SOUČASNÉ MOŽNOSTI LASEROVÉHO ZPRACOVÁNÍ MATERIÁLU VE FIRMĚ LASER-TECH, SPOL. S R. O

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

SOUČASNÉ MOŽNOSTI LASEROVÉHO ZPRACOVÁNÍ MATERIÁLU VE FIRMĚ LASER-TECH, SPOL. S R. O. Alois Koutnýa Jaroslav Grézlb a) LASER-TECH, spol. s r.o., Vejdovského 4a, 772 11 Olomouc, [email protected] b) LASER-TECH, spol. s r.o., Vejdovského 4a, 772 11 Olomouc, [email protected] Abstract The lecture presents the findings from several studies and describes the present technical possibilities available in the firm LASER-TECH, Ltd., which operates in the area of application of laser technology in manufacturing, primarily in engineering. As a public limited company, it was registered in 1991. At the some time, information is provided on the activities of the subsidiary research-and-development company LASER-TECH R&D Ltd., which mainly deals with research and development in the area of laser technological complexes and laser technologies, and which founded in 1997. LASER-TECH is now offering: - manufacturing cooperation in application of laser technology - cutting (2D and 3D), welding and transformation hardening, - development of new laser technology - surface melting, alloying, cladding, etc., - consultation and service in the field of laser technology, including the diagnostics of CO2 laser beam (2D and 3D) and power measurement. The lecture concludes with a brief description and evaluation of technological equipment for laser processing of materials by two British firms, from which LASER-TECH has acquired exclusive distributorship, for Profile 600 for the laser cutting system LAZERBLADE and for the laser marker SCRIBA, by the world-renowned firm Electrox. 1. ÚVOD V posledních 15-20 letech bylo možné ve všech průmyslově vyspělých zemích pozorovat značné soustřeďování tvůrčích sil na využití koncentrovaných zdrojů energie v praktických průmyslových aplikacích. Zvlášť výrazně se toto úsilí projevovalo u laserů, a to jak v oblasti výzkumu laserů, jakožto zdrojů energie a výzkumu fyzikálních a fyzikálně – chemických procesů, které probíhají při interakci laserového záření s materiálem, tak v oblasti výrobních aplikací. Lasery představují v technologických procesech novou kvalitu. V mnoha zemích jsou již dlouhodobě vynakládány značné finanční prostředky i kapacity na výzkum, vývoj, výrobu a aplikace laserů ve strojírenské výrobě. Výsledkem tohoto velkého úsilí byl vznik nového samostatného oboru – laserové strojírenské technologie. 2. LASEROVÉ TECHNOLOGICKÉ KOMPLEXY A LASEROVÉ TECHNOLOGIE Světový vývoj, prognostické studie i počet každoročně instalovaných technologických laserů ve strojírenství shodně potvrzují, že laserové technologie jsou ve strojírenství perspektivní a žádná průmyslově vyspělá země nemůže tento vývoj ignorovat, aniž by se vystavila možnosti technologického zaostávání.

