Letošní poslední červnová dekáda zaznamenala ve světě vědy a techniky mj. také představení vývoje laserových technologií i samotných zdrojů laserového paprsku na už tradičním mnichovském veletrhu Laser – World of Photonics 2015. Jak roste zájem o praktické aplikace této techniky, zvětšuje se i výstavní plocha veletrhu – letos už na 55 000 m2 a roste i počet vystavovatelů a návštěvníků. Také péčí našeho zastoupení těchto veletrhů u Expo-Consult+Service tu mezi více než 12 stovkami vystavovatelů (přesně 1227) měla své zástupce rovněž Česká republika – společnosti Crytur Turnov, SQS Vláknová optika Nová Paka a Meopta-optika Přerov, ale co je ještě zajímavější, velmi často se mezi více než 30 000 návštěvníky ozývala čeština. Laserové technologie, a to i díky snižování investičních a provozních nákladů, se stávají také v našich podmínkách reálně dostupnými a Technický týdeník ve svých následujících vydáních jejich uživatelům představí proto ty veletržní novinky, které zásadním směrem mohou ovlivnit efektivnost výrobních procesů. Dnes zaměříme pozornost asi na nejvýznamnější technologie, obecně nazývané 3D aditivní. Tedy technologie, u kterých se materiál při tvorbě výrobku postupně přidává, na rozdíl třeba od obrábění, kde se materiál odebírá. Nejsou tu nutné žádné formy, žádné speciální nástroje, výrobek se vytváří na základě jen samotné laserové technologie a programových dat. Zájem o tyto technologie probudily u širší veřejnosti už 3D tiskárny s procesem, při kterém se prostřednictvím „tiskárny“ vytvářejí trojrozměrné objekty z určitého, v tomto případě ale jen plastického materiálu. Vhodné jsou tu např. polymery typu Acrylonitrile butadiene styrene ABS, Polylactic acid PLA, Polystyren PS, Polyvinylalkohol PVA nebo Nylon PA6. Tiskne se po vrstvách a proces je ovládán automaticky na základě programové předlohy. Pokud jde ale o trojrozměrné objekty na bázi kovových nebo keramických materiálů, je k natavení práškového materiálu a jeho nanášení po vrstvách do konečné podoby výrobku už nutný výkonnější a přitom efektivní zdroj – laser. Podle způsobu a teploty ohřevu pak jde především o metody Selective Laser Melting SLM s natavováním nebo Selective Laser Sintering SLS se spékáním vrstev podle řízení prostřednictvím dat CAD. Úvodní vrstva kovového prášku je nanášena na základovou desku, kde je spékána či natavována zaostřeným laserovým paprskem, vedeným přes skenovací soustavu, která svým rozsahem pokrývá pracovní prostor v rovině. Po dokončení každé vrstvy se deska vertikálně posune, přibližně v rozsahu 0,02 až 0,2 mm a obdobně se nanese další vrstva. Nový práškový materiál se přitom spéká nebo natavuje jak mezi sebou, tak i s předchozí vrstvou. Výsledné vlastnosti výrobku lze ovlivnit kombinací různých práškových materiálů. Častým materiálem jsou tu W, Mo, Ta, Cu, Al, Ag, Ti, ocelové a keramické prášky. Kdy volit tu kterou metodu, případně další odvozené metody, jako je např. metoda navařování po vrstvách způsobem Laser Material Deposition LMD, rozhoduje především zaměření výrobku. V průběhu s natavováním vrstev u metody SLM, na rozdíl od spékání, dochází k vyšší hustotě dílu, bývá až 100%, což dává srovnatelné fyzikální vlastnosti u výsledného produktu se základním materiálem. Možnost natavování prášků po nižších vrstvách přináší i vyšší přesnost výrobku. Spékání se jeví vhodné kupř. při výrobě některých tělních implantátů, např. z titanu nebo jeho slitin, kde vhodná hustota a poréznost dílu může příznivě ovlivnit biokompatibilitu implantátu. Oba tyto způsoby, jak SLM, tak SLS, se doposud spíše uplatňovaly při výrobě prototypů nebo jen malých sérií. Dnes se stávají základem celého nového oboru nazývaného Laser Additive Manufacturing – LAM, oboru, kde aditivní znamená přidávání materiálu oproti jeho úběru, což nakonec znamená i materiálovou efektivnost procesu, kdy se využije v podstatě celých 100 % výchozích surovin. I při jednom procesu se přebytečný materiál dá většinou použít dodatečně. Vývoj laserové techniky a u těchto technologií především u Laser Zentrum Hannover LZH a Fraunhofer Institutu ILT, postoupil přitom už natolik, že