Využívání vysokovýkonových laserů ve výrobě již není žádnou novinkou. V mnoha oblastech postupně nahrazují konvenční metody obrábění. Díky výzkumnému Centru HiLASE, které je součástí Fyzikálního ústavu AV ČR, se do České republiky dostaly i pokročilé laserové technologie. Jejich použitím je možné výrazně zlepšit vlastnosti výrobních dílců a součástí. „Například metoda Laser Shock Peening (LSP) dokáže prodloužit životnost upravené součásti i desetkrát,“ vysvětluje na úvod Jan Brajer, vedoucí oddělení průmyslových aplikací laserů.
Technologií LSP disponuje v České republice jediná instituce, a to právě HiLASE. V čem je tato metoda převratná? LSP nahrazuje klasické technologie vnášení tlakového zbytkového napětí do povrchu, tedy například tryskání balotinou, kuličkování, válečkování či hlazení diamantem. U všech těchto metod platí, že se stlačením povrchu vytvoří předpětí, které brání šíření únavových trhlin. Rozdíl je ale v tom, že konvenčními metodami se zpevňuje celý povrch součásti maximálně do hloubky 0,2 mm, zatímco u LSP se zpracovává pouze předem vytipovaná oblast, kde předpokládáme, že může dojít k lomu. Laser totiž vytvoří zpevněnou vrstvu hlubokou i přes 1 mm, a kdyby se využíval na celou plochu povrchu, docházelo by k deformaci součásti. Zpevněná vrstva je výrazně tlustší a brání tak lépe šíření mikrotrhlin. Právě to je důvodem násobného zvýšení životnosti materiálu oproti běžně užívaným postupům.
Kuličkování i válečkování jsou metody velmi jednoduše představitelné. Ale jak konkrétně dochází ke kompresi povrchu za pomoci laseru? V Centru HiLASE máme k dispozici speciální laserový systém Bivoj, který je již od roku 2016 považován za laser se světově nejsilnějším průměrným výkonem ve své kategorii. Nedávno na něm bylo stabilně dosaženo energie 145 J a v maximu 146,5 J v 10 ns trvajícím pulzu při opakovací frekvenci 10 Hz na vlnové délce 1 030 nm, což se rovná světovému rekordu. Bivoje zaostříme na vodou pokrytý povrch součásti a vystřelíme nanosekundový pulz. Svazek laseru projde přes vodu, narazí do povrchu a dojde k interakci laseru s materiálem a vytvoření plazmatu.
Celý proces lze v ten moment připodobnit k explozi, kdy chce vzniklé plazma díky dodané energii rychle expandovat. Pak ale zafunguje voda jako bariéra, která tlak na povrchu, dosahující až 6 GPa (teoreticky i 10 GPa), po tuto velmi krátkou dobu podrží. Vznikne rázová vlna, která projde materiálem a vytvoří kompresní zbytkové napětí v povrchu.
Kolik takových pulzů je třeba do jednoho místa poslat, aby došlo k chtěnému zpevnění? Používáme energii v řádech několika joulů, takže na konkrétní místo stačí jeden pulz, kterým tak zpevníme plochu o velikosti 9 mm2. Velikost svazku je ve většině případů 3 × 3 mm2. Pokud je třeba zpevnit větší plochu, můžeme s laserem střílet do povrchu ve frekvenci 10 Hz a klást „čtverce“ jeden vedle druhého. Hloubka plastické deformace je u každého materiálu jiná, u hliníkových slitin až 20 μm, u běžných ocelí a nerezí od 5 do 10 μm, a u nástrojových ocelí od 1 do 4 μm. Pro kvalitní zpracování ploch je navíc potřeba vytvářené čtverce překrývat, a to nejen proto, abychom měli jistotu, že je povrch zpracován celý, ale i kvůli snižování drsnosti. Když se totiž čtverce kladou těsně k sobě, vznikají mezi nimi mikrometrové výstupky, a musela by se proto používat ještě další dokončovací technologie.
