Témata
Zdroj: CIIRC ČVUT

Výzkum laserových technologií: nové možnosti

Laserové technologie patří rozhodně k těm nejprogresivnějším procesům výroby. Některé z nich již nejsou pouhou alternativou nebo nekonvenční technologií, ale využívají se jako první volba, je tomu tak například při řezání nebo laserovém značení. Existují však procesy, které si své místo ve výrobě stále hledají, anebo takové, které postupně nahrazují zaběhlé technologie.

Jan Brajer

Laserovými technologiemi se zabývá od roku 2010, kdy již jako student Fakulty strojní ČVUT v Praze pracoval na vývoji výrobních technologií ve Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT). Poté začal pracovat na Akademii věd a nedlouho po obhájení doktorátu se v roce 2018 stal v Centru HiLASE vedoucím oddělení průmyslových aplikací laserů. Současně pracuje na FS ČVUT a CIIRC ČVUT. Nyní se zabývá hlavně přenosem nových laserových technologií do průmyslu, vede tým odborníků a určuje směr budoucího výzkumu.

Reklama

Veliký posun za poslední dobu udělalo laserové kalení, svařování a navařování, kde si dnes již můžete výrobu za pomoci těchto technologií v perfektní kvalitě objednat a na výběr máte hned několik možností, přičemž většina z nich je na Plzeňsku.

Reklama
Reklama

V návaznosti na potřeby českého průmyslu bylo v prostorách IPA CIIRC v rámci Testbedu Průmyslu 4.0 rozšířeno vybavení v oblasti výzkumu a vývoje laserových technologií. Investice do nového vybavení byla možná díky projektu RICAIP (Research and Innovation Centre on Advanced Industrial Production) spolufinancovanému z prostředků programu Evropské unie Horizon 2020 Widespread-01-2018-2019 – Teaming Phase 2 a národních zdrojů v rámci OP VVV. RICAIP naplňuje česko-německou spolupráci v oblasti Průmyslu 4.0. Jeho hlavním cílem je posunout odborné schopnosti a spolupráci v rámci Evropy. Centrum excelence RICAIP tak spojuje virtuálně testbedy v českých institutech CIIRC ČVUT a CEITEC VUT spolu s testbedem provozovaným předními německými výzkumnými institucemi – DFKI a ZeMA a integruje je do nové česko-německé výzkumné infrastruktury pro pokročilou průmyslovou výrobu. S tím je spojena i implementace high-tech aplikací obrábění, aditivní výroby nebo třeba laserových technologií. Záměrem je zařadit centrum RICAIP do Evropské výzkumné infrastruktury v oblasti Průmyslu 4.0. V tomto článku budou představena dvě unikátní zařízení a jejich možnosti.

Stanice pro vysokovýkonné technologie kombinující laserové navařování, svařování a řezání. Zdroj: CIIRC ČVUT

Vysokovýkonné laserové technologie

Technologie laserového svařování, řezání a navařování jsou integrovány do nového zařízení postaveného v pražských Dejvicích ve spolupráci s firmou Lascam Systems. Stanice je osazena průmyslovým robotem Kuka, který může postupně ovládat čtyři různé procesní hlavy a jeden manipulátor obrobků. Jádrem celého zařízení je vláknový laser od firmy IPG, který umožňuje testování technologií až do výkonu 6 kW. Laser má tedy dostatek výkonu na proříznutí nebo svaření plechů velké tloušťky nebo na zjištění limitů laserového navařování. Buňka je ale unikátní svou multifunkčností a možností simulace velice různorodých procesů, to neumí v podstatě žádné jiné zařízení na světě. Rozhraní připevněné na šesté ose robota umožňuje výměnu technologií v automatickém režimu, proto mohou být kombinovány jednotlivé technologie na jedno upnutí výrobku.

