Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Unikátní laserové technologie v praxi
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Unikátní laserové technologie v praxi

Je možné na tomtéž pracovišti provádět teplené zpracování materiálu, pak během několika minut vyměnit nástroj a začít třeba svařovat? Ovšemže ano - právě takovými technologickými možnostmi disponuje firma LaserTherm, vybavená moderními robotizovanými laserovými systémy.

Tuto informaci jsem si vyhledal na internetu poté, co jsem obdržel pozvání od společnost FANUC Robotics k návštěvě plzeňské firmy LaserTherm. O to víc jsem pak byl zvědav na to, co nás v Plzni čeká. Po příjezdu do firmy nás přivítali inženýr Ondřej Soukup, zakladatel společnosti, a pan Zdeněk Turek, jednatel společnosti ARC-Robotics, která je systémovým integrátorem robotů Fanuc. Oba se během návštěvy stali našimi průvodci.

Trochu historie

Ing. Soukup byl původně vedoucím pracovníkem oddělení vysokovýkonných laserů Výzkumného centra nových technologií na Západočeské univerzitě v Plzni. Sem byl před šesti lety pořízen první vysokovýkonný laser od americké firmy Coherent, určený pro tepelné zpracování materiálu – konkrétně povrchové kalení – a pro svařování a navařování. Jednalo se o robotizované pracoviště a výběrové řízení na dodávku robotu tehdy vyhrála společnost ARC-H, z jejíž robotické divize později vznikla dnešní společnost ARC-Robotics. Centrum v dnešní době disponuje třemi laserovými pracovišti a jeho pracovní náplní je výzkumná činnost a vývoj nových technologií.


Pohled do výrobní haly společnosti LaserTherm se třemi roboty Fanuc a dvěma vysokovýkonnými lasery

V roce 2011 Ing. Soukup založil společnost LaserTherm, která se zaměřila na využití zmíněných technologií v komerční průmyslové praxi. Firma je vybavena třemi robotizovanými pracovišti pro zakázkovou výrobu a kromě toho je ve spolupráci se společnostmi ARC-Robotics a Laserline dodavatelem robotizovaných laserových systémů pro průmyslové technologie. Ale nyní se již pojďme podívat do provozu.

Technologické vybavení

V prostorné výrobní hale upoutají pozornost tři šestiosé průmyslové roboty Fanuc, k nimž náleží dva diodové lasery v podobě nenápadných plechových skříní stojících při stěně haly spolu s řídicími systémy robotů. Od laserového zdroje je paprsek veden optickým vláknem k laserové hlavě uchycené na zápěstí robotu. Pro každou z uvedených technologií se používá speciální laserová hlava. Změna technologie je dána výměnou jedné hlavy za jinou a spuštěním odpovídajícího programu, což je otázkou několika minut. Výkonnější 6 600W laser díky dvěma světlovodným vývodům obslouží dvě pracoviště obsluhovaná roboty Fanuc M-20iA/10L a Fanuc M-710iC/50. Třetí pracoviště, rovněž s robotem Fanuc M-710iC/50, má svůj vlastní laserový zdroj s výkonem 5 500 W. Výkony laserů lze v návaznosti na technologické požadavky plynule řídit v rozmezí od jednotek wattů až po maximální výkon. Pro zpracování zejména rotačních dílů jsou dále k dispozici jedno- a dvouosá polohovadla plně synchronizovaná s pohybem robotů. Technologie umožňuje zpracovávat několikagramové součásti stejně jako díly o hmotnosti až několika desítek tun.

 
Pohled do skříně laseru LDF 6000–40. Vpravo nahoře je vlastní diodový laser, dole připojení optických kabelů.

Laserové povrchové kalení

Po příchodu do haly jsme měli možnost sledovat průběh povrchového kalení šneku extrudéru pro plastikářský průmysl. Uvedený díl byl vyroben z nástrojové oceli a vzhledem k jeho délce tuto práci prováděl robot Fanuc M-20iA/10L, který je zde jako jediný umístěn na lineárním pojezdu o délce 4 m. To mu v kombinaci s dosahem robotu umožňuje zpracovávat součásti o délce až 7 m. Zmíněný díl této délky sice nedosahoval, ale i tak působil impozantním dojmem. Obsahoval totiž dvojitou šroubovici s proměnným stoupáním a plynule se měnící šířkou vnější plochy závitu a právě tu bylo třeba separátně zakalit. K tomu byl použit 6 600W laser a samozřejmě laserová kalicí hlava nesená robotem. Proces probíhá tak, že šroubovice upnutá do polohovadla se pomalu otáčí a nad ní se ve směru její osy pohybuje robot s laserovou hlavou sledující plochu šroubovice. Na kalenou plochu přitom dopadá laserový paprsek, jehož šířka se během procesu plynule mění tak, aby odpovídala šířce plochy v dané lokalitě. Současně je pomocí pyrometrů průběžně kontrolována teplota procesu a na základě měření je regulován výkon laseru. Tím je zaručeno, že součást je zpracovávána za definovaných a stálých podmínek.


