Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Výzkum progresivních laserových technologií
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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.

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.

 

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

Další články

3D technologie
Inovace
Výzkum/ vývoj
Nekonvenční technologie
Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky













Sledujte nás na sociálních sítích: