Témata
Reklama

Lasery s krátkými pulzy pro povrchové úpravy

Pulzní nanosekundové vláknové lasery mají v průmyslových aplikacích více jak dvacetiletou tradici a dnes jsou již standardními nástroji, které se používají při zpracování materiálů. I když se původně tyto lasery potýkaly s velmi nízkými průměrnými výstupními výkony (pouze cca 10 W), nyní jsou díky velmi kvalitnímu svazku vhodné pro laserové značení a přesné obrábění. Jejich jednoduchá integrace umožňuje efektivní opracování povrchu vysokou rychlostí i při větších rozměrech součástí. To je konkrétně při laserovém čištění a dalších povrchových úpravách velkou výhodou.

Již na konci osmdesátých let začaly zdroje laserového záření nacházet uplatnění v odstraňování povrchových vrstev kovů. Aplikace, pro které byly lasery s nanosekundovými délkami pulzů použity, ukázaly, že díky krátkému působení laserového svazku na materiál (a tím velmi malému tepelnému ovlivění), je možné zcela vynechat jinak nezbytné finální opracování součástí. Konkrétně se většinou jednalo o pevnolátkové laserové systémy Nd:YAG čerpané lampami. V polovině devadesátých let již zdroje dosahovaly průměrného výkonu 100 W s délkou pulzu 100 ns, což v důsledku vedlo ke zvýšení účinnosti a rychlosti procesu. Na konci devadesátých let pak přišly na trh první vláknové lasery pro mikroobrábění. Ty se nejprve používaly v oblasti telekomunikací jako systémy pro zesílení signálu.

Reklama
Reklama

Vláknové lasery přinášejí nové výhody

Pulzní vláknové systémy s vlnovými délkami kolem 1 µm začaly být díky svým velmi kompaktním rozměrům brzy aplikovány pro laserové značení. Jedna z hlavních výhod pulzních vláknových laserů – velká hustota výkonu, tj. vysoká koncentrace energie do malého bodu (spotu) – způsobila, že na trh přicházely stále výkonnější a levnější popisovací a gravírovací systémy. Díky tomu se brzy začalo objevovat více možností pro jejich využití.

Především díky použití pružných skleněných vláken mohla být konstrukce komponent pro vedení laserového svazku výrazně zjednodušena. Samotná vlákna, která nejsou citlivá na vnější vlivy, tak zaručují stabilní provoz zařízení a bezproblémovou opakovatelnost procesu. V dnešní době se v laserech IPG používá inovativní systém laserových modulů, který v kombinaci s optimalizovanými elektronickými komponentami umožňuje velmi rychlou modulaci, a tím přesné a stabilní řízení jednotlivých pulzů. Tyto výše vyjmenované vlastnosti jsou nezbytnou podmínkou pro přesné zpracování materiálů, ať už z pohledu prostoru či času.

V případě v současnosti používaného nanosekundového pulzního laseru IPG se jedná o tzv. Q-switch laserový systém (Q-spínaný). Ten se vyznačuje především jednoduchým kompaktním designem. Základním prvkem je vláknový hlavní oscilátor, u kterého je délka pulzu pevně nastavena a pohybuje se od 20 ns do 2 000 ns s opakovací frekvencí mezi 1 kHz a 500 kHz. Vysokých průměrných výkonů je následně dosahováno jedno- či vícestupňovým zesilováním tohoto slabého záření z hlavního oscilátoru.

Základní blokové schéma pulzního laserového systému IPG

Pro vedení laserového záření v až několik metrů dlouhých procesních vláknech je toto záření dále šířeno skrz tzv. optický izolátor a kolimátor. V závislosti na zpracovávaném materiálu a koncepci systému vedení paprsku mohou být kolimátory zvoleny tak, aby se průměr svazku pohyboval v rozmezí 2 mm až 10 mm. Ve speciálních případech proces vyžaduje změnu šířky pulzu během procesu – pak je možné použít tzv. MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) laser od firmy IPG.
Díky neustálému vývoji vláknových laserů IPG je dosahováno stále vyšších hodnot průměrného výkonu – to umožňuje rychlejší a efektivnější zpracování (mnohdy zcela nových) materiálů. Flexibilní modelová řada těchto laserů navíc přináší jedinečnou možnost zvolit vždy vhodný laserový zdroj pro každou aplikaci. V tomto případě se tak může jednat o např. nízkou energii v pulzu v kombinaci s opakovací frekvencí v řádu MHz a vynikající kvalitou svazku nebo o vysokou energii v pulzu (100 mJ) a špičkový výkon několik MW.

