Pomocí této technologie je možné některé výrobky, dříve vyráběné třískovým obráběním nebo od­léváním, nahradit „stavebnicí“ vyřezanou la­serem z plechu (a jejich následným svařením či sešroubováním) při zvýšení užitných vlast­ností a snížení výrobních nákladů. Při řezném procesu nestačí jen prosté roztavení materiá­lu zaostřeným laserovým svazkem, protože tekutý kov drží ve spáře kapilární silou a je nutné jej odstranit, většinou proudem plynu. Podle druhu tohoto plynu rozlišujeme buď tavné nebo oxidační řezání. U nekovových materiálů se využívá sublimační řezání, kdy dělený materiál přímo sublimuje. Ale i zde je nutný procesní plyn pro vyfouknutí subli­mačních produktů a ochranu optiky. Výsled­ný řez má jen malou tepelně ovlivněnou ob­last, a charakteristické vroubkování.

Z hlediska konstrukčního se nejčastěji použí­vají systémy s tzv. létající optikou, kdy řeza­ný plech je nehybný a nad ním se na portá­lu pohybuje řezná hlava. Existují samozřejmě i jiné konstrukce (kombi stroje, pětiosá cen­tra na 3D řezání, laser v robotickém rameni). Obecně je laserové řezání fyzikálně kompli­kovaný proces, jehož složitost navíc stoupá se zvyšující se tloušťkou materiálu. S tím souvi­sí i nastavení řezných parametrů. Od určité tloušťky již není možné najít kombinaci řez­ných parametrů, vedoucí k uspokojivé kvali­tě řezu, z důvodu optického a aerodynamic­kého omezení.

MINULOST LASEROVÉHO ŘEZÁNÍ

Až do nedávné doby dominovaly v oblasti la­serového řezání lasery na bázi CO2. Zdá se to být poněkud překvapivé, protože tato třída la­serů má relativně nízkou účinnost přeměny elektrické energie na optický výkon paprsku (5 – 10 %), lasery jsou mechanicky složité a na­víc tento laser vyzařuje v oblasti infračerveného záření (pracovní vlnová délka je 10,6 μm), kde absorpce laserového záření v materiálech je niž­ší než u kratších vlnových délek a je nutné pou­žít optiku ze speciálních materiálů (zinek – se­lenid, germanium apod.). Vedení paprsku mezi laserem a řeznou hlavou proto musí být reali­zována systémem zrcadel. Nicméně v době za­vedení technologie laserového řezání na tom byly ostatní typy laserů ještě hůře. Na druhé straně CO2 lasery nabídly robustnost, ocho­tu snášet pracovní podmínky průmyslové haly a vydržely vícesměnný provoz. Začaly narůstat rozměry řezaných plechů a jejich tloušťky, zvy­šoval se uživatelský komfort jak v oblasti tech­nické, tak i softwarové. Kromě řezání plechů se lasery začaly používat pro řezání trubek a pro­filů a nakonec i ve 3D pro vyřezávání v plecho­vých výliscích a také se kombinovaly s jinými technologiemi, například s vysekávacími stroji.

SOUČASNÍ MOŽNOSTI

V současné době jsou standardem centra s mož­ností dělení plechů o rozměrech 3 x 1,5 m, při­čemž jsou nabízeny stroje pro plechy menší (na­příklad ByVention od Bystronicu 1,5 x 1,5 m) až po stroje zvládající dělení plechů o rozměrech 2 x 8 m. Z hlediska dělené tloušťky je momen­tálně rekordmanem firma Trumpf, která na pod­zimní výstavě Euroblech 2012 představila řezné centrum TruLaser 5000, umožňující řezat nere­zové plechy tloušťky až 50 mm. K tomu je vyba­vena CO2 laserem o výkonu 8 kW a novátorskou řeznou hlavou se zrcadlovou fokusační optikou – obr. 4. Tak vysoký výkon laseru by totiž při prů­chodu obvyklou fokusační čočkou způsoboval problémy, neboť absorpce tepla v čočce (zvyšu­jící se při jejím znečistění) by vyvolala její defor­maci s následkem nekvalitního řezu a případně by vedla až k destrukci čočky. Naproti tomu plo­cha zrcadla se chladí snadněji než objem čočky, a proto k těmto defektům nedochází.

Další ukázku aktuálního stavu laserových řez­ných center představuje ByAutonom švýcarské firmy Bystronic – obr. 1. Jak již z názvu vyplý­vá, tento stroj automaticky vykonává některé rutinní operace, obvykle prováděné lidskými operátory laseru, jako je výměna řezné hlavy, výměna trysky a její vycentrování. Zde je nut­né zdůraznit, že tyto operace se dějí nejenom programově – tedy pokud je v NC programu příslušná instrukce, ale stroj si pomocí senzori­ky sám hlídá kvalitu řezu a v případě jejího po­klesu je schopen sám si zařazovat automatické centrování řezné trysky. Stroj tak může praco­vat opravdu bezobslužně.

Dalším příkladem možností je Lasbend AJ ja­ponské firmy Amada – obr. 3. Toto centrum ne­jenom vyřezává laserem díly z plechu (nezvykle ve svislé poloze kvůli úspoře místa), ale poté si výpalky ukládá ve vnitřním zásobníku, dále do těchto dílů řeže závity a na závěr je velice dů­myslným systémem ohne do výsledného tvaru. Takto lze vyrábět například různá šasi pro elektroniku na jediném stroji.

REVOLUČNÍ PEVNOLÁTKOVÉ LASERY

Skutečnou revoluci však v dnešní době zname­ná zavádění pevnolátkových laserů jako zdrojů pro řezání. Vlivem technologického pokro­ku se zásadně změnila konstrukce pevnolátko­vých laserů, díky čemuž se například zvýšila je­jich účinnost z původních 2 – 3 % na nynějších 30 – 40 %. Tím se snižuje spotřeba elektrické energie i potřebný chladící výkon. Navíc, ten­to druh laserů nepotřebuje ke své činnosti (na rozdíl od CO2 laserů) žádné laserové plyny. To je první výhoda. Druhou výhodu lze spatřit ve skutečnosti, že jejich pracovní vlnová délka je okolo 1 μm, tedy blízká infračervená oblast. Zde vykazují kovy zvýšenou absorpci záření, takže lze lépe a kvalitněji řezat kovy, jako například hliník a měď, které byly doposud pomocí CO2 laserů špatně dělitelné. Tato pracovní vlnová délka přináší další významnou výhodu: lze pou­žít optiku ze skla a pro vedení paprsku je proto možné využít optické vlákno, což zjednodušuje konstrukci řezného centra a dále snižuje náro­ky na údržbu.

Z hlediska konstrukce se používají dvě roz­dílné uspořádání laserového rezonátoru: dis­kové lasery (které nabízí firma Trumpf jako TruDisk) a vláknové lasery. Tyto zdroje jako první vyvinula firma IPG a získala velký ná­skok. V dnešní době však již existují i další vý­robci, jako Amada a dokonce i firma Hyper­therm, která dříve dominovala v oblasti řezání plazmou. Je patrné, že v oblasti laserových řez­ných center se začínají angažovat dříve nezná­mí výrobci, neboť v dnešní době není problém zakoupit pevnolátkový laser, řeznou hlavu, ří­dící systém a vše integrovat do podoby řezné­ho centra. Z druhé strany však nelze přehléd­nout, že tradiční výrobci na tomto trhu (což jsou výše zmíněné firmy) nabízí ucelená ře­šení, včetně důmyslných systémů zásobování plechy, komplexním servisem a celosvětovým zastoupením.

Doposud existují dvě nevýhody řezných cen­ter s pevnolátkovými lasery. První je vyšší cena oproti centrům s CO2 lasery, tato se však vlivem konkurenčnímu prostředí a technického pok­roku snižuje a navíc nižší provozní náklady po­stupně eliminují vyšší nákupní cenu. Druhou – technologickou nevýhodou je špatná kvali­ta řezu u silnějších materiálů, která je způso­bena vlastnostmi laserového svazku. V dnešní době však již existuje několik cest, jak pomocí modifikace laserového svazku tuto nevýhodu odstranit. Lze tedy očekávat, že během toho­to desetiletí budou CO2 lasery nahrazeny lasery pevnolátkovými.

BUDOUCNOST? ULTRAKRÁTKÉ PULZY

V poslední době lze pozorovat prudký ná­stup výkonových laserů s ultrakrátkými pulzy i v oblasti strojírenství. I když se v dnešní době běžně využívá pulzní režim pro řezání malých otvorů a jemných kontur, pulzy mají délku v milisekundách (10-3 sec). Naproti tomu ultra­krátké pulzy mají dobu trvání v řádu několi­ka pikosekund (10-12 sec) a střední výkon laseru je několik desítek až stovek wattů. Za těch­to podmínek se dramaticky mění charakter interakce laserového pulzu s materiálem, kdy absorbovaný výkon způsobí okamžitou subli­maci v místě dopadu, ale vzniklé teplo se dí­ky krátkosti pulzu již nestačí šířit ani do bez­prostředního okolí místa dopadu. To znamená v podstatě obrábění za studena, bez tepelného ovlivňování zbývajícího materiálu. Samozřej­mě, tento druh laserů lze využít pouze na děle­ní a obrábění tenkých materiálů, a to nejen ko­vů, ale i keramiky a nekovových fólií. Takto lze například velmi efektivně vyrábět stenty pro kardiochirurgické aplikace – obr. 2. Existují i další aplikace, umožňující řezat tvarové díly ze smirkových papírů apod.

Je zjevné, že lasery se v oblasti dělení materi­álů velice dobře uplatnily. V dnešní době je tato technologie technicky a ekonomicky nezastu­pitelná a tento obor se velmi dynamicky roz­víjí. Další rozvoj laserových zdrojů v oblasti ul­trakrátkých pulzů pak přináší další principiálně nové možnosti technologie.

TEXT/FOTO LIBOR MRŇA, ÚSTAV PŘÍSTROJOVÉ TECHNIKY AV ČR