V současné době se věnují nemalé prostředky na modernizaci výroby a intenzivně se pátrá po nových technologiích a výrobních procesech. Společným jmenovatelem je především úspora materiálů a energií a jedním z nových efektivních postupů je využívání laserových zařízení tam, kde to dříve nebylo obvyklé. Po celém světě vznikají centra, ve kterých se vědci věnují aplikačnímu výzkumu, aby nové poznatky mohly co nejrychleji usnadnit hromadnou produkci v různých oborech. Z materiálů LZH zpracovala Ivana Strasmajerová
Jedním z takových center je hannoverské laserové centrum LZH, které se již 28 let věnuje výzkumu, vývoji, poradenství a školení v oblasti laserových a optických technologií a biomedicínské techniky a umožňuje přenos poznatků ze základního a aplikovaného výzkumu do průmyslu. Nezbytným předpokladem pro tuto činnost je kvalitní síť spolupracujících institucí, proto je LZH napojeno na tři technické univerzity a špičkové klastry, jako jsou Quest, Hearing4all a Remedis, účastní se mezinárodních výzkumných projektů a veletrhů, je partnerem významných institucí, například Hannoverského technologického institutu, a rovněž je integrováno do transdisciplinárních laboratoří pro nanoa kvantové inženýrství (LNQE) a centra pro biomedicínské inženýrství (NIDV). Centrum je podporováno Saským státním ministerstvem hospodářství, práce a dopravy. LZH – poslední příspěvky do mozaiky nových postupů Efektivní * flexibilní * lehká * chytrá: takovým způsobem prezentovalo LZH inovativní výrobu budoucnosti na jarním hannoverském strojírenském veletrhu a na příkladu probíhajících výzkumných projektů specialisté LZH demonstrovali, jak současné laserové technologie ovlivňují výrobní procesy, proč se hodí především pro individualizovanou výrobu a z jakých důvodů se dají využít především pro hromadnou produkci lehkých konstrukcí a technologicky náročných komponentů. Opravy strojních komponentů, které podléhají vysokému namáhání, musejí být provedeny z důvodu nákladů způsobených přerušovanou výrobou rychle a efektivně a díky laserovým technologiím může celá oprava proběhnout v jediné fázi. Například díky stabilizovanému nanášecímu svařovacímu procesu se doba oproti konvenčnímu plynovému svařování zkrátí až třikrát. Laserová aditivní výroba překračuje hranice běžných výrobních technologií a dokazuje, že jednotlivé díly i lehké konstrukční části mohou být vyrobeny z hořčíkových slitin, které vydrží vysoká zatížení. Laserová technologie může být použita i v případě výroby konstrukcí z kompozitních materiálů, jež je obtížné kombinovat, a pro řezání, vrtání, odstraňování a spojování materiálu v automobilovém a leteckém průmyslu. Na veletrhu byly vystaveny vzorky, které přínos laserových technologií dokazují.
Využití v průmyslu
Lepení místo pájení? Diamantové řezací segmenty lze s pomocí laseru na pilových listech vyměnit velmi rychle a efektivně. Laserové záření se využívá k rozpouštění lepidla a odstraňování zbytků lepidla z pilového listu a k následnému utvrzení epoxidové pryskyřice, čímž vzniká velmi pevný spoj. Například přírodní kámen, mramor nebo žulu lze dělit výhradně pilovými listy z odolného materiálu s diamantovými řezacími segmenty. Jsou-li tyto segmenty poškozeny, řezné části musí být nahrazeny. Běžně je celý pilový list poslán do opravny, řezné segmenty tepelně odděleny a nové řezné segmenty připájeny na pilový kotouč. Tepelné namáhání způsobené pájením vede k axiální odchylce (deformace) a nepříznivému rozložení napětí v pilovém listu. Z toho důvodu je nezbytné nastavit předpětí pilového kotouče, ale tím se kvalita řezu zhoršuje a ztráty rostou. LZH společně s výzkumným institutem v Remscheidu vyvinulo mobilní laserové zařízení založené na lepení pomocí laseru. Laserové záření způsobuje pilovým listům jen minimální tepelný stres, takže ostří mohou být namontována bez předpínání a v ideálním případě může být pilový list obnoven tak často, jak je třeba. Postup na bázi laseru se skládá ze čtyř kroků: • pomocí laseru se oddělí řezací segmenty z pilových listů; • pulzní laserový systém odstraní zbytky lepidla a nečistot; • povrchy segmentů a pilového kotouče se upravují strukturováním působením pulzního laserového systému; • nové segmenty se nalepí jednosložkovým lepidlem z epoxidové pryskyřice, které se tepelně utvrdí za použití kontinuálního laserového působení. Ve srovnání s pájením má lepení mnoho výhod. Patří k nim malé až zanedbatelné tepelné deformace, rovnoměrné rozložení napětí ve spojovací zóně, relativně vysoká pevnost spojení a tlumení vibrací. Projekt byl financován v rámci programu na podporu průmyslového výzkumu německým Spolkovým ministerstvem hospodářství a energetiky. Výroba bez chyb – „Zero Failure Manufacturing“ je cílem nedávno zahájeného projektu COMBILASER EU, na kterém LZH spolupracuje s dalšími 11 partnery. Myšlenkou tohoto projektu je monitorovat svařovací procesy z různých míst on-line