Nie tylko do cięcia detali
Różnorodność dostępnych tworzyw sztucznych wymusza stosowanie różnych metod ich obróbki.
W procesach wytwórczych stosuje się wiele różnych sposobów kształtowania wyrobów z tworzyw sztucznych. Mogą to być czynności związane z przetwórstwem wstępnym, jak np. mieszanie oraz przetwórstwem zasadniczym, zwanym obróbką formującą i przetwórstwem wtórnym. Ostatnie obejmuje operacje technologiczne mające na celu ukształtowanie gotowego wyrobu z wcześniej przygotowanego półwyrobu. Wyróżnia się techniki łączenia – zgrzewanie, spawania, klejenie, techniki obróbki skrawaniem – toczenie, przecinanie, wiercenie, i inne. Do obróbki tworzyw sztucznych wykorzystuje się także techniki obróbki strumieniowo-erozyjnej, a także obróbkę laserem. Laser charakteryzuje się oryginalnymi właściwościami. W urządzeniach laserowych generowane jest promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie fal od podczerwieni, przez światło widzialne do ultrafioletu, lub nawet do promieniowania X. Z punktu widzenia technologii jest narzędziem niezużywającym się, bezkontaktowym, łatwo sterowalnym, możliwym do automatyzacji i robotyzacji. Lasery stały się częstym narzędziem wykorzystywanym w produkcji różnych detali, w tym wyrobów z tworzyw sztucznych.
Różnorodność dostępnych tworzyw sztucznych wymusza stosowanie różnych metod ich obróbki. Nie wszystkie z nich spełniają wymagania rynku dotyczące precyzji, ekonomii, a także łatwości integracji z rozwiązaniami sieciowymi. Nic więc dziwnego, że tradycyjne metody coraz częściej ustąpić muszą pierwszeństwa nowoczesnym rozwiązaniom. Można powiedzieć, że urządzenia laserowe to zdecydowanie liderzy w wyścigu o miano najlepszej metody obróbki tworzyw sztucznych. Gwarantują bezdotykową pracę, szybki proces i wiele możliwości zastosowań, nieograniczonych ani kształtem, ani powierzchnią obrabianego przedmiotu. Laser nie wpływa na strukturę i właściwości ciętego materiału, nie zużywa się, nie generuje odpadów i gwarantuje stałą, wysoką jakość powtarzalnych cięć w skali masowej.
Nowe technologie powoli, acz sukcesywnie wypierają starsze rozwiązania. Na rynku jest wiele firm, które od wielu lat używają laserów w przetwórstwie. Jednak zważywszy na czynniki ekonomiczne konstruktorzy tych urządzeń od wielu lat starali się obniżyć znacząco koszt eksploatacji. Postęp dokonany przez naukowców w ostatnich latach przyniósł nowe rozwiązania odnośnie koncepcji budowy lasera. Najnowsze osiągnięcia spowodowały stworzenie tzw. laserów włóknowych, opartych na ciele stałym, w którym włókno optyczne domieszkowane jest pierwiastkami ziem rzadkich, stanowiących medium laserujące. Ale może zacznijmy od początku czego za pomocą lasera można dokonać w przetwórstwie tworzyw sztucznych.
Co może laser?
Po pierwsze: ciąć
Cięcie laserem ma wiele wymiernych korzyści. Ta najnowocześniejsza metoda termicznego rozdzielania materiału – uniwersalna, precyzyjna i szybka – to ceniony przez producentów sposób obróbki o parametrach wymiarowych podobnych jak przy klasycznej obróbce mechanicznej, a różnicą są wykorzystywane czynniki tnące, którymi są – w przypadku cięcia laserem – precyzyjny i gorący promień lasera oraz gaz techniczny o dużej czystości. Promieniowanie laserowe jest spójne w czasie i przestrzeni, spolaryzowane, ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. Ultrawysoka precyzja i bezdotykowe cięcie sprawia, że systemy laserowe są optymalnym narzędziem do przetwarzania tworzyw sztucznych. Porównując laser do pił i frezów, należy zauważyć że w przypadku pierwszego nie ma potrzeby mocowania materiałów. To oznacza, że nawet filigranowe detale mogą być cięte, przez co uszkodzenia i odpady są zminimalizowane. Materiał jest odparowywany, dlatego nie ma kawałków pozostałych po cięciu, co zmniejsza potrzebę czyszczenia.