Technologii LSP máte v HiLASE od roku 2016. Kde jste se při její aplikaci a následnému rozvoji inspirovali? Od roku 2013 jsme navštívili několik světových univerzit. Byli jsme například ve Francii, USA či Španělsku. Univerzita v Cincinnati, ve které jsme měli možnost strávit s kolegy několik měsíců, spolupracuje s GE Aviation, kde se LSP řadu let využívá na zpracování lopatek leteckých motorů. Také jsme navázali spolupráci s japonskou Toshibou, která již v roce 2000 vyvinula zařízení na zpracování svarů v reaktoru jaderné elektrárny technologií LSP. My jsme začali pracovat na výstavbě pracovní stanice v roce 2015, pořídili jsme robotické rameno a začali dávat dohromady i ostatní hardware, který je pro technologii potřebný. V roce 2016 jsme technologii LSP zprovoznili a začali zpracovávat velké množství vzorků z nejrůznějších materiálů. Zkoušeli jsme zpracovat hliníkové slitiny, titanové slitiny, měď, nerezy, klasické oceli, kobalt-chromové materiály a podobně. Za ty čtyři roky jsme se posunuli výrazně dále, máme automatizovaný proces, kde je implementováno řízení robotu i laseru samotného. Došlo k automatizaci spouštění vody, ofuků i provozní diagnostiky. Lze říci, že se jedná o autonomní zařízení, které co nejvíce napodobuje průmyslový přístup. Za úspěchem LSP technologie v Centru HiLASE stojí její rozvoj a neustálé zlepšování metod a procesů při jejím využívání. Firmy si u nás přibližně dva roky mohou nechat zpracovávat součásti, které potřebují.
Na jakých typech zakázek jste již měli možnost s LSP pracovat? V minulosti jsme se zabývali například zpracováním dílců pro aerospace, kdy jsme zkoušeli zpracovávat letecký hliník či titanové slitiny. Dosáhli jsme zajímavých výsledků, nicméně aplikace a všechna certifikace, která je pro oblast aerospace nutná, je natolik obtížná, že jsme tyto snahy nakonec odsunuli na vedlejší kolej. Druhou a nezanedbatelnou oblastí je pro nás jednoznačně energetika. Po navázání spolupráce s Toshibou se k nám do týmu podařilo přizvat profesora Sana, který technologii LSP zaváděl v Japonsku. S ním jsme neustále v úzkém kontaktu a řešíme, jak technologii aplikovat pro českou energetiku. I proto jsme začali spolupracovat s Centrem výzkumu Řež a s nimi zpracovali mnoho různých vzorků, například z oceli 08Ch18N10T. Technologie LSP byla v tomto případě úspěšná až na několikátý pokus, ale ověřili jsme si, že jsme schopni zcela zmírnit nepříznivý efekt defektu. Jinak řečeno, pokud dojde v materiálu k nějakému porušení a my toto místo zpracujeme (opravíme) laserem, dokážeme součásti vrátit téměř její původní parametry. Vneseme do materiálu tlakové zbytkové napětí a zabráníme tak šíření únavové trhliny. Defekt samozřejmě zůstává, ale nezvětšuje se. Tuto techniku jsme si dokonce v loňském roce nechali patentovat. A na základě úspěchů s CV Řež jsme započali jednání s dalším subjektem — ČEZ, s nímž bychom v budoucnu velmi rádi řešili problematiku koroze za napětí svarů různorodých materiálů.
To ale zdaleka není vše, LSP se dá využívat i mimo energetiku a aerospace, že? Ano, přesně tak to je, zabýváme se například zpracováním 3D tištěných dílců. Ale velmi zajímavou oblastí, kde lze technologii využít, je zpracování nástrojových materiálů pro obrábění i tváření. Naší první studií, kterou jsme v tomto segmentu provedli, bylo zpracování kovací zápustky, protože kovací zápustky mají všeobecně krátkou životnost. [Zápustkové kování je strojní způsob tváření kovů, resp. kování, při němž se na kovací teplotu ohřátý polotovar vtlačí tlakovým rázem bucharu nebo tlakem lisu do zvláštní formy, zápustky — pozn. red.] Společnost SHM, která se touto problematikou zabývá dlouhodobě, dokázala vyvinout povlak, jenž nástroji zvýšil životnost násobně. Úpravami ale bylo dosaženo limitů technologie, samotným povlakem už není možné získat lepší výsledek z důvodu limitovaných vlastností základního materiálu. Pokusili jsme se tedy zkombinovat metodu LSP a následné povlakování, a to na první pokus hned se skvělým výsledkem. Životnost kovací zápustky se nám podařilo ještě zdvojnásobit. Po ověření na dalších nástrojích jsme se proto se společností SHM pustili do mezinárodního projektu Delta 2, který je zaměřen právě na kombinování technologie LSP a PVD povlakování [physical vapour deposition — technologie vytváření vrstev založená na odpaření nebo odprášení pevné látky v řízené atmosféře — pozn. red.]. Nakonec spolupráce vyústila v založení spin-off společnosti Hi-Beams, která je z poloviny vlastněna firmou SHM a druhou polovinu vlastní Fyzikální ústav Akademie věd ČR. Nyní se těšíme na zajímavé technické výzvy, které budeme pomáhat řešit nabízenými technologiemi českým firmám.