Vývoj průměrného výkonu pulzních vláknových laserů IPG (délka pulzu v řádech ns)

Zde stojí za zmínku nový Mega Pulse laser YLPN-50-120-5000-S s průměrným výstupním výkonem 5 kW. Špičkový výkon v pulzu dosahuje více než 400 kW při energii 50 mJ a délce pulzu 120 ns. Celková účinnost tohoto laseru je vyšší než 30 %. Kombinace procesních vláken s průměrem jádra 400 µm a 600 µm a vysokého průměrného výkonu dělá z vláknového laseru Mega Pulse ideální zařízení pro efektivní a rychlé zpracování povrchů.

Pulzní vysokovýkonné lasery IPG jsou nabízeny ve dvou různých podobách podle typu konstrukce. Prvním typem je kompaktní rack, který umožnuje jednoduchou integraci do stávajících zařízení. Dále existuje systémová verze v podobě skříně s možnostmi různých průmyslových rozhraní, např. Profinet, a s integrovaným bezpečnostním rozhraním.

Vláknové laserové systémy s délkou pulzu v řádech ns a průměrným výkonem 1 kW. Vlevo kompaktní rackové provedení, vpravo systémové provedení

Vysoké rychlosti povrchového zpracování materiálů u mnoha aplikací

Nanosekundové pulzní vláknové lasery se středními výkony od 100 W do několika kW jsou nejvíce využívány především při různých povrchových úpravách materiálu. Konkrétně se jedná o čištění a další technologie selektivního odstraňování povrchových vrstev materiálu. Proces je navíc velmi efektivní – např. u laserového čištění v případě použití laseru s průměrným výkonem 100 W a energií v pulzu 1 mJ dosahuje rychlost čištění u kovových materiálů cca 250 cm².min-1. Tepelně ovlivněná oblast na základním materiálu je velmi malá, takže čištěná součást není během procesu nijak poškozena. Zpracovávaný materiál je tepelně ovlivněn pouze lokálně – laserový paprsek ohřeje jeho povrch natolik, že dojde k natavení a odpaření odebíraného materiálu, tzv. sublimaci. Níže uvádíme přesnější rozdělení aplikací.

V případě povrchových úprav jde hlavně o čištění, odstraňování vrstev, odstraňování laků a nátěrů a strukturování povrchů. V případě odstraňování materiálu se bavíme zejména o gravírování, vysokorychlostním značení, vrtání nebo tzv. remote řezání.

Čištění laserem lze použít pro různé materiály. Vlevo korozivzdorná ocel, vpravo kámen.

Ve všech výše jmenovaných případech dojde při zpracování k překrývání pulzů, které je pro výsledek procesu rozhodující. Aby bylo použití laserů také ekonomicky výhodné, je vedle vysoké kvality zpracování samozřejmě nutná i vysoká rychlost procesu. Z důvodu zaručení konstantního překrývání pulzů je žádoucí dále zvyšovat opakovací frekvenci. Aby bylo navíc docíleno většího úběru materiálu, jsou při těchto úpravách upřednostňovány velké průměry svazku s vysokými energiemi v pulzu až 100 mJ. Dnešní značně rostoucí trh aplikací čistění laserem to potvrzuje – s lasery se můžeme setkat např. při restaurování kamenných památek nebo při čištění různých strojírenských součástí. Z praxe lze namátkou uvést čištění forem používaných v automobilovém průmyslu. Jelikož se často jedná o viditelné plochy, nesmí být forma v žádném případě laserem nijak porušena. Se správným nastavením parametrů procesu a vhodnou volbou procesní optiky lze však dosáhnout dokonale vyčištěného povrchu. Nezáleží přitom na tom, zda se jedná o 2D, či 3D aplikaci. Laser může být také použit přímo vnitřní prostory formy. Protože jsou formy používány pro výrobu dílů v automobilovém průmyslu, jsou kladeny velmi vysoké nároky na produktivitu procesu. Velmi často mívá proto laserová stopa čtvercový tvar, neboť v tomto případě jsou požadavky na překrývání jednotlivých laserových stop na povrchu materiálu nejmenší. Při použití laseru Mega Pulse s průměrným výkonem 5 kW a čtvercovým tvarem stopy, je možné při čištění forem dosáhnout rychlosti čištění materiálu více než 50 m2 .h-1.

Shrnutí

Vysokovýkonné pulzní vláknové lasery ukazují svoji všestrannost a možnosti využití pro různé aplikace v mnoha průmyslových odvětvích. S pulzním laserem o průměrném výkonu 5 kW představuje firma IPG novou třídu laserů, která je obzvláště vhodná pro povrchové úpravy materiálů. Díky kombinbaci dvou důležitých vlastností – vysokého průměrného výkonu a vysoké opakovací frekvence – lze laser použít pro zpracování takových ploch a materiálů, kde bylo zpracování laserem původně ekonomicky nepřijatelné či technicky nemožné.

IPG Laser

Ing. Roman Švábek

rsvabek@ipgphotonics.com

Uložit

Reklama
Související články
Zvýšení výkonu u tribo stříkání

Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

Související články
Zvýšení procesní spolehlivosti čištěním

Společnost BUPI Golser je světovou špičkou ve výrobě zařízení pro průmyslové čištění obrobků a transportních nosičů. Čisticí zařízení BUPI Cleaner jsou známá díky svým vynikajícím výsledkům čištění, kterých dosahují při vysoké hospodárnosti, energetické účinnosti a šetrnosti ke zdrojům. Vyráběna jsou v sídle společnosti BUPI Golser Maschinenbau v Halleinu u Salcburku. O zákazníky z České republiky a Slovenska pečuje od roku 2017 brněnská společnost Imtos.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Finesy antikorozních úprav do extrémních podmínek

Není asi náročnější zakázky na povrchové antikorozní ochrany než konstrukce pro extrémní klimatické podmínky, jako je střídání abnormálních teplot a slané prostředí. To je totiž ta pravá „ochranářská“ maturita. Mají-li se v těchto podmínkách chránit nadrozměrné konstrukce, není mnoho firem, které si na to troufnou. Před takovým dilematem stáli nepochybně investoři a realizační firmy při stavbě ve své době největší výletní lodě Queen Mary II a těžaři při konstrukci zřejmě nejseverněji umístěné naftové těžební plošiny Goliat v Barentsově moři. Jejich volba firmy realizující protikorozní úpravy padla na vlašimský Metalkov.

Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Vývoj epoxidových barev na konstrukce

Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

Funkční materiály pomocí depozice atomových vrstev

Depozice atomových vrstev (ALD – Atomic Layer Deposition) je technologie využívající depozice tenkých vrstev na povrch substrátu s přesností v atomovém měřítku, založená na řadě reakcí výchozí látky v plynném stavu s povrchem substrátu. Většina ALD reakcí používá dvě chemické látky, které se nazývají prekurzory.

Náhoda jako impulz inovace nátěrové hmoty

Kdyby nespadlo jablko Newtonovi na hlavu, nebylo by gravitačního zákona. Totéž lze říci o náhodné plísni, z níž Flemingovi vzešel penicilín. Nebýt rozsáhlé zakázky povrchových úprav osmi tisíců konstrukčních dílů Metalkovu Vlašim pro General Electric v Abu Dhabí, nepřišel by významný světový výrobce nátěrových hmot na zcela specifický technologický problém. Roli hrála náhoda, ne špatná práce výrobce.

Jak zefektivnit proces stříkání práškovými barvami?

Jak již název článku uvádí, bude se v něm pojednávat o aplikaci práškových barev. Konkrétně se jedná o méně známou a využívanou možnost automatizace a mechanizace stříkání, kterou jsou postřikové stěny.

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