Korzyści są następujące:
– brak potrzeby mocowania przetwarzanego materiału, brak uszkodzeń, odłamków i odpadów,
– równe krawędzie – bez ponownej obróbki, kontury bez odkształceń,
– brak zużycia narzędzia – stała, wysoka jakość,
– wydajne funkcje automatyki dla optymalnej pracy systemu laserowego,
– optyczna kamera rozpoznająca do cięcia laserowego oznaczonych materiałów,
– wielkoformatowe grawerowanie (również reliefy) na całym obszarze roboczym.
Jednym z głównych rynków zbytu dla systemów laserowych są firmy przetwarzające akryl, w wielu przypadkach producenci wyświetlaczy, etykiet i liternictwa. Jeszcze większym rynkiem zbytu są firmy zajmujące się cięciem, przemysł motoryzacyjny czy paneli do użytku domowego.
Po drugie: spawać
Konwencjonalne metody łączenia tworzyw sztucznych są niedoskonałe, gdyż wymagają stosowania dodatkowych materiałów (klej). Lepszym rozwiązaniem jest nowoczesna technika laserowa, umożliwiająca precyzyjne spawanie laserowe, podczas którego skoncentrowana wiązka energii powoduje nadtopienie krawędzi obu elementów, a roztopiony materiał tworzy trwałe połączenie między materiałami. Strefa wpływu ciepła jest na tyle mała, że nie następuje zmniejszenie wytrzymałości obu części. Jest to również technika polegająca na spawaniu tworzyw nałożonych na siebie dzięki wykorzystaniu zjawiska transparentności materiału. Ognisko ustawia się w miejscu styku obu elementów, a doprowadzona energia sprawia, że nadtopieniu ulega tylko substancja nieprzepuszczająca promieniowania laserowego. Spoina powstaje w precyzyjny i szybki sposób, gwarantując dobrą wytrzymałość i wysoką szczelność połączenia. W niektórych obszarach technika ta może konkurować ze spawaniem ultradźwiękowym. W takich przypadkach technologia ta pozwala na niezawodne i opłacalne rozwiązania w zakresie łączenia szeregu termicznie zgrzewalnych materiałów polimerowych.
Po trzecie: znakować
Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych (w tym: znakowanie laserowe na folii) w głównej mierze polega na odbarwieniu powierzchni elementu. Polimery o ciemnych kolorach obrabia się poprzez spienianie (materiał bazowy ulega częściowemu roztopieniu oraz zgazowaniu, powstałe pęcherzyki gazu tkwią na powierzchni zastygłej substancji, rozpraszając padające światło). Tworzywa o jasnej barwie są poddawane grawerowaniu (usuwane są kolejne warstwy materiału, a powstałe napisy są odporne na zużycie ścierne). Znakowanie za pomocą lasera to szybka, dokładna i powtarzalna metoda, pozwalająca nanosić na element dowolne symbole i znaki, niezależnie od kształtu powierzchni. Przy zastosowaniu odpowiednio szerokiej gamy produktów oraz wiązki o odpowiedniej długości fal, możliwe jest znakowanie praktycznie dowolnego tworzywa sztucznego.