a pomocí e-learningu se poučit z chyb. Do tohoto projektu jsou rovněž zapojeni partneři z Finska a je podporován Evropskou unií prostřednictvím programu Horizont 2020. „Formování na míru“ Jednou z nových myšlenek v oblasti výroby masivních obrobků je obrábění objektů svařených z různých materiálů. Metoda je přínosná pro téměř všechny oblasti konstrukcí strojů. V rámci projektu „Formování na míru“ se touto myšlenkou bude LZH zabývat v příštích čtyřech letech a 40 vědců bude v 15 dílčích projektech pracovat na třech zadáních – výroba polotovarů; tváření; konstrukce a hodnocení. Německá nadace pro výzkum přiděluje na tuto činnost celkem 8,5 mil. eur. Stanovení torzního momentu a výchylka hřídele Komponenty, které monitorují pnutí, deformace a vibrace? Laserová čidla mohou být umístěna na konstrukce, měření jsou mnohem přesnější a senzory nezabírají žádný prostor. U turbín, větrných elektráren nebo elektrických motorů je důležité určit torzní moment a úhel natočení hřídele. Aktuálně využívané měřicí systémy jsou často umístěny na hřídeli a systém je náchylný k chybám měření. Z tohoto důvodu LZH spolupracuje s Institutem integrované produkce v Hannoveru (IPH) o vývoji integrovaného systému měření s pomocí laserových technologií a optických snímačů. Nový systém by měl být odolný, spolehlivější a méně nákladný. Stabilní laserové svařování měděných materiálů Pulzní laserové svařování lze využít pro spojování měděných komponentů. Měď a její slitiny se v elektronickém a elektrotechnickém průmyslu využívají velmi často. Infračervený paprsek, který se používá, není měděnými materiály rovnoměrně absorbován. Proto se kvalita sváru značně liší a někdy může dojít k oddělení materiálu. Důvodem mohou být nečistoty, oxidační vrstvy a různá drsnost povrchu. Tyto nedostatky lze odstranit stabilizací mědi zeleným laserem. Kondicionace mědi může zlepšit absorpci laserového záření a vědci LZH působí na měděné materiály laserem s krátkou vlnovou délkou (532 nm) a chtějí nadále tuto metodu vyzkoušet i pro kontinuální svařování. Tento a výše zmíněný projekt jsou podporovány německou federací průmyslového výzkumu „Otto von Guericke“.
Využití v medicíně
Lasery se mohou využívat pro inovativní pokovování elektrod kardiostimulátorů. Jednou z možností, jak prodloužit životnost kardiostimulátoru, je zvolit vhodný tvar a vylepšit povrch elektrod. Pro tento účel má ideální vlastnosti platina, která je bioinertní, ale obvyklé metody odlévání kovů mají pro výrobu předmětů v mikrorozměrech velká omezení. Vědci proto vyvinuli metodu SlμM, selektivní laserové mikrotání, ve spojení se speciálním 3D tiskem. V rámci projektu „Remedis“ se vyvíjí vysoce automatizovaný laserový tavicí proces vhodný pro pokovování implantátů vyrobených z platiny, niklu, titanu a nerezové oceli. Výroba příhradových konstrukcí ze slitin s tvarovou pamětí Slitina s tvarovou pamětí NiTi se v lékařské technice využívá hojně. Technologie s využitím NiTi nabízejí nové možnosti pro výrobu stentů nebo kostních náhrad. Vědci v LZH byli schopni vyrobit z NiTi vysoce komplexní, trojrozměrné komponentní konstrukce, kdy u jednotlivých částí bylo dosaženo přesnosti s rozlišením až do 90 um při zachování všech vlastností slitiny s tvarovou pamětí. Stent z nerezavějící oceli V rámci tohoto projektu byly pro výrobu stentů vyvinuty a vyrobeny struktury s uzavřeným designem buněk. Jejich mechanické vlastnosti jsou podobné jako u konvenčních stentů. Projekt byl realizován společně s Institutem pro biomedicínské techniky z univerzity v Rostocku a byl podpořen německým Federálním ministerstvem pro vzdělávání a výzkum.
Využití v námořních technologiích
Pro stavbu jachet jsou využívány lehké stavební materiály. Současné konstrukce jsou vyrobeny z plastu a vyztuženy vlákny (FRP) a výroba vyžaduje velké procento ruční práce. V současné době jsou používány zdroje paprsků s vlnovou délkou 1 um a 10 um. Vědci z LZH se zabývají vývojem inovativních zdrojů laserového záření, které by mohly učinit FRP zpracování efektivnějším, flexibilnějším, více automatizovaným, a tím i levnějším. Vědci z oddělení optických nástrojů rozvíjejí postupy s emisní vlnovou délkou 2 um. Optická vlákna mohou být navzájem spojena, aby se sloučil výstupní výkon několika vláknových laserů, a vědci doufají, že dosáhnout výstupního výkonu více než 400 W. S touto vlnovou délkou se očekává lepší absorpce materiálů, jako jsou například kompozitní materiály vyztužené aramidovými vlákny a polymerní materiály. Výhodou nových postupů je vynikající kvalita paprsku, taktéž práce s laserem je pro oči pracovníků méně nebezpečná. Projekt LEWANTE je dílčím projektem projektu FUTURIA (Nástroje pro lehké námořní konstrukce), který probíhá od 1. července 2014 do 30. června 2017 a je podporován Spolkovým ministerstvem hospodářství a energetiky. FUTURIA je součástí evropského výzkumného programu námořních technologií Martec II.