Témata
Zdroj: Hofmeister a RCMT

Výzkum pro praxi: Pokročilé laserové technologie s ultrakrátkými pulsy

Spolupráce s praxí je jedním ze strategických cílů aktivit Ústavu výrobních strojů a zařízení a Výzkumného centra RCMT při FS ČVUT v Praze. Vizi 2030 Fakulty strojní naplňuje RCMT podporou konkurenceschopnosti tuzemských firem. Podněty z praxe jsou motivací výzkumu, jehož výsledky jsou uplatňovány v produktech a službách firem i v modernizaci oborové výuky. Postupně představujeme několik klíčových projektů, které byly ve spolupráci RCMT a konkrétních průmyslových firem v praxi v nedávné době řešeny. Dnes, již v závěrečné části, se zaměříme na výzkum a vývoj pokročilých laserových technologií s ultrakrátkými pulzy záření pro náročné aplikace.

Tento článek je součástí seriálu:
Výzkum pro praxi
Díly
Reklama

Využití pokročilých materiálů, zvyšování kvality, miniaturizace a nové vlastnosti výrobků jsou trendy vedoucí k potřebě vývoje a zavádění moderních způsobů výroby. K těm lze bezpochyby zařadit i použití pulzních laserů. Především ty s ultrakrátkými délkami pulzů (UKP) jsou s výhodou využívány pro práci bez nežádoucího tepelného ovlivnění zpracovávaného materiálu. V případě potřeby lze ovšem technologii nastavit i s opačným výsledkem, a to pro jeho řízené tepelné ovlivnění. Oblasti efektivního uplatnění UKP laserů pro výrobu je možné nalézt v širokém spektrum materiálů od běžných konstrukčních (kovových i nekovových) až po speciálnější materiály, jako jsou křemík, sklo, diamant, zlato nebo grafen. Obory s potenciálem uplatnění jsou proto zejména elektrotechnika, optika, medicína, materiálové vědy a povrchové inženýrství a šperkařství. Na výzkum a vývoj uplatnění laseru pro vybraná aplikační řešení byla soustředěna spolupráce Fakulty strojní ČVUT v Praze a firmy Hofmeister.

Zaměření spolupráce

Spolupráce obou pracovišť započala v oblasti výzkumu a vývoje pokročilých laserových UKP technologií již před osmi lety. Hlavním směrem spolupráce na více různých projektech byl a je rozvoj a návazné komerční uplatnění laserových systémů a technologií pro mikroopracování high-tech materiálů a komponent na základě nových konceptů a přístupů využití laseru. Cílem vedeného výzkumu je implementace vyvinutých a otestovaných řešení pro kvalitnější a celkově efektivnější výrobu komponent pro různá odvětví od strojírenství přes energetiku, elektroniku až po medicínu. Výsledků a konceptů řešení dosažených na základě spolupráce je celá řada, lze uvést některé nejvýznamnější.

Významnou řešenou oblastí je strukturování povrchů laserem pro jejich funkcionalizaci. Spolupráce je zde zaměřena na výzkum změny smáčivosti, třecích a optických vlastností povrchů. Konkrétními příklady výsledků jsou zubní implantáty se zlepšenými vlastnostmi oseointegrace a antibakteriálního chování. Ve strojírenství je příkladem aplikace strukturování plastů pro zvýšení únosnosti lepených spojů. Ve vývoji jsou to aktuálně oblasti strukturování elementů valivých tělísek a vložek vstřikovacích forem.

Špičkové laserové pracoviště ve firmě Hofmeister s možností robotizace pro vyšší efektivitu práce. (Zdroj: Hofmeister)

Téma přesného mikroobrábění bez tepelného ovlivnění je ve výzkumu zastoupeno zvládnutím efektivní výroby a úprav řezných nástrojů. Jsou realizovány tvarové utvařeče, včetně funkčních povrchových struktur. Technologie precizního odstraňování ochranných povlaků z nástrojů na konci jejich životnosti laserem je jedním z posledních konkrétních výsledků. Tato technika byla zpracována do podoby podané mezinárodní patentové přihlášky.

Přesné obrábění s využitím laserových pulzů femtosekundových délek bylo využito i pro vývoj dvou zajímavých mikrokomponent. První obsahovala obrobení materiálu grafen naneseného na křemičitém skle. Výrobou elektricky vodivých spojů laserem mohl vzniknout funkční prototyp čipu s elektrickými vlastnostmi odpovídajícími teoretickým předpokladům a výpočtům. Druhým příkladem výzkumně-vývojové spolupráce z této oblasti je ověření možnosti využití laseru pro výrobu komponent mikro-elektro-mechanických systémů (MEMS) nebo senzorů v transparentních materiálech. S využitím speciální techniky totiž bylo provedeno precizní obrábění křemíku a opracování optických vláken.

Detail zachycení buňky na laserem vytvořeném povrchu. (Zdroj: Hofmeister a RCMT)

Aktivity výzkumné organizace

Hlavní aktivity týmu RCMT při vývoji laserových technologií s firmou Hofmeister řídí Ing. Pavel Zeman, Ph.D., ve spolupráci s Ing. Janem Brajerem, Ph.D., a Ing. Tomášem Primusem. Aktivity jsou soustředěny především do oblastí výzkumu interakce laserového záření a zpracovávaného materiálu, vytváření znalostní databáze o efektivitě a kvalitě ablace a jejich využití pro ověřování konceptu konkrétních řešení. Jsou zkoumány vhodné parametry laserového procesu z hlediska kvality a rychlosti ablace pro konkrétní materiály a aplikace. Jsou vyvíjeny moderní přístupy efektivnějšího zpracování materiálu laserem, jako je například tzv. burst-mode nebo originální metoda kombinující hrubovací, polodokončovací a dokončovací strategie opracování laserem na jednom zařízení. Pro tyto činnosti je využívána unikátní laserová stanice se dvěma výkonnými pulzními laserovými zdroji s možností nastavení délek pulzů (ns; ps až fs). Zařízení umožňuje využívat tři vlnové délky záření a fokusovat paprsek až do minimálního průměru pět mikrometrů.

Reklama
Reklama

Nedílná část analýz kvality zpracování a ovlivnění povrchu a podpovrchových vrstev se odehrává na světelných a konfokálních mikroskopech a v metalografické laboratoři.

Laserové zařízení a další vybavení vlastní laboratoře přitom vhodně doplňuje laserové technologie a analytické možnosti ve firmě Hofmeister, případně u dalších spolupracujících partnerů, ke kterým patří např. VÚTS. V případě potřeby jsou pracovištěm RCMT zajišťovány i další typy analýz, jako je například testování funkčnosti zpracovaných vzorků při obrábění.

Konkrétní zapojení týmu RCMT do výzkumně-vývojové spolupráce s firmou Hofmeister napomohlo k dosažení řady konkrétních výsledků. Kromě jiného tak vznikly výsledky s aplikačním potenciálem v podobě čtyř ověřených technologií, jedné mezinárodní patentové přihlášky a několika vědeckých publikací.

Aplikace laserových technologií pro obráběcí nástroje – strukturování povrchu břitu (nahoře) a lokální odpovlakování laserem (dole). (Zdroj: Hofmeister a RCMT)

Přínos spolupráce pro firmu

Spolupráce ve vývoji a aplikaci laserových technologií je na straně firmy dlouhá léta řízena Ing. Pavlem Kožmínem, Ph.D., který z pozice vedoucího výzkumu a vývoje vede tým spolupracovníků. Dr. Kožmín hodnotí spolupráci takto: „Úzká letitá spolupráce s výzkumně vývojovými akademickými institucemi, konkrétně v tomto případě s RCMT pod vedením dr. Pavla Zemana, přináší naší firmě Hofmeister nespočetné benefity zejména na poli spolurealizace inovací v oblasti laserových technologií a jejich zavádění do praxe. Zejména pro firmu střední velikosti je v současné době z důvodu udržení konkurenceschopnosti na trhu nutností dokázat navrhnout a uskutečnit zcela nová komplexní technologická řešení šitá na míru našim koncovým zákazníkům, která jsou mnohdy interdisciplinární, a tedy i časově náročná. Proto vhodná rozdělení celkových řešení na dílčí, v tomto případě s intenzivním a synergickým zapojením týmu kolem dr. Zemana, vždy vedla ke zkrácení průběžného času řešení vytyčeného úkolu, a to především z důvodu jejich vysoké odbornosti a profesionality. Současně citlivé zapojování a vedení studentů v rámci řešení společného úkolu ve formě bakalářských a diplomových prací umožňovalo navýšit vývojové kapacity a oboustranný transfer znalostí mezi průmyslem a akademickými institucemi, a to k oboustranné spokojenosti.

Reklama

Přínos spolupráce pro výzkumnou organizaci

Spolupráci v oblasti laserových UKP technologií s firmou Hofmeister vede na ČVUT v Praze již zmiňovaný Ing. Pavel Zeman, Ph.D., který k tomu uvedl následující: „Jsem přesvědčen, že laserové technologie mají v pokročilé průmyslové výrobě své nezastupitelné místo, které se navíc bude dále rozšiřovat. Mnohaletá kontinuální spolupráce s firmou Hofmeister v této oblasti vytváří stabilní platformu pro možnost výrazného posunu znalostí v oboru na obou pracovištích. Spolupráce je z mého pohledu efektivní a pro naše pracoviště velmi inspirativní, ale současně i zavazující. Zvláště musím vyzdvihnout dynamiku rozvoje firmy Hofmeister v oblasti VaV laserových technologií, včetně jasně formulovaných tematických směrů a zcela přesného zacílení na aplikace a uživatele. S firmou spolupracujeme nejen na prokázání funkčnosti a smysluplnosti konceptů, ale i na aplikaci inovativních přístupů použití laseru i pro sériovou produkci. Velmi oceňuji, že spolupráce nemá jen ryze výzkumný základ, ale daří se kolegy z firmy napřímo zapojovat i do vzdělávání studentů FS ČVUT v Praze prostřednictvím formulování témat, konzultací a oponování studentských závěrečných prací. Věřím, že nastolený směr spolupráce je přínosný pro obě strany, a bude proto pokračovat i nadále.