Korzyści są następujące:
– dokładność i precyzja, przy zachowaniu wszystkich wymiarów, parametrów i właściwości – komputerowo sterowany promień umożliwia wykonywanie nawet najbardziej nietypowych cięć i odwzorowywanie najtrudniejszych, najbardziej skomplikowanych i złożonych kształtów, dokładnych konturów, filigranowych elementów, minimalnej wielkości otworów, cięcia we wszystkich kierunkach (niezależnie od struktury materiału) za pomocą jednego narzędzia, gwarantując przy tym powtarzalność (co jest nie do przecenienia przy produkcji seryjnej),
– perfekcja i najwyższa jakość przetworzonych produktów – ograniczona strefa wpływu cięcia i bardzo wąski obszar działania termicznego pozwalają zachować idealną strukturę i kształt materiału oraz gwarantują ekonomiczne i maksymalne wykorzystanie całego materiału. Nie ma ryzyka zmian czy uszkodzeń w strukturze obrabianego tworzywa. Selektywność pozwala poddać obróbce wyłącznie wybrany obszar materiału (nawet rzędu mikrometra),
– wydajność i wysoka jakość produktu końcowego – krawędzie są równe i czyste, gładkie, błyszczące, wolne od jakichkolwiek zadrapań, zniszczeń, zniekształceń i deformacji, bez konieczności poprawek; istnieje możliwość dziurkowania, okrawania, tworzenia bardzo drobnych detali, a także cięcia elementów trójwymiarowych, przy czym osiągane ostatecznie kształty nie wymagają dodatkowej obróbki, a produkt finalnie pozostaje trwały i bardzo dobrej jakości.
– minimalizacja ryzyka potencjalnych błędów, maksymalne obniżenie ilości odpadów – wszystko to wpływa na redukcję kosztów, efektywność wykorzystywanych materiałów, ekonomiczność cięcia laserem,
– bezdotykowość – głowica lasera nie ma fizycznego kontaktu z ciętym materiałem, wobec czego nie ma możliwości uszkodzenia materiału oraz nie zużywa się, a to pozwala ograniczyć wydatki związane z eksploatacją urządzenia
– wysoka prędkość cięcia (dużo wyższa niż w przypadku tradycyjnych metod), szybkość i sprawność, docieranie do nawet trudno dostępnych miejsc, pełna automatyzacja (skomputeryzowanie sterowania to jednocześnie uproszczenie obsługi), oszczędność czasu i materiału – wszystko to wpływa na dużą produktywność cięcia laserem,
– komputerowa kontrola procesu, bezstykowe wykończenie (nie zużywamy narzędzi, dzięki czemu nie wymagają częstych napraw ani wymiany), idealna spójność, bezproblemowa integracja z pozostałymi procesami technologicznymi, archiwizacja projektów w kontekście dalszych prac – wszystko to ułatwienia, wpływające nie tylko na komfort, ale też i na jakość prac,
– opłacalność i optymalne koszty wytworzenia nawet przy małej lub średniej wielkości produkcji, a także niskie koszty jednostkowe przy dużych partiach produkcyjnych.
Tworzywa sztuczne, choć nie należą do materiałów najtwardszych, są w tym wypadku dość problematyczne. Nawet niewielka zmiana w składzie mieszanki może bowiem znacząco zmienić właściwości tworzywa i wpłynąć na jakość i trwałość znakowania laserowego. Dlatego też przed każdym procesem znakowania detal powinien być poddany wstępnym testom w konkretnych warunkach w celu sprawdzenia efektu końcowego.
Doskonałym przykładem jest przemysł motoryzacyjny, w którym przy użyciu tej metody oznacza się wszelkiego rodzaju przyciski i przełączniki, uchwyty, ale też obudowy i szereg innych części samochodowych. Po znakowanie laserowe chętnie sięgają także producenci z branży elektronicznej, aby wykonać oznaczenie np. klawiatur, płytek PCB, telefonów komórkowych i kondensatorów. Znakowarki laserowe coraz częściej znajdują zastosowanie także w przemyśle spożywczym, gdzie służą do znakowania m.in. butelek PET, folii oraz innych rodzajów opakowania z tworzyw sztucznych. Znakowanie laserowe wykorzystywane jest do nanoszenia wszelkiego rodzaju treści: od znaków alfanumerycznych poprzez różnorodne kody (np. QR, Datamatrix) po logotypy czy inną grafikę.
Po czwarte: czyścić
Czyszczenie form wtryskowych jest jednym z działów, w których sprawdzają się lasery czyszczące niezależnie od typu powierzchni, czy jest polerowana czy z fakturą. Jest to metoda bezinwazyjne i chroniące środowisko.
Wiązka promieniowania laserowego z optymalnie dobranymi parametrami pracy stanowi alternatywę dla konwencjonalnych metod czyszczenia form w przetwórstwie tworzyw sztucznych z zanieczyszczeń technologicznych. Bezinwazyjna charakterystyka procesu czyszczenia laserowego nie uszkadza struktury fizycznej oraz chemicznej obrabianych form. Wykorzystanie technologii laserowej do usuwania nawarstwień w postaci przetopionych resztek tworzywa sztucznego znacznie usprawnia proces czyszczenia, który nie pozostawia jakichkolwiek dodatkowych odpadów, a ponadto zwiększa żywotność form minimalizując konieczność ich ponownej regeneracji. Czyszczenie laserowe wykorzystuje mechanizm ablacji, aby skutecznie usuwać zanieczyszczenia z obrabianych powierzchni. Odpowiednia długość fali promieniowania laserowego oraz optymalne parametry procesu sprawiają, że światło wyemitowane ze źródła laserowego, zostaje pochłonięte przez nawarstwienia znajdujące się na czyszczonej powierzchni, natomiast reszta promieniowania zostaje całkowicie odbita od powierzchni materiału podłoża.
Urządzenia charakteryzują się wysoką niezawodnością przy minimalnej potrzebie dokonywania konserwacji, szybkiej konfiguracji parametrów oraz łatwością obsługi. Nie wymagają specjalistycznych gazów i części eksploatacyjnych. Operacje czyszczenia form wtryskowych przy użyciu lasera można zautomatyzować dzięki wykorzystaniu cobotów.
Szeroki zakres parametryzacji lasera czyszczącego pozawala na selektywne usuwanie także wybranych powłok lakierniczych nanoszonych metodami konwencjonalnymi, maszynowymi, zanurzeniowymi czy natryskowymi. Odpowiednio dobrana moc promieniowania oraz częstotliwość padania impulsów gwarantuje uzyskanie w pełni oczyszczonej powierzchni, która nadaje się do pokrycia świeżą warstwą powłoki lakierniczej.
Korzyścią są następujące:
– wszechstronność – takie czyszczenie może być stosowane na wielu powierzchniach. Nadaje się do usuwania zanieczyszczeń eksploatacyjnych, rdzy, powłok lakierniczych, tłuszczu itp. Ponadto, pozwala na wykorzystywanie go do obrabiania bardzo delikatnych i filigranowych powierzchni.
– bezinwazyjność – skoncentrowana wiązka promieniowania laserowego pochłaniana jest przez zanieczyszczenia znajdujące się na powierzchni materiału. Odpowiednia długość fali urządzenia oraz właściwe parametry procesu gwarantują usuwanie z naświetlanej powierzchni niepotrzebnych nawarstwień, pozostawiając materiał podłoża nienaruszonym.
– selektywność – szeroki zakres częstotliwości, odpowiednio duża moc emitowanej wiązki oraz właściwe ustawienie parametrów głowicy, umożliwia usuwanie tylko wybranych części zanieczyszczeń z obrabianej powierzchni oraz zapewnia powtarzalność procesu.
– ekologiczność – czyszczenie laserowe nie wykorzystuje żadnych dodatkowych środków ściernych ani chemicznych podczas procesu. Ponadto, urządzenia laserowe wykorzystywane w procesie czyszczenia zużywają niewielką ilość prądu.
Jakie tworzywa możemy „obrabiać” laserem?
