Lasery ve strojírenství

S vědomím shora uvedeného se na Katedře materiálu a strojírenské metalurgie Západočeské univerzity v Plzni věnujeme studiu laserových technologií a vlivu na materiál a jeho strukturu. Snažíme se studentům ukázat laserové technologie, protože to budou oni, kdo bude tyto technologie zavádět ve firmách. Spolupracujeme s firmami při vývoji technologických postupů, ověřujeme dosažené vlastnosti a připravujeme prototypové vzorky pro snazší implementaci do výroby.

Ne, zde nebude řeč o laserové show. Pevnolátkové lasery pracují s vlnovou délkou kolem 1 mikrometru, tedy v blízké infračervené oblasti, a tyto paprsky jsou lidskému oku neviditelné. Horší však je, že zmíněná vlnová délka vykazuje v případě některých materiálů vysokou odrazivost (nebo chcete-li naopak nízkou absorpci), tedy nízkou účinnost. U ocelí a niklových slitin se blížíme hodnotě 50 %, což je celkem přijatelné. V případě materiálů, jako jsou měď, hliník nebo zlato, je však tato účinnost mnohem nižší, někdy i pod 10 %, jak ukazuje připojený graf.

Během posledních dvou desetiletí výrazně klesla pořizovací i provozní cena laserových zařízení, ale zároveň roste výkon, účinnost a kvalita laserových paprsků. Jedním z nejvýkonnějších laserů s kontinuálním výkonem 120 kW je vláknový laser firmy IPG Photonics. Kvalita svazku je posuzována jeho rozbíhavostí – čím rovnoběžnější, tím lepší, zejména pro svařování a řezání. Evoluce je dobře vidět zejména na diodových laserech s výkonem kolem 4 kW: Počáteční charakteristika rozbíhavosti, definovaná jako tzv. beam parameter product (BPP), o velikosti 110 mm.mrad, byla vhodná snad jen pro kalení nebo pájení. Průběžně byl parametr BPP nejprve vylepšen na hodnotu 44 mm.mrad, a následně až na současnou hodnotu 4 mm.mrad, a to s využitím patentovaného konvertoru svazku. S takovým paprskem lze již bez problémů svařovat i řezat.

Současná expanze e-mobility a výroby solárních panelů, rostoucí poptávka po svařování plastů a další faktory zvýšily tlak na využití laserů pro svařování a pájení barevných kovů a slitin, což byl důvod k vývoji nových laserů s kratší vlnovou délkou, můžeme se setkat s modrými nebo zelenými lasery. Absorpce paprsků v odpovídajícím viditelném spektru s vlnovou délkou kolem 0,5 mikrometru je naprosto dostatečná pro svařování neželezných kovů, s aplikacemi při výrobě baterií, solárních panelů či větrných elektráren, ve šperkařství, 3D tisku a v mnoha dalších oborech.

Není to tak dávno, kdy bylo laserové řezání a svařování synonymem pro hromadnou a sériovou výrobu. Postupně byly CO₂ lasery nahrazeny vláknovými, případně diskovými lasery, hlavní motivací byl přechod k 3D řezání a nižší provozní náklady. Stejně tak v oblasti svařování lepší dostupnost a nižší cena pevnolátkových laserů ruku v ruce s rozvojem robotizace vedly k masivnímu rozšíření laserového robotizovaného svařování. Ještě před pěti lety bylo ruční laserové svařování možné jen ve filmech s Jamesem Bondem. Během posledního roku však trh zaplavují stovky nově zřízených pracovišť s lasery o výkonech do 2 kW, nahrazujícími metodu TIG a používanými zejména pro tenké plechy do 5 mm (viz článek v časopisu MM Průmyslové spektrum 10/2023). Startovní bod uvedeného progresu lze hledat v zavedení technologie laserového čištění povrchů. Před několika lety byly na trh uvedeny lasery pro čištění povrchů a jen v ČR vzniklo několik firem specializovaných na tento proces, který si rychle našel své příznivce a uživatele. Ať už to bylo čištění graffiti na zdech, nebo čištění forem pro vstřikolisy. Můžeme být hrdí, že v ČR máme i výrobce takových zařízení.