Vývoj laserových technologií byl spolufinancován z projektů s veřejnou podporou MPO, MŠMT a TA ČR.

Kompletní 10dílný seriál představující konkrétní projekty Ústavu výrobních strojů a zařízení (RCMT), FS ČVUT v Praze s průmyslovou praxí je k dispozici zde.

Vydání #12
Kód článku: 221201
Datum: 14. 12. 2022
Rubrika: Servis / Vývoj a inovace
Autor:
Související články
Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Související články
Pokročilé testování
moderních povlaků pro obráběcí nástroje

Tenká vrstva materiálu nanesená na řezné části obráběcího nástroje, tzv. ochranný povlak, významně ovlivňuje vlastnosti a funkci celého nástroje. Účinky takové tenké vrstvy spočívají především v ochraně břitu před působením degradačních procesů vlivem tepla, adheze, abraze, oxidace a dalších jevů. Ochranná funkce je důležitá, neboť průběhem a intenzitou uvedených jevů je přímo ovlivněna intenzita opotřebení břitu a nepřímo pak silové zatížení při obrábění, tvorba nárůstku, kvalita obrobeného povrchu, a tvarová a rozměrová přesnost dílce.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Aktuální trendy v oboru obráběcích strojů

Obor obráběcích strojů prochází velkými změnami, které pravděpodobně nejsou na první pohled tak zřetelné. Požadavky na stroje se mění v důsledku postupných proměn světa okolo nás a výrobci strojů na to reagují, aby si zajistili potřebnou konkurenceschopnost.

Modifikace řezných nástrojů pomocí laseru

Obrábění a úprava povrchů v mikrometrických a submikrometrických měřítkách se jeví jako jedna z klíčových výrobních technologií budoucnosti. Tato skutečnost vede k rostoucímu zájmu o vytváření struktur s cílem změnit např. tribologické či mikrofluidní vlastnosti a směřuje obecně k vyšší míře zapojení 3D laserového mikroobrábění při zpracování povrchu materiálů.
Odebírání materiálu probíhá tzv. studenou ablací pomocí ultrakrátkopulzních laserových systémů – výhodou této technologie je velká univerzálnost, protože je možné proces nastavit tak, aby vytvářel širokou škálu struktur. Navíc dochází k úběru materiálu bez jeho tepelného ovlivnění.

Jsme ve stádiu Průmyslu 3.5. Ne slovy, ale činy.

Na okraji Plzně na kraji lesoparku poblíž areálu Borských polí najdete rodinnou firmu Hofmeister, kterou vede pan Václav Hofmeister. Sympatický chlapík, který neříká o svých zaměstnancích, že jsou to lidi nebo oni, ale nazývá je kolegy. Bez rozdílu.

Laserové mikrostrukturování

Výzkumně vývojové oddělení firmy Hofmeister již od roku 2015 systematicky buduje know-how v oblasti laserového 2D a 3D mikrostrukturování s použitím ultrakrátkých pulzních laserových zařízení. Naše laboratoř disponuje systémy o piko- a také femtosekundových délkách pulzů. Tato zařízení jsou vybavena víceosou kinematikou a dovolují zapojení speciálních optických komponent.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

3D technologie letem světem

Vývoj 3D technologií dnes již zasahuje téměř do všech oblastí výroby. Uplatnění nachází u kusové výroby, ale dokáže si najít své místo i v sériové a dokonce velkosériové výrobě, kde nemusí jít nutně o samotné výrobky, ale např. o výrobu nástrojů nebo přípravků.

CIMT Peking, Část 2. Win Together

Podtitul veletrhu CIMT 2019 byl: 融合共赢 智造未来. Musíte uznat, že motto veletrhu je v této pro nás exotické podobě zahaleno značným tajemstvím. Dáte-li větu do automatického překladače, výsledná myšlenka zní: fúze a výhra. Jednoduchá slova, divný obsah - tento způsob nalezení významu věty opravdu není žádná výhra. Proto se o nápravu "ztráty v překladu" pokusíme v druhém vstupu z veletrhu, ve kterém se tentokrát podíváme i za technikou.

Perspektivy čínského draka

Již několik let vám pravidelně v tomto čase přinášíme reportáže ze dvou klíčových strojírenských veletrhů celého asijského kontinentu, které jsou určitým barometrem srovnání postupného vývoje čínských výrobců obráběcích strojů a komponent, ale i pohledem na zvolené marketingové strategie nadnárodních společností při jejich penetraci na zdejší čínský trh – největší a nejprogresivněji rostoucí na světě. V lichých letech se v Pekingu v dubnu koná veletrh CIMT (China International Machine Tool Show), v sudých přibližně ve shodné době pak v Šanghaji veletrh CCMT (China CNC Machine Tool Fair). Aktuální postřehy z každého dne veletrhu jsme přinášeli prostřednictvím redakčního portálu mmspekturm.com a sociální sítě facebook, s tradičním komplexnějším pohledem na veletrh a čínský komoditní trh jako takový přicházíme nyní.

Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

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