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

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.

Laserové technologie pro dělení a odebírání materiálu

Nejrozšířenější technologií dělení materiálu za pomoci laseru je řezání. Řezání laserem může být provedeno několika způsoby. Jedním z nich je řezání pálením, které se využívá pro řezání konstrukční oceli, případně hliníkových plechů. Používá se pracovní plyn O2, o tlaku 1 až 5 bar. Hoření pomáhá dodávat energii, při průběhu reakce 4Fe + 3O2 => 2Fe2O3 + E, a tím dochází k většímu prořezu nebo se může používat vyšší rychlost řezání. Další možností je řezání tavné. Nejčastěji se používá pro řezání korozivzdorné oceli. Typicky je používán pracovní plyn N2 o tlaku 10 až 20 bar. Tento plyn je však inertní, takže energie je dodávána pouze laserovým paprskem a natavený materiál je plynem pouze vyfukován. Dnes lze laserem řezat konstrukční ocel až do tloušťky 50 mm při použití laserového zdroje o výkonu až 25 kW. Naopak u slabých plechů dosahují především vláknové lasery velmi vysokých rychlostí řezu až 60 m.min-1. Ale i u středně tlustých plechů nezůstává laser pozadu, což dokazuje firma Trumpf, která deklaruje řezání hliníku o tloušťce 5 mm rychlostí 25 m.min-1 za použití desetikilowattového laseru a kyslíku. V České republice je relativně velký výběr řezacích laserových strojů – kromě jmenované firmy Trumpf, která si vyrábí vlastní laserové zdroje, si lze tyto stroje koupit od společností Bystronic, MicroStep, Mazak, Vanad 2000, HK Laser & Systems a dalších. Ve většině případů mají laserové zdroje od firmy IPG Photonics. Další možností řezání laserem je sublimační řezání. Používá se pro netavitelné materiály, jako například dřevo nebo papír, za přítomnosti pracovního plynu N2, ale v současnosti proniká do průmyslu i pro kovové materiály pod názvem remote lasere cutting. Tento typ řezání při použití vysokovýkonného zdroje v kombinaci s rozmítací hlavou dosahuje rychlosti řezu přesahující 100 m.min-1. Zatím se však tento proces využívá pouze pro velmi tenké plechy a planžety, kde může nahrazovat vysekávání.


 Lasem je možné velmi přesné gravírování do forem pro vstřikování plastů.


Laser umožňuje velmi rychlé řezání slabých plechů i ve velkých formátech. Příkladem je příprava na diazoniovou vitráž od firmy Vanad 2000

Druhou technologií založenou na odebírání materiálu je laserové gravírování. Laserové gravírování do hloubky materiálu nachází své uplatnění při výrobě reliéfů a nápisů do vstřikovacích forem pro plasty. Technika vytvoření loga nebo nápisu do formy za pomoci laseru je výrazně jednodušší a flexibilnější než doposud využívané elektrovyjiskřování. Na českém trhu je celá řada firem nebo univerzit, které jsou schopny tyto reliéfy do forem nebo razníků vytvořit. Zajímavou aplikací gravírování je výroba utvářečů třísky do obráběcích nástrojů, a to jak do prototypů pro posouzení vhodnosti utvářeče na daný typ obrábění, tak i pro malosériovou výrobu. Laser si nachází své místo u zpracování nejen karbidových, ale i keramických nebo diamantových nástrojů, které až do nedávné doby byly zcela bez utvářečů. Právě pro obrábění materiálu, jako je diamant, je výhodné využívat laserové zdroje s ultrakrátkými pulzy. Každý materiál má jiný práh citlivosti na zahřátí laserovými pulzy, ale při požadavku na vysokou přesnost se vždy bude jednat o pulzy kratší než 10 ps, v mnoha případech kratší i než 3 ps. Při takto krátkém pulzu již nedochází k zahřátí materiálu a povrchová vrstva je odebírána takzvanou studenou ablací. Tato zařízení nabízejí zahraniční firmy Ewag, DMG Mori nebo Georg Fischer +GF+ a samozřejmě potom celá řada integrátorů, kteří jsou schopni implementovat vhodný laserový pikosekundový zdroj do stroje pro přesné obrábění, jako jsou například firmy Lintech nebo Lascam. Zařízeními schopnými obrábění na té nejvyšší úrovni u nás disponují například firmy Hofmeister nebo Rotana. Obě firmy pracují na výzkumu a jsou v tomto oboru velmi daleko dokonce i ve světovém měřítku. Na výzkumu se samozřejmě podílejí také univerzity, jako je ČVUT v Praze nebo ZČU v Plzni, a vyvíjejí společně s firmami techniky zpracování hran řezných nástrojů.


