Velmi žádaný pevný a přitom lehký konstrukční materiál tvoří vláknové kompozity vyztužené uhlíkovými nebo skelnými vlákny. S jejich úpravou to ale není tak jednoduché. Na rozdíl od tradičních kovových materiálů vyžadují při klasickém obrábění speciální zpracovatelské technologie s účinným odsáváním prachových částic a zvláštní postupy při jejich zpracování se týkají i laserových technologií. Tady v uplynulých letech pro rozsah nabídky zvláště příznivě působí vývoj nových typů výkonných laserů s ultrakrátkými pulzy. Na základě řešených projektů úkolu Photonische Verfahren und Werkzeuge für den ressourceneffizienten Leichtbau z dlouhodobého programu Photonik Forschung Deutschland jsme se pokusili podívat na to, jaké zkušenosti mají při zpracování vláknových kompozit těmito lasery jednotlivá výzkumná pracoviště, která se touto technikou zabývají především. V Laser Zentrum Hannover (LZH), kde zpracování kompozit lasery má svou tradici, se zaměřili na postupy spojování, řezání a případně odstraňování vrstev, ke kterému je nutné přistupovat při opravách dílů. Porovnávali tu řezání kontinuálním laserem a řezání laserem s ultrakrátkými pulzy a došli k několika překvapivým výsledkům. Konvenční laserové postupy při řezání kompozit nepřinášely pro tepelné ovlivnění okolní zóny zrovna tu nejlepší kvalitu spáry. Ve spáře zůstával neuzavřený povrch hran, tvořený nefixovanými konci vláken a zčásti odpařeným a odtaveným materiálem matrice. K určitému zlepšení kvality řezu došlo pak při užití výkonných laserů s kratšími pulzy. Přesto ale i tady při dané frekvenci záblesků při délce laserového pulsu v pikosekundách docházelo k určité nežádoucí akumulaci tepla s následky obdobnými jako při užití konvenčních laserů. Ze závěrů LZH tak vyplynulo, že pro tento účel nejsou vhodné pikosekundové, natož pak femtosekundové lasery, ale naopak se uplatní při vhodné frekvenci záblesků délka pulzu v nanosekundách. Postup, který tu pro ns lasery vyvinuli, je možný uplatnit i při řezání kompozit větší tloušťky, kdy se vyžaduje ale už větších výkonů laseru. Navíc do místa řezu je možné přivádět ještě vhodnou práškovou směs, která povrch hran zaceluje. (Testy probíhaly v kombinaci s 6kW vláknovým laserem a při řezu kompozit s tloušťkou i přes 3 mm.) V LZH se zabývají i laserovými renovačními metodami při úpravách poškozených karbonových dílů. Poškozené místo je třeba vhodně upravit, aby se dalo opatřit na míru padnoucí záplatou shodného materiálu. Oproti mechanickým postupům předúpravy poškozeného místa, broušení nebo frézování, nedochází tu při užití laseru k odstranění vrstev k poklesu pevnosti opravovaného dílu, který se pak po očištění na daném místě opatří už zmiňovanou záplatou. V LZH tu ve spolupráci s dalšími firmami vyvinuli hned několik takových postupů. S Clean Lasersysteme GmbH v systému s lepením záplaty i mobilní laserovou renovační stanici CleanLaser CFRP repair Tool a obdobně v projektu ReWork za spolupráce s firmami Invent, Owita a Precitec postup i pro opravu tenkostěnných 2D i 3D velkoplošných vláknových kompozit. Principem podobnou renovační metodu vyvinuli i v Německém centru pro letectví a kosmonautiku DLR s tím rozdílem, že záplatu na poškozené místo „natavují“ za indukčního ohřevu obou částí a současného přítlaku. Postupy řezání a spojování vláknových kompozit sledují i ve Fraunhoferově institutu ILT. Při řezání s lasery s ultrakrátkými pulzy se zde ztotožnili se závěry v LZH, ale navíc sledují, jak tento typ laserů může být