se objevilo hned několik výrobců vhodných výrobních zařízení už i pro větší rozsah výroby. Mezi jinými např. 3D MicroPrint, 3D Micromac AG, EOS GmbH nebo také u nás zastoupený známý výrobce laserů a laserových systémů firma Trumpf. Ta měla v tomto oboru dokonce už své zkušenosti se zařízením TrumaForm ještě z doby, kdy trh nebyl na tyto technologie ještě dostatečně připraven. Pro uspokojení dnešní už rostoucí potřeby uzavřela nedávno za tím účelem společný podnik s italskou Sisma S.p.A, kde Trumpf má podíl 55 %, Sisma 45 %. A zdá se, že s vývojovým trendem průmyslového využití laseru směrem ke generativním metodám výroby souvisí i dubnová akvizice firmy Trumpf při převzetí britského závodu JK Lasers, kterou Trumpf doplňuje svůj výrobní program o vysoce výkonné vláknové lasery. Zajímavý výrobní systém pro metodu SLM vyvíjí v rámci projektu Produktionstechnik für Hochlohnländer i v samotném ILT. Svým provedením a modulovou skladbou by měl dopomáhat k vyšší produktivitě i při sériové výrobě s častou obměnou výrobního programu. V konceptu tohoto zařízení může být laserová hlava vybavena jednotlivě řízenými diodovými lasery, při konfiguraci zařízení s vyšším výkonem laseru nabízí pak ILT řešení s rozdělením paprsku laseru na řadu dílčích. Aditivní technologie LAM mohou najít své uplatnění jak pro rozměrné výrobky, tak naopak i pro výrobu miniaturních dílů. Dva metry na výšku měla tak např. veletržní symbolika vložená do slovního exponátu LIGHT se síťovou strukturou, vyrobená metodou stereolitografie. Na veletrhu sloužila centrální expozici společnosti Fraunhofer Gesellschaft se zdůrazněním obsahu tohoto slova jak ve významu světlo – letošní rok je vyhlášen OSN jako rok světla, tak ve významu jako lehký, což je pro technologie LAM s vhodně tvarovanou konstrukcí, třeba i dutinovou, právě charakteristické. Naopak miniatury z tvorby technologií LAM představují často tělní implantáty, z nichž např. kochleární implantát z LZH Hannover už patří do technologie v μm. Průmysl si technologie LAM pro jejich efektivnost rychle osvojuje a využívá je i pro výrobu dílů, sloužících v náročném provozu. BMW např. vyrábí z hliníkové slitiny technologií SLM pro plně vytížené výkonné motory svých nových sportovních vozů takto oběžná lopatková kola čerpadel chladicích systémů. ILT představil pro obdobný druh vozů příhradovou odlehčenou konstrukci nosníku pro závěs kola, která podle testů vykazuje oproti dříve litým nebo třískově obráběným nejen nižší hmotnost, ale i lepší stabilitu. S technologií SLM se pustili v ILT i do výroby celých bloků motorů. Zatím ji vyzkoušeli na třetinovém modelu bloku 8válce V8, při nárůstu výkonu laseru počítají ale i s originálním provedením. A častým uživatelem aditivních 3D technologií jsou samozřejmě i nové obory automatizace a robotiky, kde na tyto technologie navazují vhodně i technologie mechatroniky 3D-MID. Jedním z takových posledních příkladů, jehož řešení navíc získalo i cenu inovace 2015 od Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3D-MID e.V., je stavba demonstračního robotu u firmy Festo v rámci programu BionicANTs, vyvolaná studií ze života mravenců. Základem jednotlivých dílů takového robotu je vždy substrát z 3D tistiskárny, který je pak v další fázi při spolupráci s dceřinou firmou LPKF, LaserMicronics GmbH, opatřen mechatronickými systémy na bázi technologie LDS – Laser Direkt Strukturierung. Včetně senzorů a aktuátorů s funkcemi jak pro individuální pohyb robotu, tak i jeho reakci na prostředí a vzájemné kontakty v širší síti. A že aditivní technologie LAM jsou technologiemi budoucnosti, bez nichž se žádná konkurence neobejde, svědčí hned i dvě jednání s účastí Fraunhofer Institutu ILT, uskutečněná letos ještě před vlastním veletrhem Laser – World of Photonics 2015. Jednak přímo na půdě ILT v Cáchách pořádané německo-čínské sympozium, které se věnovalo výlučně těmto technologiím a jednak i účast a podíl ILT s nabídkou technologií LAM při příležitosti nově otevíraného kooperačního centra Innovative Manufacturing Cooperative Research Centre (IMCRC) v australském Melbourne. A to už něco naznačuje. /jš/