Laserové čištění si nachází stále více uplatnění při odstraňování rzi, nečistot nebo nátěrů.


 3D tiskem již lze vyrábět velmi exponované dílce, jako jsou lopatky oběžného kola.

Třetí technologií úběru materiálu je laserové čištění, které nachází svoje uplatnění nejen v průmyslové výrobě při přípravě dílců pro další operaci, ale i v opravárenství nebo údržbě. Existují již stovky aplikací laserového čištění, protože oproti klasickým technologiím, jako je chemické čištění nebo např. tryskání suchým ledem, je výrazně ekologicky šetrnější a ve výsledku i ekonomicky výhodnější. Právě výsledná cena procesu je to, co firmy nutí k počáteční velké investici do laserového zdroje, protože následné náklady na provoz a údržbu jsou několikanásobně nižší než v případě ostatních technologií. Jak bylo již předesláno, povrchy lze čistit při výrobě před samotným barvením nebo před aplikací další technologie. Odstraňována může být jak rez, tak i mastnota nebo jakékoli další nečistoty. V minulosti se mluvilo o laserovém čištění spíše ve spojitosti s restaurátorstvím obrazů nebo soch, ale v současnosti se využívá laseru od rutinních oprav strojních komponent až po odrezování veteránů. Nyní existují firmy, u kterých je možné objednat laserové čištění jako službu. Jedná se například o firmy Dysk nebo MW-dias. Ale pokud máte zájem o implementaci čisticího laseru do stávajícího provozu, je dobré obrátit se na firmy, které se laserovým čištěním zabývají již řadu let – např. Lascam systems nebo Narran.

Spojování materiálu rychlostí světla

Laserem je možné docílit běžného svařování, a to technikou pro tupé, koutové, přeplátované nebo i bodové spoje. Právě variabilita laseru otevírá možnosti pro pokročilé způsoby výroby různých součástí. Nejtypičtějším způsobem laserového svařování natupo je za pomoci tzv. keyhole neboli klíčové dírky. Laser natavuje materiál, po jeho průchodu se materiál spojuje a tím vzniklý tvar se podobá klíčové dírce. Výroba přeplátovaných svarů se provádí jak na kovových, tak i na plastových součástech. Plasty mají navíc tu výhodu, že lze vytvořit neviditelný svar uvnitř součásti. Tato technika je založena na využití jednoho pro laser transparentního materiálu a druhého materiálu, který laserové záření absorbuje. Tento typ laserového svařování se hojně využívá pro plastové autodílce v řadě firem. Výzkumnou institucí, která se zabývá svařováním plastů laserem, je Výzkumný ústav textilních strojů v Liberci.



 Hybridní výroba složitých dílců kombinuje navařování složitých tvarů nebo celého dílce s následným obráběním na čisto.

Hned několik firem nabízí pro laserové svařování speciální rozmítací hlavy, zvané také wobbling heads, které jsou schopny s přesností zkušeného svářeče míchat se svarovou lázní, a tak zlepšovat proces svařování a tím i výslednou pevnost spoje. Rozmítací hlavy se využívá i při náhradě bodového svařování. Firma IPG Photonics nabízí bodovací kleště zvané seam stepper, které mají v sobě zabudovaný laser. Tato technika se již využívá v automotive pro svařování karoserií – například pro Volkswagen Golf VII. Samostatně nebo v kombinaci s rozmítací hlavou je možné využít také rozdělovač svazku, díky němuž se může regulovat vnesené teplo, a tím ještě zlepšit kvalita svaru nebo pájeného spoje. Pájení laserem i s využitím popisovaných technik se již běžně využívá například při spojování boku a střechy automobilu. Poslední dobou se ukazuje, že nejen průvar, ale právě dynamika svarové lázně při laserovém svařování hraje velkou roli na kvalitu a pevnost výsledného spoje. Díky pokročilé optice je tak možné rozdělovat laserový svazek na střed a obvod, kde zvolení správného poměru intenzity může vést ke zklidnění svarové lázně, a tím k eliminaci odlétajícího kovu a vytváření perel.


Aditivní technologie umožňují výrobu odlehčených součástí.

