Lasery na rozhraní roků V roce 2006 se oceňovalo, rok 2007 ve znamení prestižního veletrhu LaserWorld of Photonics

Přesto, že od prvních laserových aplikací uplynulo již více než čtyřicet let, zaznamenává vývoj laseru a laserových aplikací stálý dynamický vývoj i v současné době. Týká se to jak prohlubování teoretických poznatků, tak i praktických aplikací s využitím laserového paprsku a podle prognostiků lze podobný stav s ročním nárůstem kolem 12 % očekávat i v příštích letech. Právě ukončený rok 2006 byl v tomto směru mimořádný už i tím, že dokázal hned na dvou místech nejen ocenit a ekonomicky podpořit dokončený nebo ještě probíhající výzkum, ale byl odrazovým můstkem i pro zhodnocení celého dosavadního vývoje s nástinem nových trendů na připravovaném, v tomto směru zcela ojedinělém mezinárodním odborném veletrhu Laser 2007 – World of Photonics. Podívejme se nejprve, jak dopadl minulý rok v udělených cenách. O těch, co byly udělené při loňském Kolokviu pro laserovou techniku v Cáchách jsme se již stručně zmínili i dříve. Připomeňme jen, že tady se prezentovala udílením cen společnost Arbeitskreis Lasertechnik AKL e.V., založená v roce 1990 pro podporu rozvoje laserové techniky a zavádění laserových technologií. K jejim záměrům patří i soustavná výměna informací, přenos informací z oblasti výzkumu a vývoje k praktickému využití i vzdělávací činnost. V současné době má společnost přes 60 členů a je otevřena i pro zahraniční zájemce. Poslání společnosti odpovídal i výběr ocenění, kde jejich nositeli se stali prof. dr. Ing. Horst Exner, profesor na Hochschule Mittweida a zároveň ředitel Laserinstitutu Mittelsachsen e.V. za vývoj v oblasti mikrospékání práškových materiálů laserem a Ing. Stefan Wischmann, vedoucí útvaru Strahl- und Sensortechnik u ThyssenKrupp Steel AG, za vývoj optiky pro integrované laserové svařování s vedením švu pro stykové tupé a koutové svary. Prof. Exner s týmem svých spolupracovníků rozšířil technologii 3D spékání práškových materiálů laserem, známou pod označením Selective Laser Sintering SLS, směrem k mikrospékání, využívání i jemnějších kovových nebo keramických prášků v oblasti nanometrů a dosažení tak při jemnějších vrstvách spékání rozlišení i pod 30 ?m (dosavadní stav této technologie předpokládal minimální velikost zrn prášku 10 ?m a tomu odpovídalo i rozlišení detailu většinou přesahující 100 um). Drsnost povrchu u nového postupu se pohybuje v závislosti na materiálu a některých výrobních faktorech, jako je třeba rychlost spékání, mezi 1,5 až 7,5 ?m. Pro realizaci mikrospékání bylo vyvinuto i celé komplexní zařízení, včetně systému pro kombinaci různých druhů prášků při potřebě speciálních vlastností výsledné struktury. Druhou inovační cenu získal Ing. Wischmann za vývoj vhodné optiky pro laserové svařování, integrované v jednom postupu s automatickým vedením švu. K vývoji nové svařovací hlavice s integrovaným skenovacím systémem a snímacím senzorem BCO (Beam Control Optik) vedly v tomto případě u firmy ThyssenKrupp Steel AG především potřeby 2D svařování stykových tupých a koutových svarů u technologií Tailored Blanks v ekonomicky výhodné kombinaci s průmyslovým robotem. Ten svou mechanikou nemusí ještě plně odpovídat náročným požadavkům na vlastní řízení dráhy a opakovací přesnost. Uplatnění systému BCO s rozmítaným laserovým paprskem nejen že umožňuje dosažení požadované přesnosti při svařování, ale svou dynamikou značně předčí možnosti robotu při rychlosti svařovacího procesu. ThyssenKrupp patří k průkopníkům technologie Tailored Blanks, kde základní myšlenkou je možnost stykového svařování různorodých pásů nebo