V HiLASE se zabýváte i laserovým texturováním, v němž používáte unikátní laserové technologie. Čím jsou tak výjimečné? Laser Surface Texturing (LST) je osvědčená technika zpracování povrchů za účelem dosažení určité funkce a náš přístup je jedinečný v tom, jaké laserové zdroje k ní vyvíjíme a používáme. Pro texturování používáme laser, který lze zaostřit do několika desítek mikrometrů, a pikosekundové pulzy, při nichž už nedochází k tavení materiálu, nýbrž rovnou k jeho vypaření. To nám dává do rukou skutečně velmi přesný nástroj pro mikroobrábění. Naše lasery mají průměrný výkon stovky wattů, ale energie v pulzu se pohybuje v jednotkách milijoulů. Nicméně po dobu té jedné pikosekundy můžeme i s takto malou energií dosahovat špičkového výkonu v řádech gigawattů. Díky těmto parametrům jsme schopni zpracovávat materiál velice přesně bez velkého tepelného ovlivnění povrchu a s dodatečnými technikami dokážeme navíc získat detail v řádech stovek nanometrů. Díky laserovým zdrojům, které mají dostatečný výkon, dokážeme toto zpracování provádět i relativně rychle.
Máte i v tomto případě nějaké zajímavé spolupráce se soukromým sektorem? Když se na površích dělají takovéto mikrostruktury, trvá to běžně hodiny a je to velmi nákladná záležitost. Proto jsme navázali spolupráci s izraelskou firmou Holo/or, která vyrábí optické elementy, umožňující rozdělení svazku. V rámci společného projektu s firmou Meopta- optika jsme testovali element, který dokáže rozdělit laser do 784 svazků při perfektní distribuci intenzity. Při této spolupráci Meopta vyvinula potřebnou procesní optiku již během zpracování. Laser je rozdělen do matice svazků, kterou „obtiskneme“ na materiál a tím celý proces zrychlujeme 784×. Před nedávnem v Holo/oru vyvinuli novinku, s níž lze svazek rozdělit dokonce na 2 601 svazků. Už jsme element testovali a vypadá opravdu perfektně. Díky takovému množství svazků dokážeme enormně zrychlit celý proces texturace, čímž se výrazně přibližujeme k reálným požadavkům průmyslu. V této chvíli neexistuje na světě žádná jiná společnost, která by toto dokázala. Naše výsledky v této oblasti publikujeme v odborných impaktovaných časopisech, konferencích a zároveň prezentujeme krátká videa na YouTube nebo LinkedInu.
Lze s dělením svazků ještě nějak dále pracovat? Samozřejmě že lze. V laboratoři máme další velmi zajímavé zařízení, procesní optickou hlavu od firmy Pulsar Photonics. Ta dokáže svazek digitálně rozdělovat a upravovat. V praxi to znamená, že laser můžeme rozdělit na mnoho dílčích svazků a zároveň si definovat, které a kde mají být aktivní. Nebo jednotlivé svazky můžeme uskupit do určitého tvaru, čímž se boří všechny zavedené konvence. Protože když byste chtěla stávající technologií vytvořit například písmeno, je nutné ho laserem celé obkreslit. Nyní lze svazek rozdělit, namodelovat do příslušného tvaru písmene a jednoduše jej obtisknout na povrch a stejně pokračovat i s dalším písmenem. Navíc je metoda velmi rychlá, zařízení je schopné změnit matice do jiného tvaru v 50 milisekundách. Pomocí tohoto zařízení tak dokážeme vytvářet unikátní struktury, které bychom jinak vytvářeli velice obtížně. Dále nám to umožňuje pokračovat ve výzkumu jednoúčelových statických elementů, které jsou navrženy přímo pro konkrétní aplikaci na základě testů na této chytré optice.
/Kristina Kadlas Blümelová/