Další, nyní velmi rychle rostoucí oblastí je laserové navařování a 3D tisk. Pokud bychom se bavili o kovovém 3D tisku, měla by se nám jako první vybavit technika laser powder bed fusion, která je základem pro výrobu 3D tištěných dílců. Nyní existuje celá řada modifikací této technologie, kde je využíváno vakua, argonu, několika laserových zdrojů, předehřevu nebo speciálních technik dokončování. Ale všechny jsou založeny na spékání prášku nanášeného ve vrstvách, dokud se nedosáhne požadovaného tvaru výrobku. Následně je výrobek tepelně zpracován z důvodu vyrovnání zbytkového napětí a odříznut z palety. Výrobek lze dále zpracovávat tryskáním nebo leštěním na vybraných površích nebo obráběním dosedacích ploch na rozměr. Nyní výrobci zařízení pracují na zlepšení automatizace celého procesu od návrhu až po realizaci tak, aby zapadl do koncepce Průmyslu 4.0. Vybírat si můžeme hned z několika firem, které nabízejí 3D tiskové stroje. Nejvíce prodaných zařízení v naší zemi má firma Concept Laser, vlastněná nyní firmou General Electric a distribuovaná firmou Misan z Lysé nad Labem. Dalšími možnostmi jsou firmy Trumpf, Renishaw, Materialise nebo EOS.

Trend vylepšování technologie je vidět i v běžné výrobě. Ještě nedávno byla jednou z hlavních otázek uživatelů, „jaké jsou vlastnosti výtisku v porovnání s výrobou konvenčními technologiemi?“. Všechny zajímalo, kolik procent pevnosti, tažnosti, tvrdosti nebo zaplněného objemu má součást oproti výrobku z bloku. Nyní se uživatelé ptají také, ale již vchází do povědomí, že součást se může vyrobit na míru, a to není jen otázkou rozměrů, ale i možnost rozložení napětí, povrchových vlastností nebo dokonce složení materiálu. Vracíme se tedy na začátek samotného procesu, kde konstruktér musí být dobrý technolog a uvědomovat si možnosti a limity výroby. Konstruktér tak může navrhnout součást, která může mít perfektní užitné vlastnosti, musí však vzít v potaz zcela odlišnou technologičnost konstrukce než pro konvenčně vyráběné díly. Po krátké diskuzi s uživateli technologie není obtížné pochopit, že právě technologická znalost je to, co je na celém procesu tak důležité. Při nedodržení všech zásad pro kvalitní tisk totiž dochází k obrovským deformacím, někdy dokonce i k prasknutí celého dílce. Stejně jako je tomu v obrábění, neexistuje univerzální postup pro výrobu kvalitní součásti. Z toho plyne, že na 3D technologie musíme přestat pohlížet jako na všespásné, jako by s nimi bylo možné vyrobit cokoli na jedno stisknutí tlačítka. K 3D tisku se konečně musí začít přistupovat jako ke každé jiné technologii a zvažovat tedy, jaká je cena výroby a jaké výhody mi takto vyrobený dílec přinese, jednoduše zda se zavádění této technologie vyplatí. Takové aplikace existují a čím dál tím více jich přibývá. Krásným příkladem je výroba forem pro vstřikování plastů. Forma je díky vyrobenému systému chlazení schopna vyrábět stejnou součást až s dvojnásobnou produktivitou. Když si vezmeme v úvahu velkosériovou výrobu, mohu vyrábět rychleji nebo nepotřebuji tak velké množství strojů, jejichž cena je mnohonásobně vyšší než cena vytištěné formy. Vedlejším efektem použití dokonalejšího chlazení vyrobeného 3D tiskem je zlepšení přesnosti, protože se výrazně sníží deformace zapříčiněné právě nerovnoměrným chladnutím. Důkazem využitelnosti této technologie jsou firmy Siemens, Honeywell nebo výše zmíněné General Electric.


Laserové kalení tvářecích nástrojů je velmi efektivní a produktivní technika s velmi dobrými výsledky.

Již dlouhou dobu používanou technologií je laserové navařování, které nachází své místo především v opravárenství, ale může být využito i při výrobě jednodušších tvarů, a to i na rotační součásti. Navařování je velmi často integrováno v kombinaci s obráběcím strojem. Hybridní technologie oproti samotnému 3D tisku mají hned několik výhod. Součást se vyrábí většinou na jedno upnutí, proto může být dosaženo vyšší přesnosti a i celkový čas výroby součásti bývá zpravidla nižší. Hybridními metodami je také ve větším poměru zastoupena výroba namáhaných součástí oproti klasickému 3D tisku, kde se část produkce orientuje i na designové výrobky. Největší nevýhodou je neekonomičnost samotného procesu výroby. Stejně jako u multifunkčních center při sériové výrobě se vyplatí jednodušší operace nechat pro jiné, jednodušší stroje, také pro aditivní a hybridní výrobu musí být rozhodnuto, zda není výhodnější vyrábět součást odděleně. Náklady na pořízení hybridního stroje se často šplhají velmi vysoko a mohou dosáhnout i dvojnásobku klasického pětiosého centra. Také se nesmí opomenout ruční navařování za pomoci laseru. Toto navařování, případně svařování, je využíváno v opravárenství, při výrobě přesných dílců nebo při výrobě bižuterie.

