Nekonvenční metody obrábění – 4. díl

5 Obrábění paprskem fotonů – laserem

Obrábění a opracování materiálů laserem je založeno na přeměně světelné energie na energii tepelnou. Slovo laser je složené z počátečních písmen anglického názvu popisující jeho funkci: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené (stimulované) emise záření.

5.1 Princip metody

Laser pracuje na principu indukované emise, tj. vynuceného záření. Indukovaná emise je vyvolána dopadem záření na atom prvku, kdy záření donutí elektron obíhající kolem jádra přijmout energii a tím vystoupat na vyšší oběžnou dráhu. Další příjem energie a rovnováha sil v atomu přinutí elektron vrátit se na svoji původní oběžnou dráhu a vyzářit přijatou energii do prostoru. Vzniklé záření je monochromatické (tzn. má jednu, přesně definovanou vlnovou délku) a koherentní, což znamená, že příslušné částice (fotony) se ve svazku pohybují jedním směrem a jsou v jeho průřezu buď stejnoměrně nebo alespoň velmi pravidelně rozděleny.

5.2 Zařízení pro obrábění laserem

Částmi každého laseru jsou (obr. 5.3):

• laserová hlavice (1), která obsahuje:
• laserové médium (3) – určuje délku vlny záření. Jedná se o směs několika materiálů s vhodnými energetickými hladinami ve vhodném nosném materiálu, který je průhledný a má schopnost odvádět vzniklé teplo. Může být pevné, tekuté nebo plynné;
• rezonátor (2) – optický systém, umožňující zformovat a zesílit záření, tj. elektromagnetickou vlnu z něj vycházející. Konstrukční uspořádání rezonátoru určuje vlastnosti paprsku (koherenci, intenzitu záření, jeho pravidelnost, spektrální a prostorové charakteristiky). Optický rezonátor tvoří nejméně dvě zrcadla. Nejčastěji se používají sférická zrcadla v konfokálním stabilním nebo konfokálním nestabilním uspořádání (obr. 5.1). Průměr a zakřivení zrcadel určují rozdělení intenzity záření a energetickou rozbíhavost laserového záření, tj. divergenci paprsku, která je dána rovinným nebo prostorovým úhlem, ve kterém se šíří. Rozdělení intenzity záření v průřezu výstupního paprsku laseru vyjadřuje tzv. MOD (obr. 5.2), což je označení pro vlastní kmity elektromagnetického pole v rezonátoru, charakterizované danou frekvencí a zvláštnostmi rozložení pole v rezonátoru. Základní MOD je pro většinu technologických operací označován jako TEM₀₀, kde je intenzita záření rozdělena podle Gaussovy křivky. Rozdělení intenzity záření TEM₁₀ se používá např. pro tepelné zpracování nebo povlakování;
• budicí zařízení (7), které ovlivňuje pracovní režim laseru. Způsob buzení je dán laserovým médiem. Plynné médium je buzeno téměř vždy elektrickým výbojem, stejnosměrným nebo střídavým proudem. Pevné laserové médium je nejčastěji buzeno lampami (výbojkami) nebo diodami;
• zdroj energie buzení (6), jde o speciální druh síťového napáječe;
• chladicí systém (8), který odvádí nevyužitou energii, jež se nepřemění v záření, ale v tepelnou energii. U laserů používaných při zpracování materiálů se nejčastěji používá chlazení vodou. Chladicí okruh má dvě větve: vnitřní (používá se deionizovaná voda) a vnější (voda z vodovodní sítě nebo ze speciálního zásobníku s čerpadlem). Výrobci laserových zařízení dodávají také speciální chladicí zařízení, u kterých je vnitřní okruh chlazen vzduchem.

5.3 Druhy laserů

Lasery mohou být klasifikovány podle různých hledisek, např. podle:

• aktivního prostředí (je nejpoužívanější): pevnolátkové; polovodičové; plynové; kapalinové; plazmatické;
• vlnových délek optického záření, které vysílají: infračervené; viditelného pásma; ultrafialové; rentgenové;
• typu kvantových přechodů (energetických hladin): molekulární (rotační, rotačně-vibrační, vibrační); elektronové; jaderné;
• typu buzení: optické; buzené elektrickým výbojem; buzené elektronovým svazkem; buzené tepelnými změnami; buzené chemicky, rekombinací nebo injekcí nosičů náboje;
• časového režimu provozu laseru: impulzní; kontinuální;
• délky generovaného pulzu: s dlouhými pulzy; s krátkými pulzy; s velmi krátkými pulzy (pikosekundové, nanosekundové).

5.3.1 Pevnolátkové lasery

Aktivním prostředím je dielektrikum, tj. pevná, opticky propustná látka. Základním materiálem, který určuje většinu technických vlastností daného krystalu, je u pevnolátkových laserů matrice, která musí být průzračná, opticky homogenní a musí být technologicky možné ji uměle vyrábět.

Vybrané druhy pevnolátkových laserů:

• rubínový laser – aktivním prostředím je krystal generující záření o vlnové délce 0,6943 μm. Pracuje většinou v pulzním režimu. Je vhodný pro vrtání tvrdých materiálů, v lékařství v dermatologii a v laserové lokaci družic. Nyní se nahrazuje především Nd:YAG laserem;
• Nd:sklo laser – pracuje v pulzním režimu. Používá se pro vysokoenergetické pulzní režimy práce s malou opakovací frekvencí, např. pro velké termonukleární systémy;
• Nd:YAG laser (obr. 5.5) – je dnes nejvíce používaným typem pevnolátkového laseru. Aktivním prostředím je krystal yttriumaluminumgranát dopovaný neodymem. Tento laser pracuje jak v pulzním, tak kontinuálním režimu. Dosahuje výkonů 100 až 4 000 W. Paprsek pevnolátkových laserů má vlnovou délku 1,06 μm. Je vhodný pro vrtání, svařování, řezání a žíhání. V lékařství se používá kontinuální Nd:YAG laser jako skalpel (v chirurgii) a pulzní Nd:YAG laser v oční mikrochirurgii. Dále pak v radarové technice a ve spektroskopii;
• Nd:YLF laser – aktivním prostředím je lithiumyttriumfluorid (LiYF₄). Paprsek má vlnovou délku 1,053 μm;
• Er:YAG laser – aktivní prostředí pro Er iont tvoří YAG. Vlnové délky generovaného záření jsou 1,56 a 2,94 μm. Záření Er:YAG laseru 1,56 μm se používá v laserových dálkoměrech.

5.3.2 Kapalinové lasery

Aktivním prostředím kapalinových laserů jsou roztoky organických barviv nebo speciálně připravené kapaliny, dopované ionty vzácných zemin. Pro buzení kapalinových laserů se užívá optické záření.

Použití kapalinových laserů je především ve spektroskopii. Novou aplikací je využití možnosti naladění přesné vlnové délky v medicíně – ve fotodynamické terapii, kdy se působením záření přesné vlnové délky ničí rakovinotvorný nádor předem „napuštěný“ speciálním organickým barvivem (barvivo se působením záření rozpadá a volný generovaný kyslík ničí rakovinotvorné buňky).

5.3.3 Plynové lasery

Aktivní prostředí je v plynné fázi. Většina plynových laserů pracuje v kontinuálním režimu. Byly vyvinuty i lasery s mimořádně vysokým výkonem pracující v pulzním provozu. Plynové lasery je možné budit elektrickým výbojem, chemickou reakcí, fotodisociací, rychlou expanzí plynu, průchodem svazku rychlých elektronů nebo opticky.

Vybrané druhy plynových laserů:

• heliumneonový laser – aktivní prostředí je tvořeno vybuzenými atomy neonu. Budí se v elektrickém výboji ve směsi plynů helia a neonu. Tento laser vyzařuje infračervené záření o vlnové délce 1,15 μm, 3,39 μm a 0,633 μm. Používá se v měřicí technice, holografii a geodézii;
• argonový laser – aktivní prostředí tvoří ionty argonu. Budí se elektrickým výbojem. Vlnové délky záření jsou: 457,9 nm, 465,7 nm, 472,7 nm, 488,0 nm, 496,5 nm a 514,5 nm;
• excimerový laser – aktivním prostředím jsou excimery. Excimer je nestabilní molekula, která vzniká jen na přechodnou dobu v důsledku vzájemného působení vybuzeného atomu s atomem v základním stavu. Buzení excimerových laserů se provádí elektrickým výbojem nebo svazkem rychlých elektronů. Používají se v selektivní laserové fotochemii, při technologických aplikacích (např. při popisování součástí, vrtání), v medicíně a ve fyzikálním a biologickém výzkumu;
• CO₂ laser (obr. 5.6) – aktivním prostředím jsou molekuly oxidu uhličitého. Buzení je elektrickým výbojem, který zapaluje směs plynů CO₂, N₂ a He. Používají se pro řezání, svařování, vrtání, popisování součástí, nanášení povlaků a tepelné zpracování.

