Problémem ovšem je, kde informace o laserových technologiích získat? Protože například na rozdíl od automobilismu v ČR v podstatě neexistuje oborově orientovaný časopis, který by čtenářům přinášel jak teoretické poznatky, tak i testy a srovnání různých zařízení, metod atp. V zahraničí existuje několik titulů anglických či německých, nicméně lze konstatovat, že i tyto materiály slouží pouze pro orientaci v problematice. Podívejme se proto alespoň v krátkosti na aktuální typy laserů využitelné pro průmyslové technologie a vybavení s tím související.

Reklama
Reklama

Typy laserů používané v průmyslových aplikacích

Výkonové lasery pro technologické a průmyslové aplikace prodělaly během posledních cca 10 let velký skok. Zatímco dříve dominovaly v této oblasti převážně plynové lasery na bázi CO2, v dnešní době jednoznačně převládají lasery pevnolátkové. Tyto mají oproti CO2 laseru několik výhod: Kratší pracovní vlnová délka znamená obecně lepší absorpci v kovech, jinými slovy na dosažení požadovaného výsledku je potřebný laser s menším výstupním výkonem. Hlavní technickou předností je možnost vedení laserového svazku mezi laserem a technologickou aplikační hlavicí pomocí optického vlákna, což zaručuje mimořádnou flexibilitu potřebnou například při využití robotického ramene. V dnešní době se využívají tři následující typy pevnolátkových laserů:

• Vláknový laser. Jeho aktivním prostředím generujícím výkonový laserový svazek je speciální optické vlákno. V dnešní době se i v ČR pro ně používá částečně familiární název „fiber“ lasery. Jejich účinnost přeměny elektrické energie na laserový paprsek dosahuje cca 35 %, výstupní svazek se dá zaostřit do velmi malého průměru. Vzhledem k absenci jakýchkoliv mechanických části v konstrukci má tento typ prakticky nulové nároky na údržbu, což snižuje provozní náklady. Tento typ laseru se používá převážně pro laserové dělení materiálu a laserové svařování.

• Diskový laser. Aktivním prostředím je disk ze speciálního krystalu. Z hlediska energetické účinnosti, vlnové délky, kvality paprsku a technologického využití je tento laser v podstatě stejný jako vláknový laser.

• Polovodičový laser. Někdy se též používá označení diodový laser. Jde v podstatě o baterii několika desítek výkonových diod, které mají své výstupy integrovány do jediného svazku pomocí externí optiky. Díky tomu není optická kvalita svazku na takovém stupni jako u předešlých dvou typů. V poslední době bylo u prototypů dosaženo energetické účinnosti vynikajících 47 % a také se povedlo zvýšit i kvalitu rozložení energie v laserovém svazku, takže tento typ laseru začíná být ve všech svých parametrech minimálně srovnatelný s výše uvedenými dvěma typy laserů.

Co se týče aplikačního zařízení, v podstatě existují následující možnosti realizace.

Centrum vybavené laserem a potřebnou aplikační hlavou – hlavami připevněnými na víceosém průmyslovém robotu. To řešení je velice univerzální a flexibilní, ale má omezení daná dynamickými možnostmi robotického ramene. Hodí se pro menší série a prototypovou výrobu. V tomto případě je nutné velmi pečlivě zvážit návratnost investice.

Laserové centrum s pohybem technologické hlavy zajištěným kartézským systémem, tedy lineárními osami X, Y, Z. Pro dosažení polohování ve 3D jsou nutné další dvě úhlové osy A, B.

Jednoúčelové zařízení šité na míru do výrobní linky. Při správném návrhu jsou v maximální míře využity možnosti laserové technologie (vysoká posuvná rychlost, vysoká dynamika pohybu atp.), takže zařízení je produktivní. Není ovšem dostatečně flexibilní při změně produkce.

Technologie dělení a svařování materiálů

Nejčastěji se výkonové lasery používají pro dělení plechů – tedy 2D. To je v dnešní době víceméně standardní technologie. Oblast prostorového dělení plechů – tedy 3D, nejčastěji různých výlisků, je ovšem stále velmi specifickou oblastí, kde je nutné velmi dobře zvážit, jaké typy materiálů a v jakých rozměrech a přesnostech se budou dělit (viz obr. 1).

Obr. 1: 3D řezání výlisku, Zn ocelový plech 0,5 mm.

Druhou velice užívanou technologií je laserové svařování. Tato technologie má výhodu ve velkých svařovacích rychlostech. Navíc v tzv. penetračním režimu (laser má dostatečně velký výkon) vzniká hluboký závar, neboť laserový paprsek si v materiálu tvoří štíhlou a hlubokou dutinu – tzv. keyhole, díky které se předává energie ze svazku až v objemu materiálu. To je rozdíl oproti obloukovým metodám, kdy elektrický oblouk hoří mezi elektrodou a povrchem materiálu. Laserovým svařováním je proto možné svařovat několik vrstev materiálu nad sebou – tzv. přeplátováním. Vzniklý svar má velkou štíhlost (viz obr. 2), proto i výsledné deformace po svaření jsou malé (oproti obloukovým metodám). Výsledná geometrie svaru ovšem záleží též na vlastnostech svařovaného materiálu. Velkou roli hraje tepelná vodivost a také optická odrazivost.

