Průmyslové lasery v roce 2009 aneb pečlivě zvažujte jak vysoké výkony od nich požadujete

Do roku 2009 nevstupuje světová ekonomika s příliš dobrou vizí, obecně vyvolanou neschopností lidské populace optimálně řídit chod svého dění a pozitivně absorbovat to, co se ve vývoji opírá o stálé fyzikální zákony. Přes sny, ale i periodicky se opakující chyby „neomylných“ politiků, finančníků, prognostiků, ekonomických analytiků a různých rádoby důležitých managerů se světové ani naše hospodářství nevyvíjí úplně podle přání. Ne každý výrobce má stejnou šanci řešit vzniklé problémy. Čerstvé příklady ze zahraničí ukazují, že i v zemi, orientované výslovně na tržní ekonomiku, mohou se vlastní, byť třeba koncernové ztráty, pokud se hodně křičí, kompenzovat i státními dotacemi a subvencemi. U menších podniků zůstává ale většinou jen na jejich schopnostech a flexibilitě výrobních programů. Je jen náhodou, že zcela nezávisle na celé této dnes tak vyhrocené situaci má právě letos končit pro malé a střední podniky práce na projektu EU, zaměřeném na podporu jejich konkurenceschopnosti, projektu SME robot – Small and Medium-sized Enterprise. Tady jde o technickou problematiku, vytvořit za podpory předních evropských výrobců robotických systémů zcela nové pojetí cenově přístupných modulárních a interaktivních robotů, s krátkou dobou instalace, jednoduchým ovládáním a možností využití v návaznosti na nejnovější technologie. K těm zásadním, které právě pro flexibilitu výrobního programu mohou často sloužit jako univerzální výrobní nástroj, patří i laser a laserové technologie. Už dávno nejsou lasery soustem pouze pro velké podniky, velkosériovou nebo hromadnou výrobu a jejich současný vývoj, kde se dospívá při dostatečné hustotě výkonu k rozměrově úspornějším měřítkům, to jen dosvědčuje. Současná tržní nabídka zahrnuje už dostatečně široké spektrum principiálně odlišných typů laserů s jinými fyzikálně-optickými parametry, a tedy i laserů, různě výhodných ve vztahu k požadované technologii, zpracovávanému materiálu a jeho schopnostem absorpce laserového paprsku. Pro kupujícího je samozřejmě podstatná i cena a předpokládaná výše provozních nákladů. Tento faktor vystupuje do popředí zvláště nyní, v období počínající hospodářské krize, kdy přibývá zajímavých analýz a průzkumů, posuzujících efektivitu různých druhů technologií v závislosti na vnějších podmínkách. Zajímavé jsou kupř. závěry průzkumů vypracované agenturou Kienbaum pro European Laser Institute. Některá zjištění jsou obecně známá, jiná mohou být poučná i pro další vývoj. Výši investice a posléze i provozních nákladů lze při dodržení technického minima určitě korigovat i vhodnou volbou laseru. Stále cenově nejdostupnější je CO2 laser, v dalším pořadí pak následují výbojkou čerpané pevnolátkové lasery a polovodičové diodové lasery, podstatně vyšší investici vyžadují diodou čerpané pevnolátkové lasery a ještě cenově výše jsou pak nejnovější typy laserů kotoučových a vláknových. Ve vztahu k pořizovací investici je důležitý ale i správný odhad vlastních reálných potřeb na práce s laserem, včetně dlouhodobějších záměrů. Zajímavé názory k těmto otázkám zazněly koncem minulého roku, kdy období hospodářské recese už klepalo na dveře, na každoročně pořádaných Dnech otevřených dveřích pražské společnosti Trumpf. Je jasné, že cena laseru roste s jeho výkonem, někdy více než proporcionálně, přičemž maximální výkon nakoupené investice se nemusí vždy plně využít. Například u CO2 laserů, zatím stále ještě nejvíce užívaných třeba.při řezání plechů, rostou investiční náklady přibližně už o 50 % při samotném zdvojení výkonu laseru. Většina prací u této technologie řezání přitom probíhá ale u plechů tloušťky v rozsahu jen 1 až 6 mm, kdy postačí přibližně nákup laseru tak do výkonu 3 kW (max. výkon CO2 laseru je až 20 kW, vlnová délka 10,6 ?m). Podle praktických zkušeností pak CO2 laser o výkonu do 6 kW už postačí k řezání ocelových plechů do tloušťky 25 mm nebo řezání ocelových trubek a profilů. Při optimálních podmínkách se podařilo tímto typem laseru řezat ocel i tloušťky 40 mm. Hliník se řeže do 15 mm, mosaz do 8 mm. Vyšších výkonů laseru se využívá spíše ke svařování, nižších pod 500 W pro technologie s nekovovými materiály nebo při kovech u slabších profilů. Jakostnější paprsek poskytují difúzně chlazené „slab“ lasery, dnes na trhu dostupné do 8 kW, které jsou při řezání produktivnější už možností uplatnění vyšších řezných rychlostí. Často zmiňovanou nevýhodu CO2 laserů v nemožnosti přenosu výkonu optickým vláknem se snaží řešit v poslední době některá provedení difúzně chlazených laserů o extrémně nízké hmotnosti s šancí v případě robotizovaných pracovišť na umístění přímo na rameno kloubového robotu. Svůj rozmach s návazností na aplikace nových technologií zaznamenávají různá provedení pevnolátkových laserů, kde naopak vůči CO2 laserům lze převádět laserový paprsek od jeho zdroje až na místo užití optickým kabelem, případně ho tímto způsobem rozvádět i na více pracovišť. Vedle už dlouhodobě osvědčených Nd:YAG laserů s vlnovou délkou 1,064 ?m a válečkovou formou krystalu přicházejí pak nové varianty „innoslab“ laserů s deskovou formou krystalu, lasery s aktivním médiem ve formě tenkého kotouče a lasery s aktivním vláknem dopovaným prvky vzácných zemin. Pevnolátkových laserů se podle výkonu využívá především pro svařování a řezání, včetně tzv. Remote způsobů se skenováním paprsku, pro popisování a různé způsoby mikroopracování a zájem o ně narůstá i s uplatňováním technologií Laser Prototyping, Tooling a Manufacturing. Nové typy laserů vynikají opět vysokou jakostí paprsku a u pulzních laserů dosažitelností krátkých až ultrakrátkých pulzů. Rychlý vývoj kotoučových laserů – dnes do 8 kW a vláknových laserů, slibuje zatím nikterak ohraničované výkonové možnosti. Obě tyto skupiny laserů jsou si v mnohém podobné. Srovnatelnou vysokou kvalitou paprsku a výkonovou hustotou jsou vhodné v mnoha nových náročných aplikacích, např. při svařování nebo úpravách povrchu. Stupněm fokusace paprsku a následně možností zvýšit svařovací rychlost předbíhají tyto lasery např. i difúzně chlazené CO2 lasery. Vláknové a kotoučové lasery dokážou např. při úzké fokusaci, vysoké hustotě výkonu, úzkém svaru a vysoké svařovací rychlosti svařovat i vysoce legované hliníkové slitiny AlMgSi bez rysek a trhlin. Vyšší účinnost vláknových a kotoučových laserů je příznivým faktorem i pro energetické úspory, výhodný vláknový přenos výkonu je vítaný i pro mobilní pracoviště a práci na nadměrných dílech. Vláknové lasery mají u průmyslových aplikací zatím jen poměrně krátkou tradici, ale už nyní se ukazuje na jejich efektivitu u většiny obvyklých technologií. S vláknovými lasery nastává také teprve zásadní vstup do oblasti ultrakrátkých nano-, pikoa femtosekundových pulzů, kde jejich přínosem je opracování materiálu opět s nižším tepelným ovlivněním okolní zóny. Někdy se tyto technologie označují jako studené opracování či studené obrábění materiálu. Zajímavým pokusem s vláknovým laserem jsou i testy tzv. flexibilního vláknového laseru, vhodného v jednom konstrukčním provedení i pro různorodé operace. Jednu z takových variant pro svařování, řezání a povrchové úpravy vyvinul Fraunhoferův institut IWS ve spolupráci s firmami Alotec, Ingenieurbüro Göbel, IPG Laser a Reis Maschinenfabrik. Vlnovou délkou 790 – 980 nm disponují diodové polovodičové výkonové lasery, které obdobnou schopností přenosu paprsku od zdroje až na místo operace optickým vláknem se mohou přiřadit k předešlé skupině laserů. Co mluví pro tyto lasery je jejich dobrá účinnost, nízké investiční a provozní náklady, vysoká životnost a malé rozměry. V sestavě dosahují výkonu až 10 kW. Při obvyklém výkonu do 250 W se doporučují k řezání a svařování plastů nebo různých kovových fólií, vhodné jsou i pro pájení. Při vyšších výkonech i pro technologie povrchových úprav, kde se může výhodně využít původní pravoúhlý profil zaostřeného paprsku s rovnoměrným rozložením intenzity záření. Do skupiny průmyslových laserů patří i excimerové halogenidy nebo oxidy vzácných plynů, v zásadě pulzní, s vlnovou délkou záření v ultrafialové části spektra od 157 do 351 nm. Vynikají dobrou fokusací paprsku a při krátkých pulzech poskytují opracování s ostrými okraji a jen minimální tepelnou zátěží okolí. Jejich místo v průmyslu je proto především v elektronice a jemné mechanice, kde poskytují opracování s mimořádně ostrými okraji řezu. Vývoj však i tady jde dále, rostoucí hustota elektronických obvodů požaduje pronikat i do oblasti extrémně ultrafialové EUV, kde se první kroky už realizovaly s lasery s vyzařováním na vlnové délce 11 až 14 nm. Extrémně ultrafialové záření v porovnání s viditelným a dlouhovlnným UV zářením je absorbováno všemi materiály, včetně plynů, proto celý proces s užitím laserů – třeba v oblasti mikrolitografie – musí probíhat ve vakuu. Rozdíl je i v používané technice a maskách elektronických obvodů, kde toto záření vyžaduje vývoj nových zrcadel s vysokou odrazivostí. Velkou budoucnost slibuje na druhé straně ovládnutí a využití záření v oblasti terahertzových vln, tj. vyzařování v části elektromagnetického spektra na frekvenci 0,1 až 10 THz, mezi oblastí infračerveného záření a oblastí mikrovln. Pro řadu aplikací je zajímavé i tím, že bez potíží prochází řadou materiálů, jako jsou např. papír, plasty, textil nebo i různé stavební materiály, včetně kamene a výhodně může být využitelné i pro bezpečnostní detekční systémy. To nakonec, spolu s dnešní lepší dostupností zdrojů THz záření vývojem vhodné laserové techniky v oblasti ultrakrátkých pulzů, přispívá i k vývoji průmyslového využití THz záření pro spektroskopii, měřicí a komunikační techniku. Nejlépe ale na otázku jak blízké, tak ale i vzdálenější budoucnosti vývoje laserů, laserových systémů a laserových technologií odpoví letos přední světový veletrh laserů a laserové techniky LASER 2009 – World of Photonics, pořádaný po dvou letech opět v Mnichově 15.-18. června. Pro naše zájemce připravuje na tomto veletrhu účast už tradičně brněnská s.r.o. Expo-Consult+Service, která Mnichovské veletrhy v České republice zastupuje. /jš/