Kalicí hlava na robotu Fanuc M-20iA/10L

Princip technologie

Na rozdíl od konvenčních kalicích postupů se u laserového kalení nepoužívá žádná ochlazovací lázeň, ale je využíván samoochlazovací efekt – laserový paprsek intenzivně ohřívá povrch materiálu a vnášené teplo je následně odváděno do základního materiálu, čímž dochází k ochlazování povrchu. Pro představu: po rozvedení tepla teplota součásti obvykle nepřesahuje 30 °C. Díky malému vnesenému teplu nedochází k deformacím dílu a je eliminováno nebezpečí vzniku trhlin. K dalším výhodám laserového povrchového kalení patří nízká energetická náročnost (ve srovnání s indukčním kalením je spotřeba energie řádově 10x nižší), a tím i ekonomická výhodnost, možnost lokálního zpracování požadovaných oblastí, jakož i vysoká rychlost, reprodukovatelnost a spolehlivost procesu. Zpracovávat lze všechny kalitelné materiály a je přitom možné dosáhnout hloubky prokalení až do cca 2,5 mm.


Laserové kalení hřebenů – laserová stopa je svou geometrií přizpůsobena libovolné výšce zubu, a tím dochází k požadovanému kalení pouze v lokálních místech. Foto: LaserTherm

Stojí za zmínku, že společnost LaserTherm je jedním z průkopníků v zavádění této technologie do praxe a díky dlouholeté spolupráci s firmou Laserline vlastní jednu z prvních kalicích hlavic, které tato firma vyrobila. V laserové hlavě je laserový paprsek optikou upraven do tvaru pro požadovanou technologii. U tepelného zpracování je nutné, aby byla hustota záření po celé šířce paprsku stále stejná, a to i v případě, že se mění rozměr paprsku. Naopak u svařovací hlavy je paprsek fokusován do co nejmenšího bodu.

Laserové navařování

Další využívanou technologií je laserové navařování, kdy se do laserového paprsku vsypává práškový materiál, jenž se taví a na součásti vytváří funkční návar. Takto lze na základní materiál nanášet funkční vrstvy s požadovanými vlastnostmi, k nimž patří otěruvzdornost, antikorozní vlastnosti, vytvoření tepelné bariéry, případně i kombinace uvedených vlastností. Touto metodou lze rovněž zachránit nebo repasovat součásti dříve neopravitelné a doplnit na ně chybějící materiál, ať už jde o chyby výroby, provozní opotřebení či poškození součásti.


Laserové kalení ojnic – laserové zpracování součástí pro drážní průmysl. Foto: LaserTherm

Oproti konvenčnímu přináší laserové navařování mnohem vyšší variabilitu. Například je možné na ocel navařovat bronzy, keramiku, wolfram, platinu aj. Rovněž lze navařovat ocelové slitiny na bronzy či kovy na keramiku. Poslední možnosti se využívá pro vytváření pevných vodivých spojů na součástech pracujících v extrémních podmínkách.


Pracoviště s robotem Fanuc M-710iC/50 osazeným svařovací hlavou. Na stole leží navařovací hlava.

Laserové svařování

Laserové svařování se využívá zejména v aplikacích, kde je kladen důraz na vysoké svařovací rychlosti, kvalitu svaru a nízké tepelné deformace. Pomocí laseru a robotu lze u plechů tlouštěk 1 až 5 mm dosáhnout rychlosti svařování až 5 m.min-1, což jsou oproti technologiím jako MIG nebo MAG rychlosti řádově vyšší. Výhodou je, že při těchto vysokých rychlostech součásti díky nízkému vnesenému teplu nepodléhají deformacím. Toho se v praxi využívá například u dlouhých svarů tenkých plechů, kde bývá kladen velký důraz na kvalitu svarů a kde jsou vyžadovány svařence bez deformací.