Bez nadsázky lze tvrdit, že bez rozvoje laserů by nebyla aditivní výroba (z kovů). Myšlenka aditivní výroby dílů z jednotlivých vrstev pochází ze stereolitografie. Už v roce 1984 si nechal americký fyzik Chuck Hull patentovat technologii, kterou bylo možné tekutý plast selektivně vytvrzovat vrstvu po vrstvě laserovým paprskem. Většina firem vyrábějících tiskárny kovových dílů (například firmy SLM, Concept Laser a Renishaw) byla založena přibližně před 20 lety a postupně precizovala celou technologii. Jejich úspěch souvisel mimo jiné s rozvojem laserů, protože všechny využívají laserový (v některých případech také elektronový) svazek k přetavení kovového prášku. To platí jak pro metody přímé laserové depozice (DED – direct energy deposition), tak pro metody zařazené do skupiny práškového lože (PBF – powder bed fusion). Důležitým vývojovým stupněm bezpochyby bylo laserové navařování, které se začalo běžně využívat po roce 2010. Ještě se nejednalo o stavbu celých komponent, ale o opravy povrchů. Na povrch se navařila jedna nebo několik vrstev, a ty byly podrobeny následnému opracování. Je to jednodušší způsob, protože vrstvením se tepelně ovlivňují spodní vrstvy materiálu a mimo jiné rostou vnitřní pnutí a případné deformace. Oproti do té doby používanému obloukovému navařování byly v případě použití laseru pnutí i deformace výrazně menší. Hlavními aplikacemi byly a jsou opravy forem a strojních dílů. A od laser claddingu (navařování) už je jen krůček ke stavbě celých dílů vrstvou po vrstvě ve 3D. Že se jedná o obrovský byznys, dokazují investice některých firem z posledních let. Společnost Nikon koupila v roce 2022 výrobce tiskáren SLM Solutions za 620 milionů eur. V současnosti tato firma prodává největší tiskárnu na trhu – model NXG600, vybavený 12 lasery, z nichž každý má výkon 1 kW. Podle výrobce dokáže tato tiskárna vytisknout 10 tun AM dílů ročně. Ještě více investovala firma General Electric, která nedávno koupila výrobce laserových tiskáren Concept Laser a tiskáren s elektronovým paprskem Arcam a v roce 2016 investovala do oblasti aditivní výroby přes 1,4 miliardy dolarů. Exponenciálně už přibývají nejen vědecké články na toto téma, ale i praktické příklady využití a firmy, které s lasery pracují. Lze konstatovat, že v současnosti prošla aditivní výroba dětstvím i pubertou a stává se plnohodnotným nástrojem ve výrobě. Stejně jako samo srdce těchto zařízení, jímž je pevnolátkový laser.

O laserových technologiích je obecně známo několik základních pouček: laserové svařování minimalizuje deformace a zbytková napětí, laser minimalizuje teplotní ovlivnění v okolí interakce paprsku s materiálem, rychlosti ohřevu a chladnutí se pohybují v řádu 1 000 °C za vteřinu atd.

Je třeba si uvědomit i dopad na samotný materiál, jeho strukturu a vlastnosti. V řadě případů se výsledky laserového zpracování liší od konvenčních technologií. Např. v případě svařování nebo navařování se mohou struktura, a tím i vlastnosti lišit od toho, na co jsme zvyklí třeba při používání obloukových svařovacích metod. Ať už je to rozdílný podíl fází, delta feritu, nebo zbytkového austenitu, velikost karbidů, či hrubnutí zrna. Bylo prokázáno, že životnost laserem kalených povrchů je větší než po objemovém nebo indukčním kalení. Množství článků popisuje vyšší pevnost laserových svarů v porovnání s obloukovými. Podobně se liší vlastnosti aditivně vyrobených materiálů od dílů vyrobených odlitím nebo tvářením, tedy technologiemi, se kterými jsme svázáni desítky let a umíme je používat. Díky vysokým rychlostem ohřevu a chladnutí vznikají odlišné morfologie mikrostruktury, od dendritických k buněčným, od hrubozrnných k jemnozrnným. I proto je potřeba důkladně studovat metalurgické procesy, strukturu a vlastnosti po laserovém zpracování materiálu a učit se je řízeně ovládat.