Do laserowej obróbki tworzyw sztucznych nadają się następujące tworzywa:
– poliamid – z uwagi na oporność na działanie środków chemicznych może być w łatwy sposób przetwarzany za pomocą laserowego plotera tnącego; cięcie laserowe poliamidu cechuje wysoka precyzja i bezkontaktowy proces; krawędzie są zgrzane podczas procesu cięcia termicznego i dzięki temu nie strzępią się, nie trzeba wykonywać żadnych dalszych procesów technologicznych, żeby detale nadawały się do dalszej produkcji,
– poliwęglan – folie wykonane z tego syntetycznego materiału mogą być przetwarzane nawet do grubości 3 mm; bezdotykowy system obróbki przez wiązkę laserową i związane z tym gładkie krawędzie cięcia oraz wysoka precyzja to istotne argumenty za wykorzystaniem obróbki laserowej;
– polipropylen – proces jest bezdotykowy, zatem cięcie jest bez zniekształceń, o najwyższym stopniu precyzji;
– poliuretan – bardzo dobrze tnie się za pomocą noża tnącego (plotera);
– poliformaldehyd – dobry do obróbki laserem CO2;
– poliamid – obróbka laserowa najczęściej odbywa się w miejscu na elementy elektroniczne i często w kombinacji z innymi częściami lub foliami;
– polistyren – przez systemy laserowe przetwarzany jest głównie na folie i cienkie płyty (przykład zastosowań: opakowania z cienkiej folii, tworzenie modeli), duża elastyczność w przetwarzaniu, materiał nie musi być równomierny, najwyżej położone krawędzie mogą być obrabiane; obróbka odbywa się bezdotykowo, możliwe jest więc wycinanie nawet filigranowych detali;
– polimetakrylan metylu lub akryl – odpowiedni do cięcia i grawerowania laserem CO2, pojawiające się opary PMMA podczas procesu laserowego są łatwo odsysane,
– politereftalan etylenu – często używany jako tkaniny lub folie pod obróbkę laserem, idealny do cięcia i znakowania laserem CO2,
– ponadto polichlorek winylu, polietylen, poliarylosulfon, polieteroketon, kopolimer akrylonitrylu, butadienu i styrenu, silikon.
Nowinki z „laserowego” świata
Nowy LPKF ProtoLaser
Czasem wybieranym narzędziem jest laser, czasem wiertło, a czasem frez. Stosując LPKF ProtoLaser H4 do prototypów płytek drukowanych, nie trzeba się już martwić. Najnowsze urządzenie z serii ProtoLaser decyduje samodzielnie i dlatego jest jeszcze bardziej elastyczne niż jego poprzednicy. Potwierdza to raport z praktyki, w którym 4-warstwowa płytka PCB jest produkowana we własnym zakresie w ciągu zaledwie jednego dnia. Nowy ProtoLaser zbudowany jest na granitowej podstawie, posiada potężny laser i mechaniczną głowicę obróbkową, która jest obsługiwana niezależnie od magazynu narzędzi. Podczas pracy obowiązuje klasa bezpieczeństwa lasera 1 - nie są wymagane żadne specjalne środki ostrożności. Dzięki nowym narzędziom zmieniają się również procesy produkcyjne. Dzięki ProtoLaser H4 laser przejmuje całą strukturę całkowicie powlekanych materiałów obwodów drukowanych. Wiercenie i wycinanie płytki drukowanej lub dużych przełomów jest zarezerwowane dla narzędzi mechanicznych. ProtoLaser H4 integruje wypróbowany i przetestowany ploter płytek drukowanych w innowacyjny, precyzyjny system do laserowej obróbki mikromateriałów. Kamera rozpoznaje dokładną pozycję płytki drukowanej na stole roboczym. W ten sposób możliwe jest precyzyjne konstruowanie dwuwarstwowych PCB oraz pojedynczych warstw wielowarstwowych PCB. Elastyczne materiały lub folie są bezpiecznie utrzymywane na miejscu dzięki zintegrowanemu stołowi podciśnieniowemu. Sprzęt osiąga pełną wydajność dzięki łatwemu w użyciu oprogramowaniu systemowemu. LPKF CircuitPro RP kontroluje cały proces produkcji.