3D řezání laserem

Pro úplnost zmíním také technologii 3D řezání plechu, kterou firma LaserTherm právě zavádí. V současnosti řada firem nabízí 2D řezání na bázi laserových plotrů. Metoda 3D řezání oproti tomu umožňuje řezání na komplexních naohýbaných tvarech a odstraňuje tak nepřesnosti způsobené ohybem.

 
Uchycení svařovací hlavy na zápěstí robotu

Úloha systémového integrátora

Vše by samozřejmě bylo nemyslitelné bez spolehlivě pracujících robotů. Integrace používaných technologií s průmyslovými roboty na základě požadavků zákazníka je úkolem systémového integrátora. Jím je v tomto případě společnost ARC-Robotics, která své první zkušenosti s integrací robotů s vysokovýkonnými lasery získala při návrhu pracovišť ve výzkumném centru nových technologií na Západočeské univerzitě (v té době ovšem ještě jako ARC-H). Zkušenosti z jejich provozu pak byly využity i při návrhu a optimalizaci pracovišť ve firmě LaserTherm. V obou případech se samozřejmě jednalo o roboty Fanuc a vysokovýkonné lasery od společnosti Laserline. Instalací zařízení však práce systémového integrátora nekončí. Důležité je i poskytování technické podpory, kterou společnost LaserTherm využívá zejména při programování méně obvyklých úloh.


Pohled na laserovou navařovací hlavu s patrnými přívody pro navařovaný práškový materiál

Spolupráce s výzkumným centrem na ZČU

V oblasti vývoje společnost LaserTherm spolupracuje s Centrem laserových a automatizačních technologií, jež je součástí ústavu Nové technologie – výzkumné centrum Západočeské univerzity v Plzni. Spolupráce je výhodná pro obě strany, neboť společnost zaměstnává pouze osm většinou vysoce kvalifikovaných pracovníků, kteří se zabývají návrhem technologie a programováním robotů, a zajišťování vývoje vlastními silami by pro firmu bylo neekonomické. Pro univerzitu je naopak důležitá spolupráce s průmyslem a předávání výsledků výzkumu do praxe. Výzkumné centrum tak pro LaserTherm zajišťuje například detailní materiálovou analýzu zpracovávaných materiálů, měření technologických procesů apod. Neméně významnou skutečností je, že u společnosti LaserTherm nacházejí profesní uplatnění specialisté, absolventi doktorského studia, kteří jsou připravováni právě na výzkumném centru plzeňské univerzity.


Laserové navařování forem – lokální oprava funkčních hran a ploch střižných nástrojů metodou laserového navařování. Do laserového paprsku je přiváděn přídavný materiál v podobě prášku, který se difuzní vazbou propojí se základním materiálem. Foto: LaserTherm


Laserové navařování pouzder a strojních součástí – metodou laserového navařování lze opravovat strojní součásti, které byly chybně obrobeny.

Dodávky laserových systémů

Společnost LaserTherm kromě vlastní výroby zajišťuje i komplexní dodávky laserových systémů s vysokovýkonnými lasery značky Laserline pro průmyslové technologie – od návrhu přes odzkoušení technologie ve vlastním provozu až po zabudování do technologie zákazníka. Pracoviště jsou na základě příznivých zkušeností a dobré spolupráce se společností ARC-Robotics dodávána s roboty Fanuc, s nimiž je garantována plná funkčnost. Dodávka zahrnuje komplexní služby včetně technologické podpory. Investice do jednoho pracoviště se průměrně pohybuje v cenách kolem 10 až 12 mil. Kč. Výhodou laserové technologie jsou minimální provozní náklady, takže návratnost lze odhadovat na 2 až 3 roky. Ing. Soukup odhaduje, že jen na českém trhu se v budoucnu mohou uplatnit desítky až stovky takovýchto pracovišť. Také společnost LaserTherm pro uspokojení dalších zákazníků a snížení jejich nákladů na dopravu plánuje otevření svého dalšího pracoviště na Moravě.

Pavel Marek, Plzeň
Neoznačená foto: autor

Foto: LaserTherm

pavel.marek@mmspektrum.com


www.lasertherm.cz
www.fanucrobotics.cz
www.arc-robotics.cz
www.laserline.de
laser.zcu.cz


Tab. Vysokovýkonné lasery ve společnosti LaserTherm

Další články

Automatizace, regulace
Technologie spojování/ dělení materiálů
Nekonvenční technologie
Technologie tváření, slévárenství
Hutnictví/ Slévarenství

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: