Témata
Reklama

Letošní veletrh laserové techniky, pořádaný v květnu na mnichovském výstavišti, potvrdil svým obsahem i zájmem návštěvníků opět dynamický trend ve vývoji laserů a laserových systémů, přerušený jen v nedávných krizových letech.

O to více stoupá nyní zájem o nové laserové technologie, vyvíjené současně s další generací nových zdrojů laserového paprsku - komerčně už dostupných laserů nejen s vysokou kvalitou laserového paprsku, ale v případě pulzních laserů i laserů s ultrakrátkými pulzy a přitom i s dostatečně vysokým využitelným výkonem. Každý takový vývoj provázejí i nové aplikace, nové technologie, v případě průmyslových aplikací zejména nové možnosti mikrotechnologií, přesného obrábění a technologií využívajících i takových materiálů, které doposud pro jejich fyzikální vlastnosti nebylo snadné laserem zpracovávat.

Reklama
Reklama
Reklama
Prezentace nových laserových technologií v expozici ústavů Fraunhofer Gesellschaft. Metoda laserového mikrosvařování silových Cu a Al kabelů z ILT byla předvedena u elektromobilu verze Tesla Roadster.

Vývoj laserových technologií probíhá a ukázal to i veletrh, především u dvou center německého výzkumu - u Laser Zentrum Hannover a v některých ústavech společnosti Fraunhofer Gesellschaft. Vývojové směry jsou tu často vyvolány i požadavky uživatelů z nosných oborů současného technického rozvoje, elektroniky, technologií obnovitelných energetických zdrojů, včetně fotovoltaiky, nanotechnologií nebo i obecně potřebami automatizace a robotiky. Ke slovu přicházejí i postupy související s využíváním nových materiálů, ale i materiálů, byť dlouhá léta známých, kde však doposud lasery nenacházely optimální cestu využití. V dnešní době se to týká zejména vyššího využívání mědi a jejích slitin, kovu stále vzácnějšího a dražšího, který doposud pro své fyzikální vlastnosti, vysokou tepelnou a elektrickou vodivost a navíc špatnou absorpci laserového paprsku při obvyklé vlnové délce 1 μm (standardní vlnová délka pevnolátkových laserů a tedy i vláknových laserů) nebyl pro zpracování laserem nejvhodnější. Zvláště pak měď s čistotou 99,9 %, užívaná např. u kontaktů různých elektronických přístrojů, včetně třeba kardiostimulátorů v medicíně, je natolik citlivá při svařování, že už i nepatrné kvalitativní povrchové odchylky bránily dosažení kvality svaru a spolehlivé reprodukovatelnosti procesu.

Závislost absorpce Cu na vlnové délce paprsku
Průběh formování IR pulzu s konverzí v zelené při technologii „mix svařování" Cu

Laserové zpracování mědi a jejích slitin

Současné intenzivní hledání postupů pro laserové zpracování mědi a jejích slitin se zaměřuje na využití jevu odlišné absorpční závislosti Cu na různé vlnové délce laserového paprsku. Při vlnové délce Nd:YAG laseru 1 µm dochází u mědi k absorpci paprsku v rozsahu pod 5 %, ale při frekvenčním přeladění na 532 nm je to už kolem 30 až 40 %. Zdálo by se, že tím je problém svařování vyřešen, ale efektivnímu využití při takové úpravě vadí limitovaná efektivnost konverze mikro- a milisekundových laserů, což pak snižuje efektivnost celého procesu. V Laser Zentrum Hannover, který se touto problematikou zabývá, se bral v úvahu při hledání optimálního laserového způsobu zpracování slitin mědi i nárůst absorpce paprsku laseru mědí při zvýšené teplotě. Ta stoupá zpočátku lineárně z původních 5 % na 10 %, při dosažení teploty tavení (1 350 K), při přechodu z pevné fáze do taveniny se skokově zvyšuje až na čtyřnásobek. Při dalším růstu teploty je průběh nárůstu absorpce opět lineární. Takové úvahy sice vedly k doporučení předehřevu mědi v intervalu 0,5 až 1 ms, kdy ale při konstantním výkonu v pulzu při přehřátí lázně svaru může dojít na svaru k nežádoucím kapičkovým výstřikům a tedy nekvalitnímu svaru. K potlačení tohoto jevu a při zvážení i všech předchozích poznatků doporučují v LZH jako optimální verzi svařování Cu svařování ve vlnovém mixu, kdy paprsek na vlnové délce 532 nm (zelený) se překryje pulzem s vlnovou délkou 1 µm (infračervená). Zelená složka se lépe absorbuje, ohřívá měděný povrch od středu k okraji svařovaného bodu. Tím stoupá teplota mědi a s tím i absorpce paprsku při obou vlnových délkách. Průběh výkonu v pulzu ukazuje obr. 3 formování pulzu při „mix svařování".