5.3.4 Polovodičové lasery

Aktivním prostředím polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány. Hlavní předností polovodičových laserů je jejich kompaktnost, velká účinnost (až 50 %), možnost spektrálního přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření vlnových délek od λ = 0,3 do 30 μm. Nevýhodou je rozbíhavost generovaného záření a velká závislost parametrů generovaného záření na teplotě aktivního polovodičového materiálu. Polovodičové lasery se používají především pro popisování součástí, řezání, tepelné svařování a v technologiích Rapid Prototyping.

Typickými představiteli polovodičových laserů jsou:

• polovodičový laser buzený svazkem elektronů, tzv. diodový laser (obr. 5.7) – aktivní prostředí je tvořeno blokem polovodičů. Laser může být buzen fotony, elektrickým polem nebo častěji svazkem elektronů. Rychlé elektrony procházejí polovodičovým blokem a iniciují přechody z pásu valenčního do pásu vodivostního. Mezi takto buzené aktivní materiály patří galiumarsenidový (GaAs) polovodičový laser, kadmiumsulfidový (CdS) a kadmiumselenidový (CdSe) polovodičový laser. Generují záření o vlnové délce v rozsahu 808 až 940 nm. Lasery mají výstupní výkon 30 W až 8 kW. U vysoce výkonných diodových laserů má vystupující paprsek tvar obdélníkové plochy. Laser o výstupním výkonu 150 W má po zaostření rozměr stopy 0,6 x 1,2 mm. Lze jej zaostřit i na 1,3 x 1,3 mm nebo na stopu ve tvaru kruhu o průměru 1,5 mm;
• injekční polovodičové lasery – aktivní materiál je složen z polovodiče typu P a N. Polovodiče vytvářejí tzv. P-N přechod. Buzení je v tomto případě prováděno přiložením elektrického pole k polovodičovému přechodu. Rezonátor je tvořen vybroušenými stranami polovodičového materiálu. V P-N přechodu elektrony a díry rekombinují při současné emisi záření. Odrazem od zrcadel otevřeného rezonátoru a mnohonásobným přechodem oblastí přechodu vzniká laserové záření. Nejznámější je GaAs polovodičový laser.

5.4 Použití laserů

Laser se za dobu od svého vzniku uplatnil v celé řadě oborů. Jako přístroj se dnes využívá v medicíně, technologii, astronomii, geodézii, metrologii, chemii, biologii, spektroskopii, energetice, ve výpočetní technice, v technice spojů, ve vojenské technice, v automatizaci a v dálkovém řízení.

5.5 Použití laserů v technologii

V technologii se laser začal používat od druhé poloviny 60. let. Vývoj laseru i jeho aplikace procházejí neustálou inovací. Sledují se jak nové technické možnosti, tak i příznivější ekonomie provozu. Laserovou technologii definujeme jako opracování materiálu založené na:

• využití schopnosti laseru koncentrovat optickou energii v prostoru, čase a spektrálním intervalu;
• interakci optického záření s látkou.

V technologii se laser používá pro svařování, vrtání, řezání, tepelné zpracování, značení a gravírování, povrchové úpravy, povlakování, metody tvorby modelů a prototypů (Rapid Prototyping) a pro laserovou podporu konvenčního obrábění. Každá z těchto oblastí má svá specifika, pokud jde o typ laseru a způsoby jeho užití.

Obrobitelnost materiálu laserem je dána zejména těmito vlastnostmi:

• pohltivostí, tj. schopností pohlcovat světelnou energii a měnit ji na kinetickou energii neuspořádaného pohybu molekul nebo atomů absorbující látky, tzn. na tepelnou energii;
• tepelnou vodivostí;
• odrazivostí, která je dána poměrem množství odražené energie k energii dopadající.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.,

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz

z.Kerecaninova@rcmt.cvut.cz

Chybějící tabulky naleznete v tzištěné verzi časopisu.