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

Vývoj technologických aplikací laserů lze sledovat v těchto úrovních: - vývoj v oblasti konstrukce výkonových laserů, - vývoj v oblasti laserových technologií, - vývoj laserových systémů s pokročilou automatizací a robotizací. Řada výrobců nabízí laserová technologická zařízení převážně na bázi plynových CO2 laserů nebo pevnolátkových Nd:YAG laserů v nejrůznějších provedeních nebo verzích – z hlediska výkonu laseru, velikosti pracovního stolu, počtu stupňů volnosti apod. Největšího rozšíření dosáhla až dosud laserová technologická zařízení pro řezání a svařování plechů a dále následují zařízení určená pro povrchové tepelné zpracování. Mezi běžné, příp. dosud vývojové technologie lze zařadit: 1. laserové vrtání a řezání (tepelné dělení) materiálu, 2. laserové svařování, 3. laserové popisování (značení), 4. laserové povrchové zpracování kovů - transformační zpevnění (kalení), - homogenizace (natavení povrchu-změna struktury), - povlakování, - legování, - glazování aj. Význam laserových technologií je třeba hodnotit komplexně z hlediska celého výrobního procesu. Hlavní přínos laserových technologií ve většině případů nespočívá pouze ve zdokonalení jednotlivých dílčích technologických postupů, ale především v možnosti změny celé tradiční struktury výroby. 3. Z HISTORIE VZNIKU SPOLEČNOSTI Společnost LASER-TECH, spol. s r.o. (www.laser-tech.cz) byla první českou soukromou firmou, která začala podnikat v oblasti laserových technologií ve strojírenské výrobě. Je registrována od roku 1991 a byla založena několika vědecko-výzkumnými pracovníky z oddělení laserových technologií odboru výzkumu materiálu a technologie bývalého výzkumného ústavu koncernu SIGMA v Olomouci, kteří se danou problematikou aplikovaného výzkumu zabývali od roku 1985. Společnost vznikla po postupné reorganizaci VÚ SIGMA a následné privatizaci jeho oddělené části - Výzkumně-vývojových služeb s.p. V období kolem roku 1985 bylo uvolněno ze státních zdrojů značné množství devizových prostředků, které byly přiděleny některým výzkumným ústavům a určeny na nákup laserových technologických center za účelem rychlejšího vývoje laserových technologií a jejich zavádění do výrobních podniků. Tak byl také získán do VÚ SIGMA v Olomouci 5+1 osý laserový systém s CO2 laserem o výkonu 2500 W britské firmy Control Laser Ltd., určený pro vývojové práce a zavádění laserových technologií v podnicích bývalého koncernu SIGMA. Výzkumné práce byly financovány převážně ze státních prostředků na úrovni státního plánu RVT. Někteří současní zaměstnanci společnosti LASER-TECH se v období let 1985-1990 zabývali v podmínkách výzkumného ústavu řešením řady problémů, např. - zajištěním a uvedením do provozu 5-osého laserového technologického centra, v té době u nás zcela ojedinělého zařízení, jeho programováním a zvládnutím technologií laserového řezání, svařování a transformačního zpevnění (kalení), viz [1], [2], - studiem vztahu technologických parametrů a strukturně-mechanických vlastností materiálů v procesu laserového transformačního zpevnění (u uhlíkových a korozivzdorných martenzitických ocelí) [3], [4], [5], [6],