První integrovanou technologií je laserové svařování, pro tento účel byla zvolena procesní hlava IPG, která se teprve nedávno dostala na evropský trh. Tato hlava disponuje hned několika výhodami oproti klasickým svařovacím hlavám, tou první je takzvaný „wobbling“, který může být připodobněn k simulaci pohybu ruky svářeče. Za pomoci rozmítací optiky je tedy možné míchat se svarovou lázní a dosáhnout klidnějšího procesu a v konečném důsledku i lepšího průvaru nebo pevnějších svarů. Obecně lze říci, že laserové svařování má vyšší nároky na přípravu, aby byla dodržena kvalita výroby, díky této technice lze část těchto vad eliminovat, a proces se tak stává stabilnější a může dojít ke zvýšení důležité opakovatelnosti. Pohyb svazku může být také případně využíván pro sledování svarové linie a rychlou reakci na jakékoli změny ve výrobě.

Jan Brajer

„První integrovanou technologií je laserové svařování, pro tento účel byla zvolena procesní hlava IPG, která se teprve nedávno dostala na evropský trh.“ (Zdroj: CIIRC ČVUT)

Jako první v České republice bude toto pracoviště také disponovat koaxiální procesní hlavou pro navařování drátu. Koaxiální způsob navařování má obrovskou výhodu, protože na rozdíl od jiných metod není závislý na směru pohybu, a dává tím volnost navařování libovolného tvaru. Navařování drátu má navíc výhodu celistvého základního materiálu a téměř 100% účinnosti ve smyslu využití materiálu. Nezanedbatelnou výhodou je také bezpečnost procesu, protože není používán prášek, často v rozměrech ne příliš prospívajících tělu. Další výhodou je možnost navařování titanových slitin, které nacházejí své využití hlavně v leteckém průmyslu. Koaxiální navařování drátu je rozhodně velice zajímavou technologií, která rozhodně stojí za pozornost.

Tato možnost je doplněna alternativou navařování ve formě prášku, které se na rozdíl od drátu v průmyslu těší velké oblibě. My ale doufáme, že právě možností porovnání těchto dvou technologií navařování zodpovíme na otázky, s kterými firmy přicházejí, a budeme schopni pomoci vybrat ideální podmínky pro vývoj procesu.

Mikroobráběcí stanice kombinující nanosekundovaou a femtosekundovou technologii s možností pětiosého obrábění. Zdroj: CIIRC ČVUT

Poslední technologií, která je implementovaná v robotické buňce, je laserové řezání. Na rozdíl od většiny multifunkčních buněk integrujících svařování a navařování je v tomto případě využit vláknový laser s velice dobrou kvalitou svazku, který umožňuje řezání vysoké kvality. Řezání ideálním způsobem doplňuje možnosti tohoto multifunkčního zařízení, a díky tomu bude možno ze součásti určité prvky vyřezat, a následně jiné prvky navařit.

Laserové mikroobrábění

Na ČVUT v Praze je předmětem výzkumu technologie laserového mikroobrábění. Pod tímto pojmem si lze představit velmi jemné aplikace s malým, popř. žádným úběrem materiálu. Mezi techniky laserového mikroobrábění se řadí laserové strukturování, vrtání, leštění, odstraňování povlaků atp. V současnosti je řešeno toto téma v několika projektech s průmyslovými partnery. Naším hlavním cílem je ukázat přínos laserového mikroobrábění a následně přenést tyto znalosti do průmyslu.

V rámci projektu RICAIP bylo za tímto účelem instalováno jedinečné na zakázku vyvinuté zařízení. Tato stanice disponuje unikátní kombinací nanosekundového laseru o průměrném výkonu 200 W a femtosekundového laseru o průměrném výkonu 40 W. Kombinace dovoluje unikátní spojení produktivního a přesného zpracování povrchu laserem. Stroj navíc disponuje pětiosým polohováním, proto není problémem zpracovávat i velice komplikované tvary, jako jsou například osové nástroje, lopatky nebo kloubní implantáty. Laser je plně vybaven nejmodernější optikou, mikroskopickým objektivem nebo dovoluje využití dalších vlnových délek. Na stroji je možné tvořit funkční povrchy nebo vrtat otvory velkou rychlostí s rozměry dosahujícími jednotek mikrometrů.

