Výzkum, vývoj a aplikace progresivních
laserových technologií, které
nahrazují technologie konvenční, je
ve světě velmi aktuální a atraktivní téma.
Za posledních cca 10 let si lasery
upevnily své místo v různých výrobních
aplikacích, jako jsou řezání, svařování,
povrchové úpravy, vrtání, tepelné
zpracování či 2D a 3D gravírování
(viz obr. 1). Důvodem jsou požadavky
na zkracování vývojového cyklu výrobků,
jejich rychlejší zavádění do výroby,
na dosahování nízkých výrobních
nákladů a na minimalizaci množství
odpadů. S odpady je rovněž spojené
co nejefektivnější využívání materiálů
a energií, které do výrobních procesů
vstupují. Tato fakta potvrzují i naše poznatky
jak z nejvýznamnějšího veletrhu
laserové techniky a fotoniky LASER
2011 München, tak z přední světové
výstavy ohledně zpracování plechu Euroblech
Hannover 2010 a v neposlední
řadě i návštěva a konzultace s pracovníky
Fraunhofer IWS Dresden.
Laser je progresivní technologie, jež
umožňuje zpracování materiálů – mj.
i progresivních, obtížně svařitelných,
těžkoobrobitelných, vysokopevnostních,
žárupevných atd., neboť při zpracování
laserem nehrají roli jejich mechanické
vlastnosti (např. pevnost, tvrdost nebo
houževnatost). Vysoký lokální výkon laseru
zaručuje v porovnání s konvenčními
metodami dosažení značných rychlostí
procesu a efektivity, a navíc umožňuje
zpracovávat materiály o velkých tloušťkách.
Použití laserových technologií dává
tedy ve své podstatě konstruktérům větší
svobodu při návrhu nových součástí.
Mezi hlavní výhody zpracování materiálů
pomocí laseru patří možnost velmi
přesné kontroly parametrů procesu,
zpracování požadovaného místa součásti
bez nežádoucího ovlivnění oblastí v bezprostřední
blízkosti (což je dáno tím, že
nástrojem je zaostřený laserový paprsek
o průměru několika desetin mm) nebo
i zpracování různě (i velmi složitě) tvarovaných
ploch. Mezi další výhody lze počítat
také malé deformace opracovávané
součásti díky rychlému ohřevu (odpadá
nutnost dokončovacích operací, např.
broušení nebo leštění) a použitelnost pro
širokou škálu různorodých materiálů. Dosažené
parametry výrobku závisí především
na typu a výkonu použitého laseru.
Díky přesnosti laserových technologií lze
uvažovat menší technologické přídavky
materiálu, což znamená snížení materiálové
náročnosti. Z hlediska ekologie
a nákladů je významnou výhodou nízká
spotřeba energie díky krátké době ohřevu
a nižšímu elektrickému příkonu, což má
za následek velmi výrazné snížení energetické
náročnosti.
Dřívější omezení laserových technologií,
která souvisela především s omezenými
možnostmi laserových zdrojů, jsou
s neustálým vylepšováním těchto zdrojů
(zvyšování výkonu - možnost zpracovávání
větších tloušťek materiálů a naopak
zmenšování průměru stopy paprsku -
možnost přesnějších technologií výroby)
stále menší. To umožňuje použít laserové
technologie pro širší spektrum technických
oborů, ať už se jedná o klasické strojírenství,
automobilový a letecký průmysl,
výrobu lékařských nástrojů a přístrojů
a popř. v některých specializovaných oblastech,
jako jsou biomedicínské aplikace,
nanotechnologie nebo mikroopracování
materiálů.
Konkrétní ukázkou potenciálu obrábění
pomocí laserového paprsku může být
řezání ocelového pilového pásu. Pilový
pás má střídavý rozvod zubu, tvrdost břitu
zubu je 68+1 HRC, tvrdost základní části
pilového pásu potom 50+5 HRC. Tloušťka
řezaného materiálu je 1 mm. Vysoké
požadavky jsou kladeny zejména na rozměrovou
přesnost a kvalitu provedeného
řezu. Na základě předchozích zkušeností
s podobnými aplikacemi řezání bylo rozhodnuto
provést experimenty na vláknovém
multi-mode laseru IPG YLS-2000.
Testy byly provedeny za různých parametrů.
Výkon laseru byl nastaven na 500 W,
rychlost řezání se pak pohybovala mezi 3
až 5,8 m/min. Zařízením, na němž byla
laserová hlava osazena, byl CNC stroj.
Z přiložených fotografií (obr. 2 a 3) je
zřejmé, že se podařilo dosáhnout velice
kvalitních řezů. Zejména fotografie detailu
vyříznutého zubu ukazuje vysokou
geometrickou přesnost řezu bez nežádoucích
otřepů. Pro aplikaci přesného řezání
pilových pásů je tedy technologie řezání
vláknovým laserem velmi vhodná, neboť
tento laser díky svému vysokému výkonu
umožňuje velice produktivní řezání
v kombinaci s vysokou kvalitou řezů.
Rovněž je možné velmi dobře kombinovat
technologie klasického třískového
obrábění s moderními laserovými technologiemi
na jednom stroji, jak dokazuje
i řada komerčně dostupných hybridních
obráběcích strojů. Obecně platí, že využití
laserů je výhodné zejména tam, kde by
konvenční technologie výroby byly buď
příliš náročné a drahé (mikroobrábění –
nutnost výroby extrémně malých a přesných
nástrojů) nebo by je nebylo možné
použít vůbec (kombinace obrábění a laserového
navařování – velmi přesné, malá
tepelně ovlivněná oblast).
Jak již bylo zmíněno v úvodu článku,
v posledním desetiletí došlo v celosvětovém
měřítku k velmi výraznému rozšíření
průmyslových laserů a laserových technologií.
Od roku 2006 se ovšem výrazně
změnila struktura rozložení jednotlivých
typů laserů. Pro svařování se stále velice
často používají CO2 a Nd:YAG lasery
(pulsní i kontinuální), popř. tzv. diskové
lasery (modifikace Nd:YAG laserů).
Poměrně významné místo při svařování
(převážně plastů) mají i diodové lasery.
Výkonné diodové lasery (s výkony v řádu
několika kilowattů) se používají hlavně
pro povrchové kalení a navařování. Ještě
před zhruba 10 lety se pro cca 75 %
svařovacích průmyslových aplikací používaly
Nd:YAG lasery. S dynamickým
vývojem vláknových laserů v poslední
době se však tento poměr postupně mění
v jejich prospěch. Situace, která v České
republice stále panuje, bohužel za tímto
celosvětovým trendem poněkud zaostává.
Současný stav vývoje kombinovaných
strojů pro využití laserových technologií
v obráběcích strojích sleduje tendenci integrace
co největšího množství výrobních
technologií do jednoho stroje, a tím zkrácení
výrobních časů a zvýšení přesnosti
obráběných dílů. Vývoj těchto strojů je
především v Německu velmi perspektivní
oblastí výrobní techniky, která u nás zatím
není bohužel příliš rozšířená a rozhodně
skýtá velký potenciál.
Ing. Pavel Kořán,
LAO průmyslové systémy, s.r.o.
Ing. Roman Švábek, VCSVTT,
Fakulta strojní, ČVUT v Praze
