Témata
Reklama

Šetří lasery energii? Jak je to s lasery, ekologií a ekonomií?

Ekologie v průmyslu je téma, které se dnes velmi často probírá. Jedná se o mimořádně širokou problematiku, zahrnující úspory energií, eliminaci či alespoň snížení vzniku zdraví ohrožujících zplodin či omezení potřeby nebezpečných chemikálií v oblasti průmyslové výroby. V dnešním článku se na tuto problematiku podíváme z hlediska výhod a nevýhod jednotlivých laserových technologií, které se díky klesající ceně při zachování dobrých technických parametrů a nízkých provozních nákladů dostávají i do podniků s menším obratem a nižším počtem zaměstnanců.

Laserová technologie se v průmyslu objevuje v celé řadě oblastí, nejčastěji se s ní však setkáváme v oblastech popisu a dělení materiálů. Nekovové materiály se zpracovávají nejčastěji pomocí plynových CO2 laserů, v případě zpracování kovů je však možností více.

Reklama
Reklama
Reklama

Dělení kovů

Nejdéle – stejně jako u nekovových materiálů – se využívají lasery typu CO2. Tato zařízení poskytují zpravidla poměrně vysokou kvalitu řezu, ovšem za cenu vysokého příkonu stroje. Do tohoto příkonu řada dodavatelů ve svých reklamních materiálech nezapočítává náklady na chlazení laserové soustavy, neboť efektivita převodu elektrické energie na světelnou je u CO2 laseru v porovnání s modernějšími typy vláknových laserů poměrně nízká. Přebytečný – tedy nepřevedený – výkon se následně mění na tepelnou energii, kterou je třeba ze soustavy odčerpávat. Příkon chladicí soustavy se tak často blíží příkonu samotného laseru a při výpočtu efektivity je třeba brát ohled i na tento faktor.

Laserem lze vyříznout i velmi malé kovové výrobky.

Další nevýhodou u CO2 laserů pro dělení kovů je jejich ne právě ideální vlnová délka 10,640 nm, která není většinou kovů příliš efektivně absorbována. Na obranu tohoto druhu zařízení je však potřeba říci, že právě díky vlnové délce se využití těchto zařízení neomezuje pouze na kovy, ale je možné s nimi dělit výrazně širší škálu materiálů, jako například u CO2 laserů Relicut.

CO2 lasery jsou lasery plynové, kde paprsek vzniká elektrickou stimulací směsi plynů. U výkonných laserů, které jsou určeny pro práci s kovem, je tak vyžadován přísun několika technických plynů o vysoké čistotě, které dále zvyšují náročnost a nákladnost celého procesu.

Posledním bodem, který je třeba brát v potaz, je koherentnost paprsku CO2 laseru. Abychom zbytečně nezabíhali do technických termínů – jedná se o možnost zaostření řezného paprsku na co nejmenší plochu. Ani v této oblasti bohužel CO2 lasery nepatří mezi favority. Z praktického hlediska to znamená, že tam, kde CO2 laser pro dělení kovu o dané síle potřebuje výkon v řádech kilowattů, vláknový laser si vystačí s optickým výkonem v řádu stovek wattů.

Sada kovových vzorků vyrobených laserem

Další variantou laseru, který je velmi často využíván k dělení kovových materiálů, je laser typu YAG. Jedná se o pevnolátkový laser, ve kterém samotný paprsek vzniká v krystalu rubidia a který je stimulován u modernějších typů pomocí LED diod, u starších typů pomocí xenonových výbojek. Vlnová délka laseru je 10x nižší než u CO2 typu, tedy 1,064 nm, a je tak vhodnější k práci s kovovými materiály. Koherentnost paprsku bohužel nedosahuje ani v případě YAG laseru extra vysokých hodnot, a proto je potřeba relativně vysoký výkon i pro řez v tenčích materiálech. Chlazení optické soustavy je i v tomto případě poměrně náročné a je třeba jej započítávat do celkové energetické náročnosti výroby.

Z ekologického, ale i z ekonomického hlediska v dnešní době vycházejí pravděpodobně nejlépe lasery vláknové (fiber laser), kde samotný paprsek vzniká ve speciálním optickém vlákně obohaceném rubidiem. Pro zesílení výkonu na požadovanou úroveň se využívá speciálních pumpovacích LED diod. Tento zdroj lze bez nadsázky označit za nejekologičtější hned z několika důvodů. Jeho životnost je velmi vysoká – u laserů HSG zpravidla v rozmezí 70 000 až 100 000 pracovních hodin stroje. Pro svůj provoz zdroj nevyžaduje kromě elektrické energie žádné další vstupy. (Pro upřesnění – vláknový řezací laser vyžaduje přísun kyslíku, dusíku či tlakového vzduchu jako asistenčního plynu při své činnosti. Tyto technické plyny však nejsou potřeba pro samotný vznik laserového paprsku jako v případě CO2 laseru, ale pouze k posílení či utlumení exotermické reakce při samotném řezu.) Paprsek se vyznačuje extrémně vysokou koherentností, dovolující čistý řez o minimální šířce i při relativně nízkém výkonu. Díky vysoké efektivitě převodu elektrické energie na světelnou vzniká pouze omezené množství parazitní tepelné energie, proto chlazení tohoto typu laseru je zcela nenáročné. Celá řezná soustava vláknového laseru i s chlazením má v porovnání s CO2 lasery i s lasery typu YAG pouze minimální energetickou náročnost, zařízení je jednoduché na obsluhu a má minimum spotřebního materiálu, který je zastoupen tryskou plynu a ochranným sklíčkem, které brání v přístupu asistenčního plynu do prostoru optiky hlavy. Další výhodou je vedení samotného paprsku od zdroje k řezné hlavě, které se provádí optickým vláknem uloženým v pancéřovaném kabelu. Nejsou zde tedy žádná zrcátka vyžadující pravidelné čištění či seřizování, jak je tomu u předchozích typů.

Řezací vláknový laser zakrytovaný

Abychom však na vláknové lasery nepěli jen samou chválu, je potřeba zmínit i jejich negativa. Na současné úrovni technologického rozvoje se jejich výhody dané především koherentností paprsku projeví nejvíce při dělení kovů do síly cca 10–12mm. Nad touto hranicí poskytují CO2 lasery vyšší řezné rychlosti a v celkovém součtu i lepší ekonomické parametry.

Příklad z praxe

Dovolte mi závěrem zmínit jeden praktický příklad sloužící k porovnání efektivity laserů YAG a laserů vláknových na příkladu tenkých plechů. Před pouhými dvěma lety jsme k nám do firmy pořídili jako vzorový stroj laser typu YAG. Jeho pořizovací cena byla znatelně nižší než cena laseru vláknového o srovnatelném výkonu, proto jsme předpokládali zájem ze strany menších firem. Dnes je tento laser již zcela neprodejný. Proč? Zařízení má optický výkon 620 W. Celkový příkon tohoto zařízení při plném výkonu a včetně chladicí soustavy se pohybuje kolem hodnoty 38 kW. S použitím kyslíku jako asistenčního plynu dovoluje řezat černý ocelový plech do síly 3–4 mm. Cena tohoto stroje se pohybovala lehce pod hranicí 2 milionů Kč. Dnes v nabídce 4ISP naleznete vláknový laser HSG se zdrojem Raycus 300 W, který – opět s použitím kyslíku – dovoluje řezat ocelový plech o shodné síle, tedy 3–4 mm. Toto zařízení je na rozdíl od laseru YAG prakticky bezúdržbové, jeho cena jen mírně přesahuje hranici 1 500 000 Kč, a navíc jeho příkon je zanedbatelný – ve špičce nepřesáhne včetně chladicí soustavy hodnotu 4 kW.

Řezací vláknový laser nekrytovaný s rotační osou

Rada na závěr

Pokud přemýšlíte o nákupu nové technologie, myslete ekologicky a ekonomicky. Nehleďte jen na cenu stroje a na jeho výkon, protože tyto parametry ani zdaleka zákazníka neinformují o tom, co ho zajímá – co může řezat, kolik údržby stroj vyžaduje, jaké další vstupy kromě elektrického proudu vyžaduje a jaká bude cena za 1 metr řezu. K ekologii se váže ekonomika – jaké budu mít náklady na výrobu a provoz? Jaké budu mít spotřeby surovin a zdrojů na výrobu a provoz? Nechte si poradit!

Petr Tůma, 4ISP

Jiří Malát

Jiri.malat@bonmedia.cz

www.4isp.cz

Reklama
Související články
Efektivita produkce a laserové technologie

Lasery mají svou nespornou výhodu v nízkých provozních nákladech. A také ve snadnosti přípravy a zadávání dat do výroby. Nízké provozní náklady hovoří o jejich aktuální spotřebě během výroby. Vzhledem k tomu, že potřebují standardní příkon nižší než mikrovlnka nebo varná konvice, stává se energie zanedbatelnou položkou.

Řezání trubek a profilů

Přestávají vám stačit pily? Následující tři řešení od 4ISP určená pro různé typy výroby mohou být vhodnou volbou.

Řezání materiálů s pomocí CNC laseru

Řezání, správně pálení materiálů pomocí laseru již dávno není žádnou technologickou novinkou a v dnešní době se tato technologie objevuje i v menších podnicích. Důvodem rozmachu tohoto způsobu zpracování je nenáročnost obsluhy, rychlost řezání a trvale klesající cena samotných laserových strojů.

Související články
Největší předváděcí centrum laserů a CNC strojů

Časům nakupování průmyslových strojů naslepo, bez osobního vyzkoušení a podrobné znalosti strojů, provozních nákladů a potřeb, již „odzvonilo“.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Využití laseru při dělení a značení materiálů

V odborných časopisech vycházejí celé řady článků na téma pokročilého použití laserových technologií v průmyslu. V praxi se však často setkáváme se zákazníky, kterým se nedaří získat základní informace o této problematice. Jaký typ laseru je vhodný na daný materiál? Jaký výkon je potřeba pro dělení desky o zadané tloušťce? Jaké asistenční plyny lze pro řez použít a jaké výsledky s daným typem plynu můžeme očekávat?

Využití laseru při dělení a značení materiálů

Jaký typ laseru je vhodný pro jaký materiál? Jaký výkon je třeba pro dělení desky o zadané síle? Jaké asistenční plyny lze pro řez použít a jaké výsledky s daným typem plynu lze očekávat? Jakým laserem značit a jakým řezat?

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Jak ušetřit za energie: Využijte odpadní teplo

Řada průmyslových provozů využívá různé technologie, při nichž vzniká velké množství odpadního tepla. Tato draze získaná energie často uniká bez užitku, například ve formě odvodu horkých spalin komínem. Na druhé straně teplo potřebujeme na ohřívání vody nebo na vytápění. K tomu, abychom unikající teplo zadrželi a využili je tam, kde je ho potřeba, slouží technologie zpětného získávání neboli rekuperace tepelné energie.

Energetická náročnost obráběcích strojů, část 2: Vliv výrobních strojů

Globální oteplování se stalo velmi diskutovaným tématem. I když bylo provedeno mnoho vědeckých studií a napsáno neméně vědeckých článků, dosud se odborná komunita nesjednotila v celkovém názoru na globální změny klimatu. Navíc zde hrají roli politika a byznysové zájmy, a tak je velmi obtížné se ve všech, často protichůdných, informacích vyznat.

Současné ceny energií jsou pro firmy likvidační

Pavel Janeček působí v energetice celý svůj profesní život. S redakcí MM Průmyslového spektra se podělil o své dlouholeté zkušenosti z plynárenského byznysu a o názory na řešení energetické krize v České republice. Navrhuje konkrétní východiska a apeluje na rychlé jednání české vlády.

MM Podcast: Glosa - Hra o energii o třech dějstvích

Mysleme na to, že Evropa je nyní blíže okamžiku bodu zvratu, protože již několik let trvající trend postupného poklesu konkurenceschopnosti tohoto regionu se dostane do ještě strmější trajektorie. Toto obrovské riziko zde reálně hrozí, a pokud na něj nebudeme reagovat a věnovat se jeho řešení, hrozí nám obrovské sociální problémy, které jsme zde za posledních několik desetiletí neřešili. A válka na Ukrajině, která není jeho prvotní příčinou, tento trend dále eskaluje.

MM Podcast: Glosa - Green Deal je mrtev, ať žije Green Deal!

V rámci tzv. Zelené dohody přijala Evropská komise návrhy na uzpůsobení své politiky v otázkách klimatu, energetiky, dopravy a zdanění, tak aby se státy mohly podílet na snižování emisí skleníkových plynů do roku 2030 alespoň o 55 % ve srovnání s rokem 1990. Komise plánovala do roku 2050 vytvořit z Evropy první klimaticky neutrální kontinent. Vše ale bylo postaveno na dodávkách ruského plynu. S ohledem na eskalaci studené války a nestabilitu dodávek ropy a zemního plynu na Green Deal ve stávající podobě zapomeňme. Vracíme se k pálení uhlí, mazutu a kdoví čeho ještě...

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