přístřihů laserem před jejich dalším tvarováním, a to pokud jde jak o materiálové složení, tak i o tloušťku jednotlivých dílů. Tím, že tato technologie nevyžaduje přeplátování dílů, dosahuje se u výsledné konstrukce výrazného snížení hmotnosti. Tuto skutečnost oceňuje především automobilový průmysl, kde technologie Tailored Blanks byla jedním z rozhodujících faktorů k dosažení snížené hmotnosti skeletu karosérie u mezinárodního programu ULSAB – Ultra Light Steel Auto Body. Před závěrem roku došlo k ocenění i výsledků v oblasti věnované spíše laserovému výzkumu prostřednictvím tzv. Leibingerovy nadace. I tato nadace byla založena v devadesátých letech, s pravidelným udílením cen započala při dvouleté periodicitě v roce 2000. V minulém roce tak získali 1. cenu manželé dr. Karin Schütze a Raimund Schütze za výzkum mikropaprsku laseru a metody, vhodné pro využití v oblasti tkáňové medicíny k získání jednotlivých buněk. Pomocí této metody je možné provádět veškeré potřebné úkony, které se v oblasti buněčné medicíny vyskytují, a buňky případně oddělit a uchovat neporušené pro další výzkum. Laserovým mikropaprskem je možné tkáň pod mikroskopem nejen bezdotykově dělit, ale s buňkami i bezdotykově manipulovat. Druhá cena byla udělena v oblasti ultrakrátkých laserových pulzů, tedy takových pulzů, které minimálně tepelně ovlivňují okolní zónu. Při dosavadních postupech, při kterých bylo cílem takové pulzy získávat, bylo problémem ověřit, jak tyto pulzy vypadají, jaké mají přesné technické parametry a jak lze účinně působit na zvyšování jakosti paprsku. Oceněna zde byla měřicí metoda na bázi spektrální interferometrie Spider a odpovídající systém, vše vyvinuté prof. Ianem Walmsleyem, které dovedou podat charakteristiku i femtosekundových a pikosekundových pulzů. A třetí cenou Leibingerovy nadace byly poctěné práce od autorů dr. Michael Moi a dr. Ronald Holzwarth v oblasti laserové spektroskopie za realizaci přístroje pro měření frekvence laseru s rozsahem až na patnáct míst s dosažením přesnosti, která dovoluje měření možných změn základních konstant v čase. ? ? ? Tolik k uzavřenému roku 2006, který kromě vybraných ocenění přinesl celou řadu novinek, mnohdy značně překvapivých. Od některých z nich lze očekávat, že rozhodným způsobem zasáhnou i do praktické realizace laserových systémů v nastávajícím období. Ponechme ale celkové zhodnocení dosavadního vývoje laserů, laserové techniky a celých laserových systémů raději na jednání a ukázky připravovaného letošního vpravdě ojedinělého mezinárodního mnichovského veletrhu Laser – World of Photonics, který se po dvouleté přestávce koná již v době od 18. do 21. června. Tradičně se od tohoto veletrhu, především pak od závěrů plynoucích z jednání paralelně probíhajícího kongresu, očekává i náznak budoucích trendů v průřezu všech cyklů procesu, od výzkumu, přes vývoj až po realizaci. Tady je možné v současné době očekávat při pohledu na průmyslové laserové technologie zajímavou konkurenci nejen už mezi „starou“ Evropou, USA a Japonskem, ale čím dál tím více i působení výzkumu a firem z Ruska a Číny, případně i výsledky technologického propojení osy Německo – Rusko – Čína, naznačené už i při předchozím ročníku veletrhu. Zástupcem Německa je v této spolupráci, podporované BMBF, výzkumné, vývojové, ale i výrobní centrum Laser Zentrum Hannover LZH. Jeho nadcházející vstup na pole čínské ekonomiky navazuje na již dobré bilaterální vztahy s Ruskem, prezentovaným Moskevskou laserovou asociací, kdy za uplynulých 10 let bylo řešeno na 80 společných projektů. Svou činnost zahájila i německo-čínská vývojová střediska v Šanghaji a v oblasti Changchun, kde partnery LZH jsou místní univerzity Tongji University Šanghaj a University of Science and Technology Changchun a v projektech je již výstavba zastoupení jednotlivých německých výrobců a společných německo-čínských podniků. V Evropě je jedničkou v oblasti laserů a laserových technologií bezesporu Německo s význačnou finanční dotací spolkového ministerstva Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) v rámci projektu „Optické technologie - Made in Germany“. Podle prognózy Optech Consulting se Německo podílí na světovém obratu v oboru laserové techniky nyní už celými 40 %. U konkrétních průmyslových technologií lze očekávat další nápor současného překvapení na trhu průmyslových laserů, vláknových laserů, které po předchozích letech intenzivního vývoje začínají zasahovat v poslední době významně do oblasti, která byla dosud výhradně doménou CO2 laserů nebo laserů pevnolátkových, především Nd:YAG, případně ještě výkonových diodových laserů. Vláknové lasery při čerpání výkonnými diodovými lasery generují vlastní záření teprve uvnitř optického vlákna, dopovaného prvky vzácných zemin (tady optické vlákno nahrazuje funkci krystalu, užívaného u pevnolátkových laserů, u kterých ale vlákno na rozdíl od vláknových laserů, slouží na výstupu laseru jen k přenosu energie paprsku od jeho zdroje až na místo užití). Takové generátory vynikají výbornou kvalitou svazku (při 100 W je možné dosáhnout fokusace i pod 5 ?m, což představuje intenzitu záření přes 109 W/cm2 ), kompaktností, nízkým příkonem, chlazení je vzduchem, nepotřebují ze své podstaty ani nastavování rezonátoru či dodatečnou optiku pro navázání výstupu do vlákna a jejich potřebný elektrický příkon činí asi jen 1 % příkonu nutného u výbojkami čerpaných laserů. Přestože se objevilo už několik firem, které se studiem vláknových laserů zabývají, probíhal doposud praktický vývoj hlavně u americké společnosti IPG Photonics Corp., britské Southampton Photonics SPI a německé JDS Uniphase, kde se pokročilo už k vyšším výkonům, nadějným pro náročnější průmyslové aplikace. Oproti klasickým Nd:YAG laserům i CO2 laserům se dosahuje u vláknových laserů nižších jak investičních, tak i provozních nákladů. Ale i výrobci už zmiňovaných plynových CO2 laserů a pevnolátkových Nd: YAG laserů, hledají cesty jak dál zvyšovat jakost laserového paprsku, dosahovat vyšší hustoty výkonu a odpovídat tak na stále rostoucí požadavky dnes dvou hlavních průmyslových oborů – průmyslu automobilové techniky a průmyslu elektroniky. U CO2 laserů je pro další rozvoj průmyslových technologií podstatné nalezení způsobu pro jednodušší kombinaci s průmyslovými roboty při koncepci umístění laseru na ramenu kloubového robotu, což dovoluje neprůtočným DC laserům s difuzním chlazením aplikovat zkrácenou optickou cestu paprsku při jeho už úvodním přesazení na ramenu robotu do osy laserové hlavice. U obou typů CO2 i pevnolátkových laserů (zde většinou Nd:YAG laserů) se dá očekávat další vývoj směřující k naplnění ekonomicky i technicky prosazovaných technologií, jako je např. Remote Welding či Remote Schweissen. Tady jde např. o technologii, kdy pomocí optického skeneru s tzv. létajícím paprskem se dosahuje už i u výkonových laserů vysoce produktivního způsobu svařování mnohem rychlejším pohybem fokusovaného paprsku v dostatečně velkém rozsahu pracovního pole, než jak může nabídnout mechanický posuv. Přitom může jít jak o technologii švového i bodového svařování s rychlým najížděním pozic svarů a podstatným zkrácením vedlejších neproduktivních časů. Takovým náročným technologiím musí odpovídat i vývoj nových typů laserů, kde dnes se dostává do praktického užití už celá řada „slab“, „innoslab“ a kotoučových laserů. Vždyť do nedávna ještě oslavovaný 1kW kotoučový laser byl překonán u firmy Trumpf v posledních dnech už variantou s 8 kW. Přitom u kotoučových laserů, na rozdíl od jiných typů, neklesá s nárůstem výkonu jakost paprsku. Významný kvalitativní i kvantitativní posun zaznamenává laserové svařování plastických hmot, termoplastů, kde se zdá, že se našel už racionální způsob kvalitativně vyššího svařování plastů všech možných odstínů. Polohou svařenců je svařování plastů sice obdobné svařování kovů, ale naprosto odlišné je svou podstatou, spočívající na transparentnosti a absorbci plastů vůči paprsku laseru. Ideálním řešením je v tomto směru způsob přeplátování, kde vrchní svařovaný díl je transparentní vůči paprsku a spodní absorbující. Paprsek laseru, který je zaostřen do spáry mezi spojovanými díly, projde bez jakékoliv reakce transparentním plastem a v místě spáry je absorbován povrchem spodního dílu za vzniku teploty, potřebné pro jeho natavení. Sdílením tepla se od spodního dílu v mžikovém intervalu nataví i povrchová vrstva transparentního materiálu a za určitého tlaku dojde ke svaření obou dílů. Jak už z tohoto krátkého popisu vyplývá, je pro dosažení spoje podstatná rozdílná transparentnost a absorbce obou svařovaných dílů, přičemž požadovaných hodnot se dá dosáhnout i pomocí různých dodatečných pigmentů. Nevýhodou těch dosavadních bylo většinou ale barevné ovlivnění základního plastu. Ideální aditiva by měla dávat silnou absorbci v blízkém infračerveném rozsahu a žádnou absorbci ve viditelném rozsahu, neměla by ovlivňovat vlastnosti plastu a samozřejmým požadavkem je i jejich zdravotní nezávadnost. A nyní po dlouhých letech výzkumu přichází s takovými dvěma typy vysocedisperzních pigmentů organické řady Lumogen IR 765 a IR 788 firma BASF. Umožňují upravovat i absorbci transparentních a světlých hmot, aniž by podstatně měnily jejich odstín. Protože se nerozkládají teplem, je možný i vícenásobný průchod laserového paprsku přes tavicí zónu, což je podstatné nejen u křížení drah svarů, ale také pro způsob quasi-simultánního svařování. ? Na veletrhu Laser 2007 – World of Photonics se představí jistě i celá řada jiných technik a technologií. Např. s nápadem, jak ulehčit gravírování, řezání nebo svařování plastů s rozdílnou absorbcí laserového paprsku různé vlnové délky, tedy různých typů laserů, nebo s prováděním různých operací u téhož polotovaru tím správným laserem, přichází rakouská firma Trotec. Ta ve svém patentovaném laserovém zdroji spojuje obě technologie, s CO2 a Nd:YAG lasery. Novinky lze očekávat i v laserovém pájení, zvláště v pájení natvrdo, které v řadě případů spolehlivě zastupuje předchozí svařování a přitom vyloučí možné tepelné deformace. Pro automobilky, které jsou hlavním uživatelem těchto technologií, je vítaná zvláště možnost pájení i oboustranně pozinkovaných ocelových plechů, kde při svařování přeplátováním vzniká problém s porozitou svaru a pájení hliníkových dílů, především plechových dílů karosérií, bez užití pájecího agresivního tekutého prostředku. Pro tuto technologii vyvinul např. Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT ekologicky i zdravotně nezávadný postup pájení za pomoci dvou různě energeticky výkonných laserových paprsků. (Už zmiňovaný veletrh Laser 2007 – World of Photonics se koná letos na mnichovském výstavišti od 18. do 21. června. Pro naše vystavovatele a návštěvníky nabízí zde řadu užitečných služeb brněnská s.r.o. Expo-Consult+Service, která Mnichovské veletrhy v ČR zastupuje, (604 45 Brno, Příkop 4, tel./fax: 545 176 159). /jš/