Kontakty elektronického obvodu na destičce plošného spoje, přivařené laserem při aplikaci tzv. předpulzního modulu - při počátečním zeleném a hlavním IR pulzu.
Ukázka pájených spojů měděných, původně lakovaných vodičů, způsobem vyvinutým v ILT. Odizolování i pájení probíhá automaticky v jednom cyklu.

Pokud se paprsek skládá z 15 % zelené a 85 % IR, absorbuje se za běžné teploty prostředí přibližně stejné množství energie z obou zdrojů. Zároveň ale dvojnásobek absorbovaného množství energie oproti jen čistému svařování IR. Testy, prováděné v LZH prokázaly, že při jen IR svařování bodových svarů dochází ke značnému rozptylu dosažených průměru svarů a některé svary nebyly ani provedeny. Při mix svařování se dosáhlo rovnoměrnosti průměru bodů i dobré reprodukovatelnosti kvality svarů. Zkoušky probíhaly při fokusaci na 300 µm silný měděný pásek, vzduchová mezera na spodní části pásku byla 2 mm, výkon v pulzu paprsku během tavicí fáze dosahoval 1,8 kW.

Využívání obnovitelných zdrojů energií

Svařování čisté mědi (E-Cu) není však jedinou novou technologií zpracování mědi laserem. Německo, které si dalo za úkol stát se vůdčí zemí u řady využívání nekonvenčních technologií, jakými jsou např. využívání obnovitelných zdrojů energií nebo vývoj a zavádění elektromobilů, kde všude nachází měď rostoucí uplatnění, vypsalo prostřednictvím Spolkového ministerstva pro vzdělání a výzkum BMBF hned několik projektů, které se zpracováním mědi laserem zabývají. Na projektu označeném CuBriLas spolupracuje celá řada vývojových pracovišť i výrobců laserů. Trumpf k tomu přispívá svým diskovým laserem s vyzařováním v zelené části spektra. Při této frekvenci dosahuje výkonu 200 W v plynulém režimu při standardně vysoké jakosti paprsku. Bosch a Siemens jsou názoru, že tam, kde se nevyžaduje při svařování mědi vysoká kvalita, stačí jen užití zeleného laseru. IFSW (Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart) se zaměřuje při mix svařování na optiku Precitec s aplikací pro bronz CuSn6 a ILT (Fraunhofer Institut f.Lasertechnik) mezi svými úkoly prověřuje hloubku svařování na slitině CuFe2P.

Vložka formy s chladicími kanálky z Cu slitiny Hovadur K22O, vyrobená způsobem SLM. Umožňuje rychlý odvod tepla z kritických míst při vstřikování plastů.

V jiném projektu Supreme, kde nositelem úkolu je PTKA Karslruhe a kde úkol je orientován na vývoj pro malé a střední podniky, vyvinul LZH spolu s firmou neoLase k technologii přivařování měděných vodičů na elektronické systémy, tzv. předpulzový  modul, postavený na stejném principu jako u předchozího projektu. Prvotní část pulzu v rozsahu několika ns probíhá při zeleném paprsku s vlnovou délkou 532 nm při výkonu max. 1 MW a uvádí hlavní část pulzu za působení IR paprsků běžného svařovacího laseru. Při zkouškách prototypu modulu u neoLASE byl použit k přivařování měděný pásek šířky 2 mm a tloušťky 80 µm. Opakovatelnost v sérii 200 svarů prokázala 100% kvalitu při rovnoměrnosti procesů a navíc redukci výkonu samotného svařovacího laseru o 40 %.

