V širokém spektru mnoha výrobních technologií a aplikací mají dnes svou nezastupitelnou roli technologie opracování materiálů paprskem laseru. Přestože se lze zjednodušeně dívat na použití laserového paprsku jako na produktivnější, opakovatelnější a často i efektivnější alternativu některých třískových technologií obrábění, jako je mikrofrézování, řezání nebo vrtání, skutečný rozsah možných aplikací laseru je mnohem širší. Jeho použití pro svařovací a navařovací operace, tepelné zpracování materiálu, leštění, čištění a texturování povrchu, gravírování nebo jiné způsoby mikroopracování je totiž v řadě případů pro výrobu jedinou rozumnou alternativou. Rostoucí nároky na přesnost a miniaturizaci výroby, stejně jako na použití moderních konstrukčních materiálů vede ke zvýšené poptávce po unikátních a moderních technologiích, ke kterým laserové technologie bezesporu patří. To jsou také důvody, proč se možnostmi a aplikacemi laserových technologií soustavně zabýváme i ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT).
HISTORIE VÝZKUMU LASEROVÝCH TECHNOLOGIÍ VE VCSVTT
Po založení VCSVTT v roce 2000 byla (jako jeden z hlavních směrů výzkumu) vytyčena také cesta aplikace laserových technologií pro spojování, nanášení, opracování a ovlivňování vlastností materiálů. Jako základ tehdy více teoreticky a experimentálně založeného výzkumu byly zvoleny přístupy pro poznání základních vlastností vzájemné interakce paprsku laseru a materiálu a jejích výsledků. Výsledky a znalosti, nalezené prostřednictvím výzkumu, umožnily mimo jiné i následnou aplikaci poznatků u partnerů v průmyslu. Pracoviště VCSVTT bylo v prvních letech řešení výzkumu vybaveno laserovým strojem SITEC s označením Laser JK701JH (obr. 1). Jde o pevnolátkový Nd:YAG laser o výkonu 550 W, s vlnovou délkou 1064 nm. S kombinací minimální stopy paprsku 0,15 mm a dobrého výkonu umožňuje tato sestava realizovat především svařovací, řezací, vrtací, ale i navařovací aplikace zejména v kovových materiálech v tloušťkách cca 0,5 až 5 mm. Pro doplnění technologických možností se v roce 2007 pořizovalo druhé laserové zařízení (obr. 2). Zdroj byl opět zvolen v podobě pevnolátkového nanosekundového Nd:YAG laseru. Tentokráte však s maximálním výkonem o hodnotě 50 W, vlnovou délkou 1064 nm a minimální šířkou stopy paprsku 0,1 mm. Toto laserové pracoviště se dnes úspěšně využívá především pro texturování, gravírování, popisování a mikroobrábění s potřebou malého tepelného ovlivnění dílců. Realizuje se rovněž aplikace jemného čištění dílců od rzi nebo řízené přetavování jejich povrchu.
SOUČASNOST PRACOVIŠTĚ A PŘÍKLADY APLIKACÍ PRO PRAXI
K jednomu z hlavních cílů pracoviště VCSVTT patří budovat silnou a stabilní výzkumnou základnu pro možnost transferu poznatků k průmyslovým partnerům a podpořit tak přímo jejich konkurenceschopnost. To platí i v oblasti laserových technologií. V současnosti se snažíme nabyté zkušenosti, podložené dlouholetým výzkumem interakce laserového paprsku a nejrůznějších konstrukčních materiálů (kovy, plasty, dřevo, supertvrdé materiály atp.), využít právě ve prospěch výrobních podniků v ČR. Výsledkem jsou pak často unikátní a moderní řešení daného problému. Spolupracujeme s partnery jak ve fázi návrhu, ladění a zavádění laserových technologií v jejich provozech (např. problematika svařování plastů pro automobilový průmysl), tak i v případech řešení reálných zakázek typu speciální prototypové až malosériové výroby konkrétních dílců. Příklady takové spolupráce lze dokumentovat na několika vybraných aplikacích. » Vrtání děr malých průměrů – vrtání kruhových otvorů o průměru 0,1 mm do tenkostěnné ocelové trubičky pro vzduchotechniku. Bylo třeba nejen připravit příslušný otvor, ale i dodržet výrobní tolerance polohy sady desítek otvorů v řadě. Stejně tak bylo třeba naladit nejvhodnější podmínky pro minimální ovlivnění stěny trubičky a jejího vnitřku (obr. 3). » Svařování kontaktů – vznikla potřeba kvalitního svaření vodivých spojů pro automobilový průmysl. Byla nezbytná optimalizace parametrů laseru pro možnost svaření různých kombinací materiálů (ocel-nikl, hliník-měď) na jednom laserovém zařízení. Samozřejmostí byla kontrola výsledné jakosti svaru. Svařování nástrojů – realizace svarů na chirurgických nástrojích z korozivzdorné oceli. » Popis – typickými zakázkami pro popis laserem jsou dnes výroba čárových kódů, popis noniusů pro různá zařízení nebo realizace QR kódu přímo na vyráběné kovové dílce (obr. 4). U všech těchto aplikací je cílem dosáhnout především ostrosti a čitelnosti struktury s minimálním ovlivněním okolí místa působení paprsku. » Texturování – příkladem funkční textury povrchu může být úprava povrchu tvářecích nástrojů, jako jsou například střižníky nebo raznice. Speciální úpravou povrchu je totiž možné docílit lepší ulpívání maziva na nástrojích, a tím zvyšovat jejich životnost (obr. 5). » Gravírování – vytváření hlubšího definovaného reliéfu na výrobcích se opakovaně uplatňuje při výrobě razníků (obr. 6), miniaturních forem (například pro využití v optice) nebo profilů v nekonvenčních materiálech jako je slinutý karbid, keramika či KNB. Závěrem lze shrnout, že dlouhodobá koncepce aplikovaného výzkumu a vývoje laserových technologií ve VCSVTT poskytuje průmyslovým partnerům potřebnou základnu pro analýzu a řešení jejich konkrétních problémů. Řada dokončených průmyslových realizací a pokračujících výzkumných aktivit navíc neustále rozvíjí naše dovednosti a schopnosti. Nejen v oblasti laserových technologií je tak i nadále Výzkumné centrum pro strojírenskou techniku a technologii otevřeno dalším spolupracím s partnery z výrobní, ale i akademické sféry.
Ing. Pavel Zeman, Ph.D.