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- experimenty sledujícími vliv laserového kalení na zvýšení životnosti důležitých funkčních součástí v provozních podmínkách [7], [8], [9], - hodnocením antireflexních nátěrových hmot pro laserové tepelné zpracování různých výrobců a vývojem vlastního antireflexního nátěru pro kalení ocelí [10], - studiem matematických modelů teplotních polí vznikajících při interakci laserového záření s materiálem [11], [12], - provozní diagnostikou – analýzou laserového svazku pomocí analyzátoru v rovině i v tříroz-měrném zobrazení aj. [13]. Po listopadu 1989 došlo ke značnému omezení finančních prostředků ze státních zdrojů mj. i na vědu a výzkum. Za této nové situace se výzkumná pracoviště ocitla bez finančních prostředků na výzkum a to i v oblasti laserového zpracování materiálu a tyto výzkumně vývojové práce byly rokem 1990 prakticky zastaveny. Většina pracovníků laserových výzkumných týmů odešla ze svých pracovišť a tyto týmy postupně zanikly (SVÚM, SVÚOM, FzÚ ČSAV). Tým pracovníků ve VÚ SIGMA se existenčně udržel a jeho část se stala základem společnosti LASER-TECH. 4. SOUČASNÉ TECHNOLOGICKÉ MOŽNOSTI Firma LASER-TECH v současné době nabízí - výrobní kooperace v oblasti aplikací laserových technologií – řezání (2D i 3D), svařování a transformační zpevnění (kalení), - vývojové práce v oblasti nových laserových technologií – povrchové natavování, legování, povlakování aj., - poradenské, konzultační a servisní činnosti v daném oboru, včetně diagnostiky CO2 laserového svazku (2D i 3D) a měření výkonu. Společnost LASER-TECH i nadále udržuje kontakty s řadou vědecko-výzkumných institucí, vysokých škol a různých vývojových firem domácích i zahraničních. Např. se Společnou laboratoří optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu AV ČR v Olomouci založila společné laserové pracoviště. Tato spolupráce zajistí i v budoucnu využití nových poznatků základního i aplikovaného výzkumu při rozvoji aktivit společnosti LASER-TECH. V roce 1997 byla založena dceřiná společnost LASER-TECH R&D s.r.o., jejímž předmětem činnosti a podnikání je výzkum a vývoj v oblasti laserových technologických komplexů a laserových technologií a dále vývoj optických prvků, přístrojů a zařízení. Hlavním předmětem podnikání společnosti LASER-TECH, která má v současné době více než 25 zaměstnanců, jsou praktické aplikace laserových technologií ve výrobě, především strojírenské. Největší objem prací představují v současné době výrobní kooperace v oblasti laserového řezání a společnost si zajišťuje již téměř 10 roků převážnou část svých příjmů službami jako LASER JOB SHOP. Objem vlastních výkonů (tj. bez materiálu) např. v oblasti laserového řezání při 3 směnném provozu přesahuje již 30 mil. Kč ročně ( roce 2000 společnost přijala a zajistila výrobu 1857 zakázek od 335 zákazníků). Řezání laserovým svazkem je ve srovnání s klasickými technologiemi často ekonomicky velmi výhodné a přináší největší úspory nákladů ve výrobním procesu. Do roku 1999 společnost LASER-TECH disponovala pěti pouze staršími laserovými technologickými komplexy, které získala většinou z výzkumných pracovišť, která postupně po roce 1990 zanikala – tři jsou od firmy Control Laser Ltd. (CLL) s CO2 lasery o výkonu 2500 W, další je komplex od firmy Laser-Optronic s CO2 laserem firmy Coherent výkonu 1500 W a poslední je laserový řezací systém vzniklý ve spolupráci německé firmy FEHA Halle a ZPA Nový Bor s CO2 laserem o výkonu 400 W. Stroje CLL s CO2 lasery o výkonu v kontinuálním režimu 2500 W umožňují řezání např. uhlíkových ocelí do tloušťky 12 mm, korozivzdorných austenitických ocelí do 5 mm, dřeva a

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

nekovových materiálů 15-20 mm apod., lokální povrchové kalení ocelí a litin do hl. 0,8 – 1,0 mm, při šířce stopy max. 6 - 7 mm a svařování do tl. 4 mm. Pracovní stoly x-y mají rozměry od 600x600 mm do 1000x1000–1500 mm a zdvih v ose z až 300 mm. Použitím universální pracovní hlavy lze jedno z laserových komplexů řídit v 5 osách, což umožňuje prostorové řezání např. výlisků z plechu apod. Při zadávání tvaru lze použít data z jiných systémů CAD/CAM. Laserový řezací systém s laserem firmy FEHA umožňuje řezání např. ocelových plechů do tl. 3 mm, avšak v poslední době se používá především pro řezání dřeva a plastů. Maximální řezací plocha stolu je 2200x1600 mm. V roce 1999 započala společnost LASER-TECH s obnovou a modernizací strojního parku a to zakoupením nového laserového řezacího zařízení TRUMATIC LY 2500 s Nd:YAG laserem o výkonu 800W od německé firmy TRUMPF . Tím se značně rozšířila nabídka technických možností laserového řezání a také zvýšila produktivita práce. Některé hlavní údaje o technologických parametrech stroje jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1 Laserové řezání na laserovém řezacím stroji TRUMATIC LY 2500 s pevnolátkovým Nd:YAG laserem o výkonu 800 W Polotovar

plech, trubka, příp. jiný profil

Materiály

oceli konstrukční - uhlíkové a nízkolegované (pracovní plyn O2)

do tloušťky 10 mm

oceli korozivzdorné (nerez) - martenzitické a austenitické (N2)

do tloušťky 3 mm

oceli korozivzdorné (nerez) - martenzitické a austenitické (O2)