Různí výrobci produkčních strojů volí různé strategie v přístupu ke stavbě součásti a od toho se pak odvíjejí technologické možnosti, přesnost a samotná cena stroje. Firma DMG Mori nyní nově nabízí stroj LaserTec 65 3D, který může být zakoupen bez možnosti obrábění. Je tedy vidět trend firmy znovuoddělení technologií z ekonomických důvodů, a pak nabídka nového stroje firmy DMG Mori pro technologii SLM je důkazem, že zatím neexistuje žádný univerzální stroj pro aditivní výrobu a kombinace technologií bude ještě dlouho nutností. Firma Mazak ve svém portfoliu vedle obráběcích strojů nabízí již řadu let řezací lasery a 3D tiskové stroje. Nejdéle nabízený 3D tiskový hybridní stroj pracuje na základě technologie navařování laserem. Mazak spolupracuje s jihoafrickou firmou Hybrid Manufacturing Technologies, která dodává navařovací hlavy několika rozměrů pro produktivní nebo přesné navařování. Pozadu nezůstává ani firma Okuma nebo celá řada dalších firem. Alternativní možností je hybridní stroj kombinující klasický obráběcí stroj (pětiosé frézovací centrum) a svařování obloukem technologiemi MIG/MAG. Cena stroje s možností klasického svařování může být výrazně nižší než v případě laseru, stejně jako je tomu v případě hybridního stroje Weldprint nabízeného firmou Kovosvit MAS.

Úprava a vylepšení funkce povrchu

Technologií, které se podařilo proniknout do běžných strojních aplikací, je kalení laserem. Laserem se dnes povrchově kalí hřídele, ozubená kola nebo tvářecí nástroje. Právě při úpravě střižníků a tažníků se plně využívají výhody laserového kalení, jako je přesnost a opakovatelnost zpracování. Při laserovém kalení je zohledněn tvar součásti, a tím je dosaženo stejného prokalení jak na výstupcích, tak v dolinách. Zpětnovazebné řízení výkonu laseru navíc zajišťuje, že i při jakékoli nepřesnosti bude dosaženo stejných výsledků. Díky těmto vlastnostem laserové kalení nalézá čím dál více aplikací a dá se předpokládat, že tomu tak bude i v nejbližší budoucnosti. Laserové kalení jako službu nabízí například firma LaserTherm, Matex PM nebo firma Raptech.

Druhou technologií, která na rozdíl od laserového kalení zatím neprorazila do masové výroby, je laserové přetavování. Laserem je možné přetavit povrchovou vrstvu součásti, což může mít za následek zjemnění zrna nebo změnu vlastností obecně. Tato technologie se ukazuje jako velmi výhodná pro výrobky vyráběné práškovou metalurgií.






Mikroobrábění a funkcionalizace povrchu za účelem dosažení hydrofobních nebo hydrofilních vlastností


Ovšem nejrozšířenější aplikací laseru pro úpravu povrchu je vytváření nápisů. Laserové popisování nachází svoji funkci u hotových výrobků ve všech odvětvích. Buďto se jedná o odebrání slabé vrstvy materiálu nebo o místní zahřátí materiálu a tím změnu jeho barvy. Odebírání slabé vrstvy se používá například u eloxovaných plechů, čímž se vytvoří krásný bílý nápis, nebo u průhledných plastů s barvou na povrchu, jako jsou například tlačítka v automobilu – při podsvícení pak nápis svítí. Nebo se laserem pouze zahřeje povrch a tím se místně změní jeho barva. U ocelí se tento proces nazývá černění, i když výsledkem nemusí být pouze černá barva, ale lze dosáhnout celého barevného spektra. Když je materiál správně zahřátý, lze získat definované barevné odstíny. Změny barvy laserovým popisováním se využívá i v případě plastů. V plastu je většinově již obsažené barvivo, které s laserem reaguje. Popisují se tak celé řady dílců v automotive nebo dokonce i typické žluté visačky, jaké má v uších dobytek. Laserový popis vstupuje čím dál více do výroby v podobě identifikačního čísla nebo QR kódu dílce. Ten je pak místo průvodky vždy před každým pracovištěm skenován a tak se sleduje jeho cesta. Laserem se tedy nahrazuje tisk inkoustem, který je náchylný na celou řadu faktorů a na rozdíl od laserového popisu není vždy zcela čitelný. S technologií značení a implementací do provozu dokáže pomoci firma Mark Industries nebo firma Lintech.


