Podaná ruka ke spolupráci v laserových technologiích

V rámci výzkumného marketingového projektu pod patronací Spolkového ministerstva pro vzdělávání a výzkum (BMBF) se od září minulého roku 2009 dostává českým a souběžně i polským výrobcům možnosti využít nejnovějších výsledků z oboru laserových technologií přímo za podpory německých institucí. Ty stojí dnes v popředí světového vývoje optických technologií a převzetí laserových špičkových metod na této úrovni dává schopným realizátorům jedinečnou šanci k udržení kroku se současným technologickým trendem a tím i k posílení konkurenceschopnosti vlastní výroby.

Pražská prezentace

Z německé strany se do projektu spolupráce zapojují zejména ústavy a firmy ze saské oblasti. Pro Českou republiku koordinuje jejich účast Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagebau ICM, pro Polsko Fraunhofer Institut IWS. Inovační institut ICM byl přitom i hlavním organizátorem workshopu zmíněného v úvodu, na kterém vystoupili s návrhy konkrétních technologií i odborníci z IWS, firem 3D-Micromac, SITEC, Laservorm, Laserového institutu Mittelsachsen a Institutu für innovative Technologien. S konkrétními laserovými technologiemi při zpracování plechu přišel na konferenci i zástupce firmy Trumpf Praha, dceřiné firmy německého výrobce laserů a laserových systémů Trumpf. Všechny tyto firmy patří k předním ve svém oboru, důkazem z poslední doby je např. i  udělení ceny „Chemnitzer Meilenstein 2010" pro firmu 3D-Micromac za vývoj systémů laserového mikrobrábění a zároveň i popularizaci těchto technologií. Z dílčích oceněných inovačních technologií sem patří např. dnes velmi aktuální nová úsporná výrobní technologie prokovení solárních článků způsobem označovaným jako Back-Contact Cell Design, přinášejícím při zachování vyšší aktivní plochy článku i nárůst jeho výkonu.

Konzultace na míru

Celý internacionální projekt spolupráce pod oficiálním označením „LiFt-Lasertechnologieintegration in die Fertigungstechnik" se týká prakticky poradenství ve všech fázích zavádění laserových průmyslových technologií, ekonomických rozborů a doporučení optimální varianty při řešení konkrétních úkolů. K technologiím, kterými se projekt zabývá, patří veškeré technologické laserové aplikace, jako je řezání, děrování, svařování, pájení, povrchové úpravy nebo měření. Zvolit tu nejvhodnější variantu laserového systému není přitom nijak lehká záležitost, zvláště pak pro toho, kdo se doposud laserovými technologiemi nezabýval. Současná tržní nabídka zahrnuje už dostatečně široké spektrum různých typů laserů, laserů s odlišnými fyzikálně-optickými parametry a tedy i jejich různě vhodné uplatnění ve vztahu k požadované technologii, zpracovávanému materiálu a jeho schopnostem absorpce paprsku laseru.

Česká participace

Tak jako na německé straně projektu jsou hlavními partnery pro spolupráci instituty ICM a IWS, pak jejich českým protějškem jsou Výzkumné centrum Nové technologie na Západočeské univerzitě v Plzni, Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii při ČVUT v Praze a pražský zástupce výrobce laserů a laserových systémů Trumpf. Průběh projektu spolupráce je zatím navržen do srpna letošního roku 2010. Do té doby proběhne ještě obdobný workshop v režii Fraunhofer Institutu IWS dne 9. června na poznaňském Mezinárodním strojírenském veletrhu a institut IWS, který je po odborné stránce garantem celé akce, zve zájemce o laserovou tematiku i na další své letošní konference, pořádané přímo v Drážďanech - 27. května „Lasermaterialbearbeitung mit SKM DCAM 2010, ve dnech 7.-9. září Surface Modification Technologies a 5.-6. října Mezinárodní laserové sympozium FiSc s tematikou vláknových laserů.

Kudy dál?

Poslední léta se s vývojem nových laserových zdrojů o dostatečném výkonu hodně diskutuje o tom, kterým směrem se bude ubírat ideální budoucí vývoj laserových aplikací. K otázce, zda lasery klasické CO₂, výbojkami nebo diodou čerpané pevnolátkové Nd:YAG lasery, lasery polovodičové, kotoučové nebo vláknové - každý z nich má své technologické opodstatnění. Podstatným kritériem pro zákazníka jsou samozřejmě i ekonomické faktory, cena investice a provozní náklady, včetně jejich posouzení v případě možné technologické variability typu laseru. Praktickou novinkou jsou tu např. typy laserů emitujících ultrakrátké laserové pulzy tak, aby délka pulzu byla kratší než rychlost přestupu tepla v nejbližším okolí prováděného úkonu. Takové lasery někdy nesou označení i jako „studené lasery", jsou mimořádně šetrné k okolnímu prostředí zásahu a jen minimálně je tepelně ovlivňují. V tomto směru je už k dispozici řada ns a fs laserů na různém principu, včetně v současné době hodně diskutovaných vláknových laserů. Z praktického hlediska se zaměřením na kvalitativní a výkonové parametry při tak extrémně krátkých pulzech se zatím jeví jako vhodné především využívat pro tyto účely pevnolátkových kotoučových laserů, kde se tloušťka aktivního materiálu ve tvaru kotouče, ovlivňující i vlastní chlazení, počítá už v submilimetrech. Redukováním nelineárních efektů, zvláště pak ve výkonové špičce pulzů, se jim zde dostává přednosti před ostatními typy laserů, a navíc, což je důležité pro průmyslové aplikace, vysoká účinnost budicích laserových diod vydrží dnes řádově až desítky tisíc hodin.

Ing. Jiří Šmíd

S příchodem vláknových laserů do praktického využití se podstatně rozšířila nabídka jednotlivých typů průmyslových laserů. Přesto, že stále ještě kolem asi 40 % všech technologických laserů pro průmyslové operace, jako je svařování, řezání, vyřezávání, technologie povrchových úprav nebo podpůrné technologie obrábění a tváření představují ještě plynové CO₂ lasery, obdobné šance se dostávají laserům pevnolátkovým, zvláště Nd:YAG a  Nd:YVO₄ s tvarovým provedením krystalu, vláknovým laserům (patří do skupiny pevnolátkových laserů, ale na rozdíl od jiných typů využívají optického vlákna dotovaného prvky vzácných zemin přímo ke generování paprsku), laserům excimerovým a polovodičovým diodovým. Při jejich volbě je třeba vycházet jak z jejich technických parametrů, tak zvažovat i investiční a provozní náklady laserů a laserových systémů. Ne vždy a všude je odpověď jednoznačná. Zajímavá informace z pohledu hospodárnosti provozu laseru přichází nyní od jednoho z největších výrobců diodových laserů, které mohou mít pro průmyslové aplikace hned dvojí význam - od firmy Jenoptik Laserdiode. Výkonové diodové lasery mohou být využívané jako zdroj záření pro buzení pevnolátkových laserů nebo při dostatečné výkonnosti, většinou ve svazku laserových diod, kdy se paprsek přivádí na místo operace optickým vláknem, přímo pro vlastní technologickou operaci. Za poslední roky prodělaly diodové lasery značný vývoj u obou typů, především pokud jde o výkonnost a kvalitu paprsku a již k tradičním jejich přednostem patří nízká energetická náročnost, malé rozměry a nízká hmotnost a s tím související dobrá integrace do výrobních linek a robotizovaných pracovišť. U řady technologií se příznivě jeví i pravoúhlý průřez paprsku při vyzařování přímo z laserové diody. Co ale podle nového sdělení uvítají spíše ekonomové podniků, je podstatné prodloužení životnosti diodových laserů. Z původních 10 000 hodin v roce 2000 je to dnes postupně 30 000 až 50 000 hodin. Z nárůstu výkonnosti za stejná období: rekordního maxima 270 W u samotné laserové diody dosáhl Fraunhofer Institut ILT, ve svazku laserových diod se dnes dosahuje až 10 000 W.

-ji-

Bezkolizní dráha u robotu k přípravě laboratorních vzorků

U asistenčních robotů je někdy na závadu přemíra nabízených funkcí, prodražujících jejich cenu. Ve Fraunhofer Institutu für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF vyšli vstříc požadavkům biologických a jim podobných laboratoří a vyvinuli komerčně dostupný bezkolizní robot, nepřesycený nadbytečnými funkcemi, poměrně jednoduchý a snadno aplikovatelný. Podmínkou jeho zadání bylo, aby robot na základě dostatku informací o daném prostředí mohl samostatně ovládat svůj bezpečný pohyb a aby jeho úchopové prvky byly natolik citlivé, že by dokázaly odpovídajícím způsobem reagovat i na případnou nepředvídatelnou situaci.

Vyvinutý robot, označený názvem LISA (odvozeno od Life Science Assistant), je zaměřen na časté laboratorní úkony, které se vyskytují při hodnocení velkého množství vzorků. Nepracuje sám, ale spolupracuje s ostatními laboranty, pro něž vykonává monotónní laboratorní přípravné práce při výběru a kompletaci potřebných prostředků, jež se při takových postupech užívají. Využít lze ale kupř. i při výběru tkáňových struktur z určitého přesně označeného místa laboratorní databáze. Po konstrukční stránce je manipulační část robotu v provedení scara, s ramenem opatřeným strukturou povrchově citlivých vodivých pěnových a textilních materiálů a vyhodnocovací elektronikou. Tím, že se u robotu zvažuje součinnost s lidskou obsluhou, je akční prostor ramena s chapadlem sledován termokamerou, jejímž cílem je upozornit robot na pohyb člověka v daném prostoru, byť by šlo třeba jen o ruku jeho lidského kolegy. Pro orientaci v jinak známém prostředí slouží robotu laserový navigační systém, který mu dovoluje např. i samostatný průchod dveřmi.

Ovládání robotu je hlasem, robot má velkou slovní zásobu a rozumí i větám. V případě nejasností se sám zeptá. Vedle vestavěné orientace se dají některé jednoduché úkony robotu doplňovat i intuitivním způsobem.

-ji-

iia.smid@gmail.com