do tloušťky 5 mm

slitiny hliníku (N2)

do tloušťky 3 mm

mosaz (N2)

do tloušťky 1 mm

pozinkovaný plech (N2/O2)

do tloušťky 1,5 mm

Formát plechu

max. 2500 x 1250 mm

Přesnost - poziční odchylka

± 0,1 mm

Šířka spáry řezu

0,25 - 0,35 mm

Max. hmotnost obrobku

250 kg

V roce 2000 společnost pokračovala s výměnou strojů. Byly zajištěny nabídky předních evropských firem vyrábějících laserové řezací systémy s požadavkem na výkon CO2 laseru 2500 až 3000 W a velkosti pracovního stolu x-y pro velký formát plechu, tj. 3 x 1,5 m a provedeno výběrové řízení. Jako optimální řešení pro potřeby společnosti LASER-TECH se ukázala nabídka britské firmy Profile 600, patřící do významného holdingu The 600 Group na stroj LAZERBLADE, který byl od této firmy zakoupen a uveden koncem roku 2000 do provozu. Tento nový stroj s CO2 laserem o výkonu 2500 W a automatickým paletovým x-y stolem pro plech o velikosti 3 x 1,5 m dále podstatně rozšířil stávající technické i kapacitní možnosti a současně i nabídku laserového řezání materiálu zákazníkům společnosti LASERTECH. Některé hlavní údaje o technologických parametrech stroje jsou uvedeny v tabulce 2.

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

Tabulka 2 Laserové řezání na laserovém řezacím stroji LAZERBLADE s plynovým CO2 laserem o výkonu 2500 W Polotovar

plech, trubka, příp. jiný profil

Materiály

oceli konstrukční - uhlíkové a nízkolegované (pracovní plyn O2)

do tloušťky 18 mm

oceli korozivzdorné (nerez) - martenzitické a austenitické (N2)

do tloušťky 8 mm

oceli korozivzdorné (nerez) - martenzitické a austenitické (O2)

do tloušťky 10 mm

slitiny hliníku (N2)

do tloušťky 5 mm

mosaz (N2)

do tloušťky 3 mm

pozinkovaný plech (N2/O2)

do tloušťky 3 mm

Formát plechu

max. 3000 x 1500 mm

Přesnost - poziční odchylka

± 0,1 mm

Šířka spáry řezu

0,3 - 0,8 mm

Max. hmotnost obrobku

1000 kg

5. VÝHRADNÍ ZASTOUPENÍ BRITSKÝCH FIREM V průběhu roku 2000 získala společnost LASER-TECH výhradní zastoupení dvou britských firem v České republice a Slovensku a to Profile 600 (www.profile600.co.uk) na laserové řezací systémy LAZERBLADE a světoznámé firmy Electrox (www.electrox.com) na laserové popisovačky SCRIBA. 5.1 Profile 600 Firma Profile 600 byla zřízena za účelem výroby a prodeje nového laserového řezacího systému LAZERBLADE, který byl poprvé vystaven na veletrhu MACH ’98. Tento systém byl nadšeně uvítán na britském trhu a brzy se uskutečnil prodej mimo britský ostrov do Itálie a USA. V současné době jsou jmenováni zástupci i pro jiné země, kteří zajišťují prodej a dovoz těchto strojů. Společnost LASER-TECH podepsala v roce 2000 smlouvu s Profile 600 na výhradní zastoupení v České republice, Slovensku a dočasně i Polsku. Stroje LAZERBLADE se nabízí a vyrábí v celkem šesti variantách. CO2 lasery, které vyrábí firma Electrox, jsou ve výkonové řadě 1500, 2500 a 3000 W, pracovní stůl x-y je volitelný, buď v provedení manuálním, nebo jako automatický paletový stůl. Tým odborníků, který úspěšně vyvinul řadu strojů LAZERBLADE se zaměřil především na kvalitu, flexibilitu, tj. pružné reagování na požadavky zákazníků a produktivitu laserového řezacího systému, ale za reálnou cenu, aby si udrželi náskok před konkurencí. Bylo nutné zvýšit výkon a kvalitu řezání a přitom snížit náklady na výrobu součástí. LAZERBLADE nemá žádné neproduktivní vybavení a jeho schopnost řezat měkké oceli i oceli korozivzdorné je vysoká, takže představuje ideální řešení pro převážnou většinu aplikací. Vyloučením neproduktivního vybavení byla vytvořena řada laserových systémů, určených jak pro ty, kdo je budou používat poprvé, tak i pro ty, kdo chtějí doplnit již existující