Laserové značení QR kódu na součást ve výrobě

Speciálním odvětvím úpravy povrchu je laserové texturování. I když by někdo mohl namítat, že se jedná o odebírání povrchu a technologie by tak měla patřit do první kategorie, při texturování není důležitý tvar, ale funkce. Z tohoto důvodu se lze také setkat s pojmem funkcionalizace povrchu, kde se právě laserovým texturováním snažíme dosáhnout zlepšení určité funkce součásti. Texturování se provádí z nejrůznějších důvodů změny povrchových vlastností. Například periodické struktury nebo řízená změna drsnosti se laserem aplikují na formy pro vstřikování plastů pro dosažení optických vlastností povrchu. Struktura ale může sloužit i pro dosažení zlepšení zabíravosti lepidla na lepených plochách nebo může zvýšit silový styk u lisovaných spojů. Speciálním odvětvím úpravy povrchů je dosažení hydrofobních nebo hydrofilních vlastností. Změna hydrofobicity může zlepšovat stékání nebo naopak zachycování kapaliny na povrchu, podporovat samočisticí nebo korozní vlastnosti povrchu nebo přilnavost barvy či nástřiku na podklad. Příkladem je vytvoření mikroskopické „žraločí kůže“ na povrchu součásti nebo vnitřku potrubí, což má za následek snížení tření mezi povrchem a kapalinou. Dalším, v budoucnu velice slibným využitím laserového texturování je výroba „anti-ice“ nenamrzajících povrchů využitelných na křídlech letadel nebo v kryogenice. Laserem lze také definovat frikční vlastnosti. Na kluzné plochy je možné vytvořit mikroskopické jamky, které slouží jako zásobárny oleje. Poslední, ale neméně důležitou oblastí laserového texturování jsou biokompatibilní povrchy. Na površích se již desetiletí různými technologiemi vyrábějí struktury podporující růst buněk, ale právě laserové zpracování krátkopulzními lasery umožnuje variabilní možnosti procesu s velmi dobrou opakovatelností. Funkcionalizací povrchu se na velmi profesionální úrovni zabývá firma Hofmeister, technické univerzity v Praze, Plzni a Brně nebo aplikačně zaměřené laserové centrum HiLASE v Dolních Břežanech.

Vhodným způsobem dokončování vyráběných součástí se jeví i metoda laser shock peening. Tato metoda vyvíjená také v Dolních Břežanech v laserovém výzkumném centru HiLASE je založena na vnášení zbytkových napětí za pomoci vysokoenergetických pulzů laseru a oproti konvenčním metodám má hned několik výhod. První výhodou je velká hloubka zpevnění, přesahující i 1 mm. Součást je tak efektivně chráněna proti cyklickému namáhání do velké hloubky. Druhou výhodou je možnost zpracování libovolného tvaru součásti, a navíc díky přesnému zacílení laseru na povrch součásti mohou být zpevněny jen plochy náchylné na vytváření únavových trhlin. LSP metodu tak můžeme využívat u zpracování náběžných hran lopatek nebo u vysoce exponovaných svarů, návarů či 3D výtisků. Nyní se také ukazuje, že metodu lze použít pro snížení otěru, vlivu kavitace nebo pro zbavení se nepříznivých napětí v nástrojích.

V uplynulých dvaceti letech výkon laserových zdrojů a implementace pokročilého řízení umožnily prudký nárůst laserových technologií, a jak je vidět, lasery mají opravdu široké využití pro nejrůznější oblasti výroby. Díky vývoji nových laserových zdrojů lze předpokládat, že se jejich podíl ve výrobě bude ještě zvětšovat a laser bude stále nalézat nové využití.

 

HiLASE Centrum, Fyzikální ústav AV ČR

Ing. Jan Brajer, Ph.D.

brajer@fzu.cz

www.rcmt.cvut.cz 

Další články

Technologie pro povrchové úpravy
Materiály konstrukční kovové
Technologie spojování/ dělení materiálů
Nekonvenční technologie
Technologie zpracování pryže/ plastů

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: