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.

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.

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
MM Podcast: Každé vítězství má svůj příběh

Olga Girstlová byla v 90. letech nepřehlédnutelnou součástí vznikajícího podnikatelského prostředí tehdejšího Československa. Společně se svým otcem a manželem založili v květnu 1990 společnost GiTy. Vsadili na komoditu s obrovským potenciálem technologického růstu. Po 15 letech manželé Girstlovi však dospěli k rozhodnutí společnost prodat a dále se věnovat jiným komoditám, jako například ekologickému stavitelství. 

CIMT 2021 plně prezenční

Zatímco je celý svět paralyzovaný restrikcemi proti šíření koronaviru covid-19, v Pekingu byl dnes zahájený veletrh obráběcích a tvářecích strojů China International Machine Tool Show CIMT 2021 v plné prezenční formě a téměř shodného rozsahu, jako ročníky předešlé. Ve stejný den a po celý týden, jako Hannover Messe Digital Edition – průmyslový veletrh v plně digitální platformě.

Hannover Messe 2021

Inovace, vytváření sítí a sdílení zkušeností ve věku průmyslové transformace – to jsou klíčová motta, která představují letošní ročník digitálního Hannover Messe, na kterém více než 1 800 vystavovatelů představí svá řešení pro výrobu a energetické systémy budoucnosti. Od umělé inteligence po robotiku, od ochrany klimatu po vodík. Nejdůležitější světový průmyslový veletrh plní svoji roli jako inovační a síťová platforma a vytváří uprostřed koronové pandemie globální platformu pro výměnu zkušeností v době průmyslové transformace.

Související články
MM Podcast: Glosa - God Save the Queen

V naivní představě ekonomického perpetuum mobile zaměstnáváme v poměru k reálné ekonomice nejvyšší počet lidí ve státní a veřejné správě v rámci nejrozvinutějších zemí OECD. Rakovinotvorný rozbujelý a nevýkonný úřednický aparát, vědomě bojkotující vznik e-státu, dokonale paralyzuje správu věcí veřejných. A jeho solidarita s aktuálně zdecimovaným privátním sektorem? Home office na 100 % mzdy, její valorizace, statisícové odměny na MF za ušetřené miliardy (…). 

Související články
V hlavní roli strojař

Fakulta strojní VŠB-TUO se pro letošní rok v rámci náborové kampaně vrací k úspěšné sérii V hlavní roli strojař. Kampaň komunikuje myšlenku, že strojaři jsou hvězdy hrající hlavní roli v moderním světě. Jejím cílem je zlepšit vnímání oboru strojírenství, posílit brand fakulty, a samozřejmě také nalákat uchazeče ke studiu strojařiny.

Chytrá kombinace systémů

Vývoj obráběcích technologií v minulém století nabral na obrátkách. Dnes jsme tuto technologii dotáhli téměř k dokonalosti – jsme schopni vyrobit předměty libovolných tvarů v přesnostech na tisíciny milimetru. Dalo by se říct, že pro zlepšení zde už příliš prostoru nezbývá, přesto nás přední výrobci obráběcích strojů a nástrojů pravidelně přesvědčují o opaku. Progresivní a inovativní přístup společnosti Ceratizit je toho jen dalším důkazem. Nedávno na trh uvedla přesnou vyvrtávací hlavu Komflex z produktové řady Komet, která umožňuje automatickou korekci průměru v případě vyvrtávání přesných otvorů. Jak to nástroj dokáže, upřesňuje v následujícím rozhovoru technický ředitel společnosti Ceratizit Česká republika Ing. Jan Gryč.

MSV ve znamení materiálů i technologií

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro Mekku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, mimo lidi z dalších oborů, setkají i výrobci plastů a též špičkových zařízení pro plastikářskou výrobu. Na naše otázky odpovídají Pavel Tuláček, jednatel společnosti Gorilla Machines, a David Svoboda, jednatel Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery Česko.

Aditivně s nadzvukovou rychlostí

Společnost Hermle je známá především pro svá přesná pětiosá obráběcí centra a nadstandardní servis. Už málokdo ví, že vyvinula také stroj pro aditivní výrobu kovových dílů. Přestože je i tato technologie založena na postupném vrstvení kovového prášku na součást, nedochází zde ke spékání prášku laserovým paprskem, ale kovový prášek je tryskou doslova nastřelován na díl nadzvukovou rychlostí. Na detaily jsme se zeptali technického zástupce společnosti Hermle Pavla Němečka.

Názorové fórum odborníků

Respondenty jsme požádali o jejich názor na podobu budoucích technologií. Současná situace přinesla mnoho omezení, mezi jinými postihla také dodavatelské řetězce, znemožnila včasné dodávky do výrobních podniků a přinesla vyšší nároky na bezpečnost zaměstnanců. Jaké nové technologie podle vás mají v současné situaci největší potenciál se prosadit?

Svařování mědi pomocí vláknového laseru

Rychlý rozvoj v oblasti elektromobility vede ke zvýšení poptávky po svařování mědi. To, co ji činí pro danou aplikaci ideální (tj. vysoká elektrická a tepelná vodivost), ji zároveň činí obtížně svařitelnou konvenčními vláknovými lasery. Díky vyšší efektivitě, zhruba dvojnásobné, někteří výrobci zkoušejí používat zelené pevnolátkové lasery. Výsledkem je stabilnější a méně citlivý proces, než jaký byl možný u standardních vláknových laserů.

Procesně stabilní zpracování recyklátů

Do roku 2025 si Evropská unie klade za cíl ročně více než zdvojnásobit používání recyklátů při výrobě plastových výrobků [1, 2]. K dosažení tohoto cíle jsou kromě závazku firem působících na trhu a vyšší kapacity při zpracování plastového odpadu zapotřebí především nové technologie zpracování. Recykláty je nutné používat v daleko větší míře a v ještě vyšších poměrech. S novými procesy vstřikování na jedné straně a inteligentní podporou na straně druhé sleduje výrobce vstřikovacích strojů Engel různé a často velmi slibné přístupy. Výroba boxů a kontejnerů ukazuje na velký potenciál.

Uplatnění kovového 3D tisku

Společnost Misan z Lysé nad Labem se aditivními technologiemi kovových dílů zabývá a tato zařízení v České republice distribuuje už osm let. Dalo by se říct, že je jedním z průkopníků s těmito technologiemi na českém trhu. Z toho pochopitelně vyplývají také její bohaté zkušenosti s touto relativně mladou výrobní disciplínou. Na otázky, kde tyto technologie nacházejí uplatnění a v jakých oblastech mohou vyniknout, jsme se ptali aplikačního inženýra pro kovové aditivní technologie Jana Hudce.

Aditivní výroba velkých dílů

Porto patří k největší průmyslové oblasti Portugalska. Od roku 1956 zde sídlí přední světový výrobce strojů technologie tváření – společnost Adira.

Fórum výrobních průmyslníků

Jaké zásadní problémy vám současná doba přináší do chodu firmy, jak se je snažíte řešit a s jakým výsledkem?

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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