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

laserové vybavení - to vše při ceně značně nižší, než u jiných srovnatelných laserových strojů na trhu. Hlavní přednosti stroje LAZERBLADE jsou - CNC řízení Fanuc 18i a digitálními AC servopohony a motory, - zcela uzavřená dráha svazku s čistěním vzduchu za účelem snížení údržby, - manuální paletový stůl s polohováním obrobku, - sběrače pro odebírání malých součástí, - databáze pro rychlou volbu parametrů zpracování, - přenos programů pomocí sériového portu, - on-line diagnostika poruch. 5.2 Electrox Firma Electrox byla založena před více než 25 lety. Jejím cílem bylo využití možností laserů pro zpracování materiálů. Firma byla první, která vyvinula komerční CO2 laser s rychlým axiálním prouděním plynů. Electrox nyní jako člen The 600 Group vyrábí kompletní sortiment laserů pro řezání, svařování, vrtání a popisování. Kromě laserových Nd:YAG popisovaček vyrábí Electrox také CO2 a pulsní Nd:YAG lasery pro řezání a svařování. V současné době je ve více než 40-ti zemích světa nainstalováno přes 1400 laserů Electrox. Společnost LASER-TECH uzavřela s firmou Electrox smlouvu o výhradním zastoupení v České republice a Slovensku na veškerý sortiment laserových popisovaček SCRIBA. Popisovací Nd:YAG lasery SCRIBA se staly standardem popisovacích laserů, neboť poskytují vysokou užitnou hodnotu za požadovanou cenu. Nabízené typy popisovaček : - Scriba E - výchozí laser vhodný pro nízkou až střední úroveň objemu produkce - Scriba - Nd:YAG laser Scriba původní koncepce - Scriba Duo - verze laseru Scriba s dvojitou hlavou - Scriba II - vysokovýkonné provedení Scriba - Scriba II Duo - verze laseru Scriba II s dvojitou hlavou - Scriba II D40 - Scriba II s diodovým čerpáním - Scriba II Duo D40 - verze laseru Scriba II D40 s dvojitou hlavou - Scriba Work Stations - výběr pracovních stanic pro samostatné popisovací a značkovací práce Scriba Duo jsou lasery s dvojitou hlavou, které umožňují popisování většího pole a tím zvýšenou produktivitu překračující možnosti laseru s jednou hlavou. Výhody popisování s lasery SCRIBA : - Scriba umožňuje vytvářet nesmazatelné, elegantní a snadno rozlišitelné popisky. - Scriba ideálně kombinuje snadnost použití se spolehlivostí a nízkými provozními náklady. - Trvanlivé popisy vytvořené pomocí laseru Scriba jsou hlavní obranou proti padělání. - Přesný čárový kód a jiné symboly generované pomocí Scriba zajišťují spolehlivé sledování produktu v nepříznivém prostředí. - S laserem Scriba není třeba používat inkoust, škodlivé kyseliny, nepříjemná rozpouštědla, opotřebovávat nářadí, případná deformace součástek je udržena na minimální úrovni. - Software pod operačním systémem Windows je přátelský pro programátory i uživatele. - Laser Scriba lze snadno umístit do výrobní linky a získat tak integrovaný popisovací systém. - Pracovní stanice Scriba jsou k dispozici pro samostatné popisování bez dalších doplňků. - Všechny lasery Scriba mají dálkouvou diagnostiku a on-line podporu aplikací.

