Od prvotního použití laserového paprsku ve strojírenské výrobě uplynulo už více než půl století. Dělení kovových i nekovových materiálů si v dnešní době z důvodu vysokého tlaku na produktivitu, kvalitu a ekonomickou náročnost již nedokážeme bez laserů představit. Laser se však uplatňuje také v dalších oblastech použití.
Dnes už není použití laseru omezené pouze na dělení materiálů, neboť v současné době patří mezi dynamicky se rozvíjející odvětví i laserové svařování a jeho popularita stoupá. Vzrůstající obliba je dána především schopností laserového svařování vytvářet přesné a pevné svarové spoje materiálů. V neposlední řadě nelze nezmínit možnost využití laserové paprsku v oblasti aditivní technologie, tedy 3D tisku kovových materiálů.
Obr. 1: Závislost absorpce materiálu na vlnové délce záření
Laserové dělení materiálů
Pryč jsou doby, kdy laserové dělení bylo vhodné především pro slabé plechy o tloušťce 3—4 mm. V průmyslové praxi lze dnes zcela běžně narazit na pevnolátkové laserové zdroje, které díky své vysoké energetické účinnosti zcela vytlačily starší CO2 lasery. Právě vyšší energetická účinnost laserového zdroje, absence nutnosti svářecích plynů a lepší absorpce laserového paprsku o vlnové délce 1 064 nm (obr. 1) vedou k hojnému využití.
Na trhu je také patrný značný nárůst výkonu laserových zdrojů. Dříve běžně používané 3kW zdroje jsou dnes čím dál více upozaďovány a nahrazovány zdroji o výkonech 6, 12, ale i více kW.
Kombinace výše zmíněných faktorů společně s neustále klesající pořizovací cenou laserových řezacích strojů vede k širším možnostem dělení materiálů. Vysoce výkonné lasery dokážou rozdělit i materiály o tloušťce 35 mm (obr. 2) a více, se zachováním stále dobrého kompromisu mezi kvalitou, rychlostí a vstupními náklady.
Laserové svařování a navařování
Svařování materiálu s využitím laserového paprsku o vysoké koncentraci energie má své jasné výhody. Omezení vneseného tepla během procesu spojování vede k minimalizaci deformace spojovaných materiálů. Pevné upnutí v průběhu svařování či následné rovnání tedy není potřeba. Také pevnost svaru může být pozitivně ovlivněna, avšak u některých materiálů je nutné brát ohled na možnost vzniku křehkých struktur.
Další výhodou ve srovnání s konvenčními metodami svařování je bezesporu rychlost a snadná obsluha méně kvalifikovanými pracovníky. Právě fakt jednoduché obsluhy a rychlosti vede k velkému rozvoji ručního laserového svařování. Důležité je však upozornit na bezpečnostní rizika, která v případě špatné nebo nekvalitní ochrany zaměstnanci hrozí. Především ochrana zraku speciálními ochrannými brýlemi (obr. 3) schopnými odfiltrovat laserové záření tvoří nutný základ. Z důvodu rizika možnosti odražení laserového paprsku v průběhu procesu svařování je navíc potřeba pracoviště situovat do uzavřeného prostoru.
Ve strojírenské výrobě lze rovněž narazit na laserové navařování (obr. 4), které se využívá při opravách a renovacích. Přídavný materiál ve formě prášku nebo drátu je pomocí laserového paprsku navařen na poškozenou nebo opotřebovanou část, což vede k obnově funkčnosti a vzhledu součásti. Nespornou výhodou je opět minimální tepelné ovlivnění, které lze ještě snížit díky možnosti pulzního řízení laserového paprsku.
Aditivní technologie — 3D tisk
3D tisk kovových dílců je využíván především k technologii tzv. rapid prototypingu, která se vyznačuje výraznou úsporou výrobního času prototypových modelů a součástí, a to díky přímé výrobě fyzické součásti z CAD dat. Další výhodou je možnost výroby tvarově velmi složitých součástí, které by jinými metodami nebylo možné vyrobit, nebo jen se značnými potížemi.
Mezi metody 3D tisku kovu s využitím laserového paprsku můžeme zařadit velké množství technologií, principiálně jsou si však velmi podobné. Vždy se jedná o aditivní technologii, tedy postupné nanášení stavebního materiálu ve vrstvách o konstantní tloušťce a následné přetavení pomocí laserového paprsku. Tento proces je opakován až do vzniku požadovaného tvaru součásti. Stavební materiál bývá většinou ve formě prášku.
Technické plyny = kvalitní výsledek a finanční úspora
Veškeré výše zmíněné technologie potřebují ke kvalitním výsledkům určité technické plyny. U laserového dělení materiálu se využívá pro dosažení nejlepších výsledků kyslík čistoty 3.5 (99,95 %), nebo dusík 5.0 (99, 999 %).
Použití kyslíku čistoty 3.5 u oxidačního řezání vede k nárůstu získané energie z exotermické reakce, což se projeví až 20% nárůstem řezné rychlosti.
U tavného řezání je jako řezný plyn používán dusík čistoty 5.0, díky němu se dosahuje kovově lesklých řezných ploch prostých oxidů. Při procesu laserového svařování, navařování a 3D tisku je základní materiál taktéž lokálně vystavován vysokým teplotám a z toho důvodu je nutné ho chránit. Využití zde opět nachází dusík vysoké čistoty, tedy 5.0, ale u určitých materiálů je z důvodu vysoké náchylnosti na tvorbu oxidů či nitridů požadováno použití čistého argonu.
Z finančního a logistického hlediska je důležitá správná volba zdroje technických plynů. Laserové řezání s využitím dusíku jako řezného plynu je charakteristické vysokými spotřebami. Zde je nejlepší variantou kryogenní zásobník (obr. 5). Pro menší spotřeby, například u kyslíku, se využívají svazky tlakových lahví. Laserové svařování, navařování a 3D tisk se vyznačují menší spotřebou ochranných plynů, zde je tedy vhodným zdrojem samostatná tlaková láhev, případně svazek tlakových lahví.
Jan Šplíchal, IWE, aplikační inženýr svařování a dělení materiálů
Messer Technogas