Výzkum laserových technologií: nové možnosti

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.