V návaznosti na potřeby českého průmyslu bylo v prostorách IPA CIIRC ČVUT v rámci Testbedu Průmyslu 4.0 rozšířeno vybavení v oblasti výzkumu a vývoje laserových technologií. Investice do nového vybavení byla podpořena projektem RICAIP (Research and Innovation Centre on Advanced Industrial Production) patřícímu k programu Evropské unie Horizon 2020 Widespread-04-2017-Teaming.

Spolu s požadavkem na přesnost výroby roste i potřeba vytvářené tvary hodnotit a měřit. ČVUT disponuje laserovým konfokálním mikroskopem vhodným např. pro měření úzkých dlouhých děr a tvarů ve stovkách nanometrů. V laboratoři IPA jsme vybaveni několika mikroskopy od firem Keyence a Bruker Alicona. Také máme k dispozici dva optické mikroskopy, které jsou kromě inspekce a měření přesných laserovaných tvarů také vhodné pro analýzu obráběcích nástrojů.

Pracoviště laserového mikroobrábění i měření povrchů byla zprovozněna v nedávné době. Na strojích byl již zahájen výzkum zpracování soustružnických břitových destiček, na kterých byly laserem vytvářeny utvářeče třísek a povrchové struktury pro zlepšení formování třísky při obrábění. Na nových zařízeních je realizováno hned několik bakalářských a diplomových prací, a aktuálně i dvě doktorské disertační práce.

Přístrojové vybavení pro analýzu vytvořených struktur. Zdroj: CIIRC ČVUT

Jsme otevřeni nové spolupráci

Společný tým odborníků z RCMT FS a IPA CIIRC ČVUT má možnost na popsaném nejnovějším vybavení rozvíjet nové výrobní technologie na bázi laseru, které umožňují nová řešení pro speciální součásti. Díky tomu mají nakročeno k významným výzkumným výsledkům, které jsou v souladu se současnými trendy vývoje. Jsou také otevřeni komerční spolupráci s firmami v oblasti vývoje laserových technologií.

Oddělení Průmyslové výroby a automatizace (Industrial Production and Automation – IPA) je společným pracovištěm CIIRC ČVUT a Fakulty strojní ČVUT v Praze (FS ČVUT). Odborně se oddělení IPA zaměřuje na výzkum v oblasti robotiky a výrobní automatizace, průmyslové komunikace a zpracování dat a výrobní technologie. V rámci CIIRC ČVUT využívá výzkumnou laboratoř robotiky a výrobních technologií, která je součástí Testbedu pro Průmysl 4.0 CIIRC ČVUT rozvíjeného v rámci mezinárodního centra excelence pro pokročilou průmyslovou výrobu RICAIP.

Související články
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.

Ultrakrátké pulzy na Laser - World of Photonics

Květen letošního roku byl po dvou letech opět dějištěm tradičního mnichovského veletrhu Laser - World of Photonics a ukázkou toho, kam vývoj v této oblasti pokročil. Podle statistik švýcarské Optech Consulting dosáhl obrat na trhu průmyslových laserů v roce 2012 sice objemu 7,9 miliard euro, tedy o 9 % více než v předchozím roce, ale tento ukazatel je třeba do jisté míry korigovat kurzovními změnami, ke kterým došlo v tomto roce při poklesu hodnoty eura jak vůči US dolaru, tak i hlavním asijským měnám. Co je ale podstatné pro uživatele laserových technologií, je další vývoj těchto technologií ve smyslu zdokonalování technických parametrů a efektivnosti systémů.

Související články
Komodita Machine Tool je japonskou jistotou. Jak dlouho?