METAL 2001

15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

6. ZÁVĚR Tým pracovníků společnosti LASER-TECH je připraven a schopen řešit potřeby a problémy z oblasti strojírenské výroby z hlediska technického, ekonomického i časového formou kooperace na laserových strojích. Firma velmi pružně reaguje na požadavky zákazníků. Je schopna v oblasti laserového řezání zajišťovat jak kusovou výrobu, tak i desetitisícové série. Dodací termíny jsou nabízeny od několika hodin do několika dnů. V případě potřeby laserových řezacích a popisovacích strojů nabízí LASER-TECH výrobky předních světových firem vysoké technické úrovně za rozumnou cenu, k nimž poskytne kvalitní, rychlý a cenově zajímavý servis. LITERATURA [1] KOUTNÝ, A., HRABOVSKÝ, M., SEDLÁČEK, J. Aplikační pracoviště laserových technologií koncernu SIGMA, [Výzkumná zpráva], SIGMA VÚ Olomouc, 1987. [2] HRABOVSKÝ, M., KOUTNÝ, A., SEDLÁČEK, J. Využití laseru pro technologické aplikace v koncernu SIGMA, Čerpadla, potrubí, armatury, č.1, 1989. [3] KOUTNÝ, A., URBANEC, Š. Posouzení strukturních vlastností čs. materiálů po zpracování laserovými technologiemi, [Výzkumná zpráva], SIGMA VÚ Olomouc, 1985. [4] KOUTNÝ, A., URBANEC, Š., GRÉZL, J., KONEČNÝ, J. Parametry laserového tepelného zpracování a jejich optimalizace a výsledky průzkumu aplikací laserových technologií v k.p. koncernu SIGMA, [Výzkumná zpráva], SIGMA VÚ Olomouc, 1987. [5] URBANEC, Š., KOUTNÝ, A., KONEČNÝ, J. Příspěvek k laserovému transformačnímu zpevnění martenzitických korozivzdorných ocelí. In Sborník I. čs. konference se zahr. účastí Laserové zpracování kovů, ST ČSVTS, Košice, 1988. [6] KOUTNÝ, A., URBANEC, Š., GRÉZL, J. Využití laserových technologií a metody hodnocení užitných vlastností materiálů po LTZ, [Výzkumná zpráva], SIGMA VÚ Olomouc 1989. [7] HRABOVSKÝ, M., KOUTNÝ, A., URBANEC, Š. Resistance to Cavitation Erosion and Erosion by Hard Particles of Some Metallic Materials After Laser Transformation Hardening. In Proc. of the International Conference on Lasers in Manufacturing [LIM-4], Birmingham, 1987. [8] KOUTNÝ, A., URBANEC, Š. a kol. Aplikace laserových technologií u výrobků koncernových podniků SIGMA, [Výzkumná zpráva], SIGMA VÚ Olomouc, 1988. [9] URBANEC, Š., KOUTNÝ, A., GRÉZL, J., SEDLÁČEK, J. K problematice laserového transformačního zpevnění součástí z výrobního programu koncernu SIGMA. In Sborník konference Speciální technologie ΄90, ČSVTS k.p. ŠKODA, Plzeň, 1990. [10] KOUTNÝ, A., GRÉZL, J., ŠINDELÁŘ, Z., HRABOVSKÝ, M. Absorpční nátěr pro transformační zpevnění ocelí při ozařování kontinuálním CO2 laserem [nepublikovaná práce], 1992. [11] KOUTNÝ, A., GRÉZL, J., SEDLÁŘ, M., URBANEC, Š. K matematickému modelování povrchového laserového tepelného zpracování ocelí. In Sborník I. čs. konference se zahran. účastí Laserové zpracování kovů, DT ČSVTS Košice, 1988. [12] GRÉZL, J., KOUTNÝ, A., SEDLÁŘ, M. Matematické modelování teplotních polí při interakci kontinuálního laserového záření s kovovým materiálem, [Výzkumná zpráva], SIGMA VÚ Olomouc, 1988. [13] GABRYŠ, V. Provozní diagnostika svazku technologického laseru, [Výzkumná zpráva], SIGMA VÚ Olomouc, 1990.