Návrh a optimalizace laserových technologií

Díky řešení této problematiky mají pracovníci Výzkumného centra přehled o nejnovějším vývoji aplikací laserových tech­nologií, díky čemuž mohou pružně reagovat na požadavky průmyslu a jsou schopni řešit problémy, či poskytovat poradenství v problematice například laserového svařování, řezání, či navařování. Dá­le mají zkušenosti s laserovým kalením a gravírováním, a v neposlední řadě se zabývají laserovým popisem.

Dle zkušeností byl v poslední době zájem o všechny z výše zmiňovaných technologií, proto tyto technologie podrobněji představujeme.

Laser je velmi často používán pro řezání, a to pro nejrůznější aplikace, od štěrbin s mikrometrovou přesností při řezání malých součástí, až po ře­zání ocelových plechů o tloušťce až 30 mm. Pro řezání jsou používány různě výkonné lasery a podle řezaného materiálu se liší i laserový zdroj. Velice často jsou používané CO2 lasery, díky možnosti vysokého výkonu. Tyto lasery jsou vhodné pro kovy, plasty i keramické materiály. Také se ve velké míře používají pevnolátkové lasery, kterými ovšem nelze řezat na­příklad sklo nebo plasty, proto nacházejí své uplatnění zejména při řezání kovů či jiných netransparentních materiálů. Na zařízeních VCSVTT vyrá­bějí například prototypy dílců z duralových plechů, niklové či ocelové so­učástí a v neposlední řadě výrobky z obtížně obrobitelných materiálů, ja­ko je například kubický nitrid bóru nebo molybden.

Aplikace velmi blízká řezání je laserové vrtání, neboť se jedná o stejný princip – vznik tepla pomocí intenzivního působení paprsku laseru za případného doprovodu asistenčního plynu, ale paprsek nekoná pohyb po drahách, nýbrž stagnuje v místě vrtání nebo případně se pohybuje v ma­lých kruzích. Strategie mírného kroužení (případně pohyb po šroubovici) je výhodný pro zlepšení přesnosti a kvality vnitřní stěny vrtaného otvoru. Centrum má zkušenosti s vrtáním trysek pro protlačování tekutého mé­dia, otvorů hořáků pro ohřev materiálu před povrchovým kalením nebo vrtání matic otvorů do kovových folií sloužící pro různé účely.

SVAŘOVÁNÍ LASEREM

TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ LASEREM

Tepelné zpracování pomocí laseru je v poslední době čím dál více využí­vanou technologií. Nejznámější je laserové kalení, jehož princip spočívá ve velmi rychlém ohřevu povrchu materiálu laserem a následném prud­kém samoochlazení vlivem tepelné vodivosti zpracovávaného materiálu. Významnou výhodou je možnost lokálního kalení pouze na požadova­ném místě součásti. Navíc je možné řídit hloubku prokalení a výslednou tvrdost. Teplota procesu se dá regulovat on-line pomocí pyrometru in­tegrovaného přímo v optice laseru. Laserové kalení má výbornou opako­vatelnost a díky CNC řízení nabízí možnost zpracování složitých tvarů hran střižníků nebo jiných povrchů komplikovaných součástí. V české re­publice je pouze několik málo firem schopných vyrobit kvalitní laserem zakalenou plochu, ale jejich práce je na velmi vysoké úrovni. VCSVTT má zkušenosti s kalením nástrojových materiálů vhodných jak pro prá­ci za studena, tak za tepla. V minulých letech byly rovněž provedeny tes­ty kalení litiny a speciální ledeburitické oceli vyráběné práškovou meta­lurgií VANADIS 6.

NAVAŘOVÁNÍ LASEREM

Laserové navařování je progresivní náhradou za klasické navařovací tech­nologie. Lze jej provádět pomocí drátu, a to v režimu automatického po­dávaní nebo ručního podávání přídavného materiálu. V obou případech se této technologie využívá spíše v opravárenství, kdy je nutné opravit po­škozenou nebo opotřebovanou součást. Další možností laserového na­vařování je za pomoci prášku, kde je pohyb laseru realizován výhradně pomocí CNC řízení. Na povrch součásti lze navařit vrstvu, která má vy­sokou odolnost proti opotřebení a zároveň dostatečnou tloušťku, proto lze tímto způsobem zvýšit životnost součásti až několikanásobně. Výho­dou je také možnost použití laserového navařování pro tzv. Rapid Proto­typing, kterým lze nanést na povrch součásti libovolný tvar nebo vymo­delovat celou součást ze sintrovaného prášku.

Průmyslově nejrozšířenější aplikací je popisování laserem. Jedná se o ovlivnění nebo odpaření povrchové vrstvy v relativně krátkém čase. K laserovému popisu se nejčastěji používají různé druhy laserů o výkonu 10 až 50 W a zařízení jsou cenově dostupná. V minulosti se lasery použí­valy jen k popisu vyrobených dílů nebo k výrobě stupnic různých měřidel, ale v současné době se pomocí laserů značí i spotřební zboží, které se dří­ve značilo inkoustem. Výhody laserového popisu jsou oproti jiným meto­dám ve vysoké rychlosti a přesnosti značení. V současné době se používa­jí materiály, většinou plasty, speciálně vyrobené pro laserový popis, díky čemuž laserový paprsek dobře reaguje s tímto materiálem a je dosahová­no vysokého kontrastu. Takto se například vyrábějí ovládací prvky do au­tomobilů, kde se materiál s černým povrchem v místě ovlivnění laserem mění na bílý. Na laseru se nejčastěji popisuje eloxovaný hliník, kontrast vzniklý odpařením povrchové vrstvy je značný, proto je tato kombinace často vyhledávána.

GRAVÍROVÁNÍ A TEXTUROVÁNÍ LASEREM

Obdobou popisování laserem, ovšem za použití vyššího výkonu, je la­serové gravírování. Při gravírování laserem dochází v místě působení paprsku laseru k odpařování povrchové vrstvy materiálu, tzv. ablaci. To­uto technologií lze vytvářet jak jemné reliéfy, tak dutiny větších hloubek. Podle složitosti dutiny lze rozlišit 2D gravírování, kdy je dno dutiny ro­vinné, a 3D gravírování, kde je možné vytvořit prostorově složitou du­tinu. K rozložení modelu dutiny na jednotlivé vrstvy VCSVTT používá program ArtCam, který svou variabilitou dovoluje vyrobit prakticky ja­kýkoli tvar dutiny. Technologie má pouze omezení nejmenšího detai­lu, který je 0,1 mm a odpovídá průměru stopy paprsku použitého laseru. Gravírování se využívá pro výrobu razníků, detailů forem pro vstřikování plastů nebo pro speciální aplikace jinou metodou obtížně vyrobitelných dutin. VCSVTT má zkušenosti s aplikací gravírování různých tvarů, ja­ko jsou mazací drážky kluzných ložisek, loga firem, formy pro vstřikování plastů nebo razníky dat.

Zvláštním druhem laserového gravírování je texturování. Touto metodou lze vytvořit na povrchu texturu, která ovlivní jeho vlastnosti. V jeho nej­jednodušší formě se jedná pouze o zdrsnění povrchu nebo o vytvoření opakujícího se tvaru. Při použití sofistikovanjších způsobů lze na po­vrchu vytvořit textura, která má za následek snížení koeficientu tření, ne­bo umožní mazivu nanesenému na povrch rovnoměrně se usadit v této textuře, čímž může dojít k dalšímu zlepšení třecích vlastností povrchu. Laserem lze ovšem i vnášet jednotlivými pulzy do materiálu tlakové na­pětí, které má za následek jeho zpevnění nebo zvýšení meze únavy. V sou­vislosti s touto problematikou byly prováděny testy pro Výzkumný a zku­šební letecký ústav, a. s., kde docházelo k ovlivňování povrchu plechů používaných na trup letadla právě za účelem prodloužení jejich únavové pevnosti. Další aplikace textur byly prováděny na tažníky nebo střižníky pro snížení tření při jejich používání a speciální aplikací bylo texturování forem pro automobilové pneumatiky.

Využití laserového paprsku při zpracování různých materiálů má celou řadu vlastností, kterých nelze dosáhnout žádnou jinou technologií. Po­užíváním laserových technologií dochází ke snižování provozních ná­kladů, což dává laserovým technologiím výjimečné postavení a záruku budoucího rozvoje. Zárukou dalšího rozvoje laserové techniky je také prudký vývoj v oblasti mikrotechniky, výpočetní techniky a využívání softwaru. Dochází tak k plné automatizaci výrobního procesu a k zajiště­ní potřebné reprodukovatelnosti výsledků.

TEXT ING. JAN BRAJER A KOL., VCSVTT, FAKULTA STROJNÍ, ČVUT V PRAZE

SPOLUAUTOŘI: ING. ROMAN ŠVÁBEK, ING. RADKA BIČIŠŤOVÁ, ING. PAVEL ZEMAN, PH.D.