Automatizované pájení měděných lakovaných drátů

Častým případem kontaktování měděných vodičů na díly elektronických systémů je i pájení jejich konců ve stavu ještě jako izolovaný lakovaný vodič. Většinou se taková potřeba vyskytuje v malosériové výrobě nebo třeba i při pájení jen jednoho spoje. Zatím tyto procesy probíhaly ručně, přičemž nejisté bylo jak samotné odstraňování lakované vrstvy páječkou, tak i kvalita vlastního pájení. Nevýhodné pro odizolování jsou svou složitostí procesů i chemické nebo mechanické způsoby. Ve Fraunhofer Institutu ILT vyvinuli pro takový proces pájení konců měděných, ale izolovaných drátů bezkontaktní laserový automatizovaný postup, který v jednom kroku zahrnuje jak odizolování, tak i kontaktování. Předností je hned několik - přesnost a reprodukovatelnost systému, spočívající na řízení procesu pyrometry a bezdotykový postup s využitím i při krajní miniaturizaci elektronických systémů. Metoda z ILT je využitelná již od 1 spoje výše.

Porovnání velikosti u technologií mikrospékání

Laserové mikrosvařování silových vodičů

Elektromobilita, zkrácené označení pro vývoj elektromobilů, dala ve Fraunhofer Institutu ILT podnět k vývoji nového postupu pro laserové mikrosvařování i silových, silně zatěžovaných spojů na cestě akumulátor - výkonová elektronika - elektromotor. Rozhraním tu bývají polovodičové proudové a napěťové převodníky s Al nebo Cu spoji, kde zatěžované spoje byly doposud svařované ultrazvukem, což přinášelo nebezpečí mechanického poškození nosného keramického substrátu. V ILT proto vyvinuli pro napojování silně zatěžovaných hliníkových nebo měděných vodičů na komponenty silové elektroniky metodu odvozenou od laserového mikrosvařování. Napojení spojů je buď přeplátováním, nebo při větších tloušťkách plechu kolem 0,8 mm koutovým svarem. Proces poskytuje pro výrobce bateriových kompletů spolehlivé řešení svařování bez jakéhokoliv přídavného materiálu.

Měď a Selective Laser Melting

V ILT, jak už sám název napovídá (Institut für Lasertechnik), se zabývají co nejširším spektrem laserových průmyslových technologií - zpracováním mědi a jejích slitin i výrobou prostorových tvarovaných dílů, které mohou pro svou dobrou tepelnou vodivost sloužit kupř. i jako vložky forem na vstřikování plastů, kde rychleji odvádějí teplo z kritických míst plastového výlisku. Způsob Selective Laser Melting (SLM), vytváření výrobku podle digitalizovaných dat ve vrstvách natavováním práškového materiálu laserem, je u řady materiálů už léta známým osvědčeným postupem. Při zkouškách s mědí se však ukázalo, že pro její fyzikální vlastnosti nejsou natavované vrstvy kvalitní, vytvářejí se v nich rysky a natavované minikuličky. Ty byly přitom větší než tloušťka vrstvy a narušovaly další postup. V ILT nyní přišli na nový modifikovaný postup SLM, kdy místo obvyklého výkonu laseru 200 W, který se u těchto metod používá, zvolili při zpracovávání prášku ze slitiny Hovadur K220 výkon 1 000 W. Postup byl natolik úspěšný, že bylo možné vytvořit u měděného polotovaru vložek forem i miniaturní chladicí kanálky. Úkolem ale pro ILT zatím zůstává zpracování prášků z čisté mědi, kde tepelná vodivost je přibližně dvojnásobná oproti slitině Hovadur K220.

Měď, hliník a Selective Laser Sinterimg

Od metody vytváření výrobku laserovým natavováním vrstev z práškového materiálu SLM se postup Selective Laser Sintering SLS odlišuje nižší teplotou, než je teplota tavení práškového materiálu, a za této teploty pak spékáním vrstev do konečného produktu. Tady se současné vývojové práce, které tentokrát probíhají na U 3D-Micromac AG,  zabývají mikrospékáním miniaturních tvarů.z různých materiálů, včetně prášků slitin mědi a prášků slitin hliníku. Limitem miniaturizace je tu průměr fokusovaného laserového paprsku,  tloušťka vrstev a velikost zrn prášků.  Současně komerčně dostupná zařízení pro postupy SLS pracují s tloušťkou vrstev 20-100 µm. Při průměru fokusovaného laserového paprsku  20-500 µm nebylo možné dosud dojít pod tvarové rozlišení 150 µm (pro srovnání postupy frézování dosahují rozlišení i 20 µm). K naplnění cíle došlo až u sub-µm zrn kovových prášků, kdy se u metody SLS dosáhlo tvarového rozlišení i pod 30 µm při drsnosti povrchu Ra do 1,5 µm.