Pracoviště laserových technologií na ÚPT

Jednou z možných cest, jak vybrat optimální způsob a prakticky si ověřit možnosti laserové technologie, je využít služeb centra Laserové technologie při ÚPT. Zde je pracoviště vybavené vláknovým laserem od firmy IPG typu YLS2000 o výkonu 2 000 W (je doplněn o režim pulzního provozu), robotickým ramenem ABB IRB2400 doplněným dvojosým polohovadlem IRBP250 a dvěma aplikačními laserovými hlavami: svařovací hlavou YW30 a řezací hlavou YRC100 (s vlastní, na robotovi nezávislou další osou pro přesné řízení odstupu od materiálu), obě od firmy Precitec. Každá hlava je k laseru připojena vlastním optickým vláknem a v laseru je vestavěn softwarově ovládaný optický přepínač.

K dispozici je i termokamera k ověření rozložení teplotního pole při svařování a vysokorychlostní kamera pro případné snímání detailů procesu. Pro studium geometrie a mikrostruktury svarů je k dispozici metalografická laboratoř a také drsnoměr pro měření drsnosti laserových řezů. Je možné zajistit další mechanické zkoušky (tahová zkouška, tvrdost, mikrotvrdost) i snímky z elektronového mikroskopu včetně chemické a strukturní analýzy. Za poslední roky využilo služeb již mnoho firem, které díky tomu vstoupily do světa laserových technologií.

Příklady z laserového pracoviště

V oblasti laserového 3D byla řešena problematika odřezávání přetoků na plastových výliscích. V dnešní době má tuto technologii zákazník již zapojenou do své výrobní linky. V oblasti nekovových materiálů byla zaměřena pozornost také na řezání karbonových dílů s dobrou kvalitou řezné hrany. Byla též řešena problematika řezání otvorů do výlisků z plechu, a to v rozsahu tlouštěk 0,5 – 8 mm. Některé výrobky měly průměr kolem 0,8 m a zde bylo s výhodou využito možností doplňkového 2osého CNC polohovadla. Touto technologií se též zhotovují dílce z molybdenu potřebné při vývoji elektronových mikroskopů. Zkoumána byla problematika laserového řezání pod úkosem, kdy testy prokázaly možnost provádění úkosu až do úhlu 30°. Za vyloženou specialitu lze považovat vrtání přesných malých otvorů do prototypů platinových trysek určené pro sklářský průmysl.

Obr. 2: Řez laserovým svarem, tloušťka 5 mm, duplexní ocel.

V oblasti svařování laserem byla řešena problematika svařování nástrojů pro medicínu, svařování palivových filtrů, ventilových těles nebo tlakových zásobníků (vše ze slitin hliníku). Dále byla vyvinuta technologie svařování částí patra pro chemický rektor, kde se do trubkovnice přivařovalo několik set trubiček, vše ze speciálního nerezu s vysokým obsahem niklu. Požadavkem byla kromě dokonalého průvaru nutnost zachování rovinnosti patra po svaření. Zde se projevila jedna z výhod laserového svařování, neboť po testovacím svařování se potvrdilo dosažení potřebné rovinnosti. Na druhé straně spektra svařování lze zmínit vývoj technologie výroby tlakového senzoru, kde požadavkem od zákazníka bylo přivařit na membránu kapilární trubičky (bez poškození membrány). Zde bylo využito možnosti pulzního svařovacího režimu s tvarováním pulzu. Také (opět pro sklářský průmysl) bylo řešeno svařování platinových plechů. Jako zajímavá se jeví spolupráce při vývoji pokročilých typů solárních absorbérů, pro něž byla vyvinuta technologie přeplátovaného svařování struktur o rozměru 1 000 x 1 000 mm.

V rámci smluvního výzkumu pracoviště zajišťuje i odborné školení v oboru výkonových laserů i jednotlivých technologií, vždy s ohledem na požadavky a potřeby zákazníka. Pracovníci centra mají certifikát svářečského operátora/seřizovače na metodu 521.

Skupina Laserové technologie se zabývá také základním výzkumem v oblasti laserového svařovacího procesu, jeho on-line diagnostikou, hybridními svařovacími procesy a speciální optikou pro modifikaci výkonového laserového svazku.

Doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.

Ústav přístrojové techniky

mrna@isibrno.cz

www.isibrno.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 150124
Datum: 11. 02. 2015
Rubrika: Monotematická příloha / Spojování a dělení
Autor:
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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