vhodně využitelný při menších výkonech a jak by vhodná laserová technologie mohla nahradit lepení nebo nýtování. To v obou těchto případech představuje řadu přípravných prací s časovou náročností. Postup spojování laserem vychází ze známé technologie svařování kovů a plastů laserem a dá se poměrně snadno automatizovat. Výhodné je to zvláště u kompozit, kde alespoň jeden díl má kovovou matricí. Paprsek laseru se přivádí do spáry materiálů, kde je v kovové složce absorbován za vzniku tepla. Do materiálu, kde k absorpci nedochází, se teplo šíří vedením a po natavení materiálů je možné oba díly tlakem spojit. V ILT se kromě toho zaměřují i na technologii řezání s CO2 lasery s krátkými pulzy. Tady se vliv tepla na okolí řezu podstatně redukuje už vzhledem k odlišné absorpci paprsku laseru. Se svým podílem na výzkumu zpracování vláknových kompozit laserem přichází i Fraunhofer Institut IWS. Jednak u technologie rychlého spojování kompozit pomocí reaktivní mezifólie, která ve spoji při ohřevu laserem vytváří materiálové chemické vazby s uvolněním energie a natavením zóny spoje pro závěrečný přítlak a jednak technologie Remote-Schneiden, kde jde o souhru robotu, optického skeneru a laseru. Při praktické realizaci se právě tato technologie postupně stává podstatou řady procesů při 3D řezání vláknových uhlíkových kompozitů, prosazovaných stále více v projektech automobilového průmyslu. Jedním z nich je např. projekt Remote- C, koordinovaný za podpory Spolkového ministerstva BMW i hamburským LZN Laser Zentrum Nord GmbH, zaměřený na úpravu velkoplošných dílů z uhlíkových kompozit ve velkosériové výrobě při stavbě elektromobilů. V kombinaci se šestiosým robotem KUKA KR 30 HA je tu použit optický skenovací systém PFO 33 s diskovým laserem TruDisk 6001 od firmy TRUMPF s výkonem 6 kW. Tady je zajímavé, že pro dosažení rovnoměrného účinku sublimačního řezání jak u vláken, tak i materiálu matrice, který měl daleko menší absorpční schopnost laserového paprsku, užilo se u matrice dodatečně speciálních aditiv. Výsledkem pak je podstatně vyšší kvalita řezu, která dovoluje při dalších povrchových úpravách, jako je třeba lakování laminátu, postup už bez dodatečného opracování. Zajímavá je tu i max. hodnota tepelně ovlivněné zóny do 200 μm. Obdobný projekt pro Remote-Schneiden vláknových kompozit s označením HolQueSt 3D, podporovaný Spolkovým ministerstvem BMBF, se řešil za koordinace automobilky Volkswagen AG v Laser Zentrum Hannover. I tady byl použit šestiosý průmyslový robot KUKA s optickým skenerem od firmy TRUMPF, tentokrát PFO3D v kombinaci s diskovým laserem o výkonu 1500 W a délkou pulzu 30 ns a celý proces byl integrován do robotické buňky. V rámci projektu se tu vyvinul i postup pro opravy poškozených ploch dílů, svým technickým vybavením dostupný i pro menší servisní dílny. A na závěr se podívejme, jak lze na příkladu firmy Laserline efektivně využít pro zpracování kompozit diodových laserů. Tady se zaměřili spíše na stavbu kompozit při tepelně řízeném procesu lokálního natavení termoplastické matrice a nahradili tak zdlouhavý proces vytvrzování v horkovzdušném autoklávu. Kompozitní pásy a fólie, zhotovené tímto způsobem, se využívají i pro stavbu dílů trupu a křídel letadel. Homogenizační optika, vyvinutá ve spolupráci s AFMT GmbH, dovoluje při vytváření pravoúhlého profilu paprsku rovnoměrně pokrýt šířku kompozitu až do 1”. Výkon laseru a rovnoměrnost rozložení teploty ohřevu kontroluje multibodový regulační systém. /jš/