Al slitiny a SLM

Využití metody Selective Laser Melting SLM pro slitiny hliníku řeší úkol „AluGenerativ", podporovaný tentokrát společností Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG. ILT - opět jako řešitel projektu tu spolupracuje hlavně s firmami z automobilového průmyslu, především pak s firmou BMW a Festo. Testy, které probíhaly při užití slitiny AlSi10Mg z hlediska absolutní hustoty, sledovaly závislost mezi výkonem laseru a rychlostí skenování. Při výkonu laseru 150 W bylo třeba dodržet rychlost skenování 100 mm.s-1, při výkonu laseru 250 W ji bylo možné zvýšit až na 500 mm.s-1. Porózita u těchto dílů byla nižší (<1 %) než u dílů tlakově odlévaných (cca 3 %), mechanické vlastnosti dílů u obou technologií byly obdobné, u některých ukazatelů, jako je pevnost v tahu nebo mez kluzu, u SLM dokonce i lepší. Postup SLM se oproti tlakovému lití ukázal i jako daleko hospodárnější a rychlejší.

Ing. Jiří Šmíd

smid@gmail.com

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit v digitální trafice PUBLERO

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 110729
Datum: 28. 06. 2011
Rubrika: Výroba / Nekonvenční technologie
Autor:
Firmy
Související články
Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

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.

Související články
Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Horké komory pro práci s radioaktivním materiálem

V Řeži u Prahy bylo vybudováno nové výzkumné centrum, jehož součástí byla také výstavba kom-plexu horkých komor. Účelem výstavby bylo vytvořit pracoviště pro bezpečnou práci s vysoce radi-oaktivním materiálem. Po pěti letech budování se na začátku roku 2017 podařilo úspěšně zahájit aktivní provoz laboratoří, které jsou schopné zpracování, mechanického testování a mikrostrukturní analýzy radioaktivních materiálů (tlakové nádoby, vnitřní vestavby reaktorů, pokrytí paliva) s aktivi-tou až 300 TBq 60Co, materiálů pro reaktory III. a IV. generace a fúzní reaktory.

Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Síla nápadu, síla vůle

Jaro – a možná nejen jaro – 2020 vejde vinou rozšíření nemoci covid-19 do dějin ekonomiky i společenského dění jako nová, draze vykoupená zkušenost. Na druhé straně už dnes přináší nové výzvy, generuje nápady, motivuje k sounáležitosti. Podívejme se nyní na několik příkladů, zejména z oblasti různých typů výroby, kde firmy ani lidé nerezignovali. Právě naopak..

Elektromobilita pro energetickou nezávislost

Téměř veškeré hlavní fosilní zdroje energie planety – ropa nebo uhlí, se nacházejí v nějak problematických oblastech, ať už místem, nebo politicky, či ekonomicky, a závislost na nich je snadno zneužitelná. Proto je snaha o energetickou samostatnost tak strategicky důležitá pro celou Evropu.

Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Cena MM Award na EMO 2019

Také v roce 2019 došlo na udílení cen MM Award. Jedná se o oficiální a jediné ceny udělované na veletrhu EMO. Porota i letos vybírala z mnoha přihlášených exponátů, nejen německých výrobců. Do užšího výběru se jich dostalo jen pár, a nakonec bylo rozdáno pět hlavních cen v pěti kategoriích. S prázdnou neodešly ani firmy, jejichž produkty se ocitly na druhém a třetím místě. I v tomto roce došlo k jistému „posunu“ ve vnímání obsahu jednotlivých kategorií, a tedy i oceněných produktů. Pojďme se podívat na vítězné exponáty podívat jednotlivě. Je to lehký nástin toho, jak EMO vidí němečtí kolegové.

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.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

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