Japonsko. U Evropana tato destinace stále vyvolává pocit neznáma a určitého tajemna. Je to země kruté historie ovlivněné přímo i nepřímo lidskými rozhodnutími, jenž zanechaly v celé řadě generací znatelný šrám projevující se uzavřeností a prvotní osobní nedůvěřivostí a i určité váhavosti projevující se například z obavy ze sdělení negativního názoru spoluřečníkovi, aby se případně necítil uražen. V komunitě Japonců jste pokaždé udivováni obrovskou vzájemnou úctou a respektem. Budiž jejich chování vzorem pro ostatní národy.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Již druhý hybridní stroj WeldPrint

Kovosvit MAS ve spolupráci s ČVUT vyvinul již druhý tzv. hybridní stroj pod obchodním názvem WeldPrint. Jde o technologii 3D tisku z kovu plně vyvinutou v České republice patřící do kategorie Hybrid Manufacturing (HM). Umožňuje vytvářet kovové dílce navařováním pomocí elektrického oblouku a jejich obrábění v jednom pracovním prostoru s výrazně menšími náklady než u jiných technologií 3D tisku z kovu. Nový stroj bude díky nižší pořizovací ceně dostupnější než jeho předchůdce.

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.

Kompaktní laserová pracovní stanice

Laserové zpracování kovů, které bylo kdysi vyhrazeno pro drahé letecké a medicínské technologie, se postupem času stalo běžnou technologií v mnoha průmyslových odvětvích. Ve srovnání s tradičními laserovými zdroji, které vyžadují drahý spotřební materiál a pravidelnou údržbu optických součástí, jsou dnešní vláknové lasery v podstatě bezúdržbové. Kromě velmi vysoké technické úrovně a sofistikovanosti, které tyto lasery nabízejí, jsou nyní mimořádně cenově konkurenceschopné. Náklady na laserové diody se v posledních letech snížily o více než 80 , a proto se stroje používající vláknové lasery staly mimořádně cenově efektivním řešením pro mnoho aplikací zpracování materiálu.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Současný vývoj v oblasti svařování

Svařování, resp. spojování materiálů je v podstatě průřezová skupina technologií, která ovlivňuje prakticky všechny průmyslové obory. Některé obory by bez svařování a dalších způsobů spojování materiálů dnes již nemohly vůbec existovat, např. výroba automobilů, výroba konstrukcí ve stavebnictví a řady strojírenských složitých výrobků, včetně energetických zařízení.

Pokročilé metody laserového svařování

V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. Podstatou nových metod je laserová hlava obsahující systém dvou vychylovacích zrcadel doplněných speciální optikou. Díky tomu lze laserovým paprskem velice rychle přebíhat v dané ploše. Svařování s touto hlavou se nazývá skenerové svařování. V provedeném experimentu byla demonstrována významná časová úspora při využití této metody oproti svařování běžnou svařovací hlavou vedenou robotem. Druhou metodou, opět využívající vychylování laserového svazku zrcadly, je svařování s rozmítaným svazkem. U této metody dochází kromě posuvové rychlosti k mikropohybu laserového svazku podél svařované trajektorie. Řízením parametrů mikropohybu můžeme měnit jak šířku závaru, tak i mikrostrukturu svaru, jak je opět předvedeno v rámci několika experimentů.

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Plazmatron a jeho využití ve strojírenském průmyslu

Běžně se setkáváme se třemi skupenstvími hmoty - jsou to pevné látky, kapaliny a plyny. Existuje však ještě čtvrté skupenství - plazma - ionizovaný plyn obsahující ionty, elektrony a případně neutrální atomy a molekuly.

Soustružení abrazivním kapalinovým paprskem zvyšuje trvanlivost

Soustružení abrazivním vodním paprskem je technologie, která spojuje kinematiku konvenčního soustružení s abrazivním vodním paprskem jako nástrojem. Toto spojení je výhodné zejména při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, např. titanových slitin, kde nahrazuje hrubování konvenčním soustružením řezným nástrojem.

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