Témata
Reklama

Výzkum progresivních laserových technologií

Technologie s využitím paprsku laseru jsou stále dynamicky se rozvíjejícími oblastmi. Aktuálně se rozšiřuje využití laseru v mnoha oborech: od aplikací v medicíně, mikroelektronice, optice a měřicí technice až po průmyslové realizace se základem v úběru a ovlivňování vlastností kovových i nekovových materiálů. Právě tyto aplikace umožňují využít laser pro rychlé a efektivní řezání, svařování, gravírování, kalení, texturování, značení nebo leštění.

Pavel Zeman

Odborný asistent a pedagog na Fakultě strojní ČVUT v Praze, kde získal inženýrský i doktorský titul. Od roku 2001 pracuje ve Výzkumném centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), kde zastává pozice garanta témat výzkumu a spolupráce s průmyslem v oblasti technologie obrábění a vedoucího skupiny Technologie. Jeho odbornou specializací jsou zejména problematika obrábění těžkoobrobitelných materiálů, nové způsoby chlazení při obrábění a aplikace laserových výrobních technologií.

Jedním ze zajímavých způsobů využití laseru s potenciálem dalšího rozvoje a zvyšování produktivity a jakosti je opracování jiným způsobem těžko zpracovatelných materiálů. Jedná se například o keramiku, diamant a další tvrdé materiály. Možnosti efektivního využití laserových technologií v těchto materiálech jsou mezi jinými v současnosti zkoumány ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) na Fakultě strojní Českého vysokého učení technického v Praze.

Zcela konkrétním příkladem pokračujícího výzkumu a vývoje v uvedeném směru je realizace projektu „Progresivní laserové technologie“ s podporou Technologické agentury ČR. Projekt je řešen ve spolupráci s firmami VÚTS, a. s., a Hofmeister, s. r. o., v období od července 2014 až do prosince 2017. Cílem zmíněného projektu je výzkum a vývoj efektivních laserových technologií pro zpracování polykrystalického diamantu, slinutého karbidu a dalších specifických technických materiálů. Třiapůlleté období řešení projektu umožňuje zkoumat účinky paprsku laseru v různých režimech a způsobech ovlivnění dílců. Každý člen konsorcia řešitelů projektu navíc disponuje zcela jiným typem laseru. Jsou tak k dispozici lasery s různými výkony, vlnovými délkami, opakovacími frekvencemi, ale i rozdílnými délkami pulzů (v řádech nano-, piko- a femtosekund). To dává zcela unikátní možnost přímého výzkumu zásadně odlišných způsobů ablace a ovlivnění materiálu laserem nad jedním zadáním.

Řešení projektu je rozděleno do tří etap. V prvním období projektu byly realizovány způsoby mikroobrábění a řezání dílců. Následoval výzkum gravírování přesných obecných tvarů laserem. V posledním období jsou analyzovány způsoby, jak vytvořit funkční mikrostruktury na povrchu dílců, které by mimo jiné umožnily změnu tribologických, hydrofilních a hydrofobních vlastností. Konkrétními výsledky projektu jsou dvě ověřené technologie s aplikací dosažených výsledků.

Reklama
Reklama

Mikrovrtání a přesné řezání laserem

Tvorba otvorů průměru 0,1 mm v čelní ploše vyměnitelné břitové destičky (VBD) ze slinutého karbidu byla zadáním pro první fázi projektu. Po nalezení vhodných parametrů pro každé z používaných laserových zařízení byly hodnoceny dva základní přístupy – maximální produktivita a přesnost výroby. Bylo prokázáno, že je možné strukturu mikrootvorů (viz obr. 1) laserem vrtat rychle a efektivně (v řádech desítek sekund), avšak s výraznějším tepelným účinkem na materiál a tedy s výraznější změnou původních vlastností jeho povrchových vrstev. Druhým způsobem, jak dosáhnout dané struktury, je sice časově delší působení laseru, avšak s mnohem větší přesností (v řádech mikrometrů) a bez přítomnosti výraznější tepelně ovlivněné oblasti. Součástí výzkumu bylo i experimentální ověření aplikačního potenciálu, kdy byl s připravenými vzorky VBD proveden elementární test řezivosti při soustružení titanové slitiny. Výsledky ukázaly, že je možné díky změnám při utváření třísky a chlazení břitu dosáhnout prodloužení živostnosti nástroje o více než 30 % (viz obr. 2). Tato myšlenka byla v dalším řešení projektu rozvíjena.

Obr. 1. Rastr mikrootvorů na čele vyměnitelné břitové destičky realizovaných laserem s délkou pulzu 100 ns. Vizualizace jakosti realizovaných otvorů a závislosti dosažené hloubky otvoru na rychlosti pohybu paprsku.

Obr. 2. Opotřebení VBD po testech soustružení slitiny Ti6Al4V – standardní vzorek na konci životnosti po 5 minutách obrábění (vlevo); vzorek VBD s rastrem mikrootvorů po prvních 7 minutách obrábění (vpravo).

Součástí prvního období řešení projektu byl i výzkum technologie laserového řezání. Řezání laserem je sice konvenční a zavedená technologie, avšak zde byla cílena na provádění maximálně přesných výřezů v plochých i tvarových dílcích o tloušťkách 0,1 až 0,6 mm. Vedle přesnosti výroby byla požadavkem i přítomnost minimální velikosti teplem ovlivněné oblasti a minimálního úkosu na řezané hraně. Po analýze možností jednotlivých laserových zařízení (viz obr. 3) byla na vybraném demonstračním prvku vyrobeném z pyrolytického uhlíku vyvinuta ověřená laserová technologie, která může nahradit dosud používanou málo produktivní technologii vysekávání.

Obr. 3Porovnání přesných výřezů v materiálu tloušťky 0,3 mm – laser s délkou pulzu 100 nanosekund (horní část) a 13 pikosekund (spodní část).

Laserem vytvořené obecné 3D struktury

Také druhá fáze projektu byla cílena na tvrdé materiály. V rámci úvodního kroku výroby obecných tvarů laserem byly zkoumány možnosti využití různých typů laserů z hlediska rychlosti, přesnosti a jakosti výroby v polykrystalickém diamantu a slinutém karbidu. Jak ukazuje příklad výsledku gravírování diamantu na obr. 4, je možné v tomto materiálu dosahovat při požadované jakosti úběr i přes 2,0 mm3.min-1. Část výzkumu zaměřená na slinutý karbid potom měla hlavní motivaci opět směrovanou do oblasti řezných nástrojů, konkrétně pak do zlepšení jejich užitných vlastností. Bylo ověřeno, že laserem lze vyrobit zcela funkční tvarově komplikovaný utvařeč třísky, který může být navíc opatřen řízenou strukturou povrchu (viz obr. 5), což je vlastnost, kterou konvenční výroba řezných nástrojů neumožňuje. Tímto způsobem může vzniknout optimalizované řešení nástroje přesně pro potřeby konkrétní aplikace. Takový nástroj poskytuje možnost zvýšení využití svého potenciálu. V porovnání se standardní vyměnitelnou břitovou destičkou byl u laserem připraveného břitu prokázán přínos v prodloužené životnosti takového břitu, ve zlepšeném utváření třísky nebo ve snížení velikosti sil vyskytujících se mezi nástrojem a obrobkem.

Obr. 4. Příklad experimentálně stanovené závislosti – vliv výkonu laseru na rychlost ablace materiálu v polykrystalickém diamantu CTB010

.

Obr. 5. Utvařeč třísky na soustružnické břitové destičce vyrobený laserem a opatřený strukturou povrchu.

Mikrostrukturování laserem

Tématem řešeným v rámci výzkumu progresivních laserových technologií je rovněž řízené vytváření definovaných mikrostruktur pro zlepšení funkčních vlastností dílců. K těmto vlastnostem může patřit například změna třecích charakteristik, schopnost zadržování a přilnutí kapalin, nebo naopak jejich odpuzování. Aplikace struktur s rozměry v řádech jednotek mikrometrů jsou zkoumány jak pro rovinné povrchy, tak i pro obecné 3D tvary. Přestože výzkum v této části stále probíhá, již první výsledky naznačují velký potenciál především u laserů s kombinací krátké délky pulzu, velké opakovací frekvence a rychlosti skenování. U takových stanic je možné vytvářet přesné mikrostruktury v relativně krátkém čase. V rámci tématu je navržena sada různých mikrostruktur, u kterých jsou nezávislým měřením ověřovány výchozí předpoklady pro výše zmíněné základní vlastnosti. Výzkum je opět realizován na vybraném tvrdém materiálu. Realizace mikrostruktury laserem zlepšující funkční vlastnosti konkrétního dílce v reálné aplikaci je druhým závazným výsledkem projektu.

Shrnutí

Možnosti dalšího vývoje a rozšiřování spektra aplikací laserových technologií lze spatřovat především tam, kde je použití konvenčních i jiných způsobů výroby neefektivní, nejakostní, technicky limitované nebo zcela neproveditelné. Do této kategorie lze zařadit i opracování tvrdých materiálů, jako je diamant, keramika nebo slinutý karbid. V rámci tohoto příspěvku byl představen výzkum laserových technologií, který vede ke konkrétním výsledkům v různých způsobech využití laseru. Ukazuje se, že parametry paprsku laseru, způsob jeho řízení a detaily jeho interakce s materiálem jsou zásadními faktory pro výsledek procesu. U disponibilních laserových zařízení je proto třeba vždy hledat správný přístup k jejich použití, aby mohl být pro danou aplikaci využit jejich potenciál.

Tento článek vznikl s finanční podporou Technologické agentury ČR.

RCMT, ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Ing. Pavel Zeman, Ph.D.,

P.Zeman@rcmt.cvut

Reklama
Související články
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.

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.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

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.

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.

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.

Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

Podpora spolupráce ve výzkumu, vývoji a inovacích ve střední Evropě - inspirace projektem NUCLEI

Ústav výrobních strojů a zařízení FS ČVUT (RCMT) je zapojen do evropského projektu NUCLEI podporujícího iniciaci mezinárodní spolupráce ve výzkumu, vývoji a inovacích. Zaměřen je na region střední Evropy a odbornou oblast moderních výrobních technologií.

Nové technologie osvětlení vozidel

Získat zkušenosti s novými zdroji světla bylo cílem jednoletého projektu Ideag, do něhož se na konci roku 2017 pustila mladoboleslavská společnost EDAG Engineering CZ. Výsledný prototyp zadní lampy navržené pro model Škoda Superb ukazuje možnosti využití tří moderních technologií: elektroluminiscenční fólie, OLED panelu a COB LED destiček.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

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