Nowa głowica FiberWELD DH
Nowa głowica FiberWELD DH firmy Laser Mech to wysokowydajna głowica laserowa do bezpośredniego nakładania drutu do obróbki komponentów przemysłowych i lotniczych w skali makro. Głowica dostarcza energię lasera wieloosiowego do drutu technologicznego podawanego centralnie, zapewniając całkowitą niezależność kierunkową. Zaprojektowany z myślą o zastosowaniach produkcyjnych o wysokim cyklu pracy, FiberWELD DH charakteryzuje się bezpośrednio chłodzoną, odbiciową optyką, ochroną przed odbiciami wstecznymi. Ponadto, łatwo dostępne, ochronne szkła ochronne FiberWELD DH wydłużają żywotność wewnętrznej optyki. Podstawowe zastosowania nowego FiberWELD DH w mechanizmach laserowych obejmują wytwarzanie przyrostowe, napawanie i HLAW. Nowy proces laserowy może błyskawicznie wprowadzić do powierzchni materiałów inspirowane biologią nano- i mikrostruktury.
SmartLase F250 od Markem-Imaje
Markem-Imaje oferuje nowy kompaktowy i wydajny laser światłowodowy SmartLase F250 o mocy 20 W, który zapewnia wysokiej jakości trwałe znakowanie na metalach, tworzywach sztucznych, m.in. na HDPE, PP, PVC, PS i in.
Laser SmartLase F250 jest odpowiednim rozwiązaniem dla nowoczesnych, szybkich linii produkcyjnych. Zmniejsza koszty operacyjne dzięki mniejszej liczbie przestojów linii i wyeliminowaniu atramentu. SmartLase F250 zapewnia produkcję bez stosowania substancji chemicznych, co czyni go naprawdę przyjaznym środowisku i pomaga firmom osiągnąć cele związane ze zrównoważonym rozwojem.
Laser SmartLase F250 jest odpowiedni dla firm poszukujących najlepszej w swojej klasie jakości znakowania przy dużej prędkości, gdzie przestrzeń przy linii produkcyjnej jest na wagę złota. Stworzony z myślą o najtrudniejszych środowiskach pracy, kontroler SmartLase F250, głowica drukująca i interfejs użytkownika z ekranem dotykowym mają co najmniej stopień ochrony IP55, który zapewnia długą i niezawodną pracę w trudnych, zapylonych i wilgotnych warunkach.
Wyposażony w wiele funkcji, SmartLase F250 jest zoptymalizowany pod kątem przemysłu 4.0 z szeregiem interfejsów przemysłowych, które umożliwiają jego bezpieczną i bezproblemową integrację z nawet najbardziej złożonymi systemami automatyzacji zakładu i wymogami produkcji. Zintegrowany, intuicyjny interfejs użytkownika zapewnia wzrost wydajności operacyjnej nawet o 20%.
Wysokiej wydajności systemy laserowe do tworzyw sztucznych od Eurolaser
Ploter laserowy M-800 o obszarze roboczym 1330 x830 mm (52.3” x 32.6”) jest dobrze przygotowany do szerokiej gamy aplikacji do cięcia, grawerowania i znakowania laserowego. Szczególną cechą tego plotera jest system stołu wahadłowego, który niemal podwaja wydajność i pozwala uzyskać ploterowi M-800 wysoką pozycję rynkową wśród mniejszych systemów cięcia laserowego. Ploter laserowy M-1600 oferuje ciecie laserowe i grawerowanie na najwyższym poziomie. Stół roboczy o wymiarach 1330 x 1630 mm (52.3 „x 64.2”), w połączeniu z systemem stołu wahadłowego, może zwiększyć prawie dwukrotnie wydajność produkcji. Zastosowanie tej kombinacji jest odpowiednie do materiałów, takich jak folie, akryl, drewno i tekstylia.
Laser FLYPEAK
Laser FLYPEAK firmy LASIT to rozwiązanie do znakowania laserowego na tworzywach sztucznych. Jest to system DPSS (diode pumped solid state), który łączy w sobie wysoką moc szczytową ze znacznie krótszym czasem trwania impulsu niż dostępne na rynku lasery półprzewodnikowe, przy zachowaniu niezmienionej średniej mocy: obecnie na rynku nie występuje źródło laserowe o tej samej wydajności. FLYPEAK działa w zakresie od single shot do 100 kHz z szerokością impulsu od 2 do 10 ns. Kontrolowanie dopływu ciepła jest kluczowym czynnikiem w osiąganiu wysokiej jakości znakowania laserowego na tworzywach sztucznych: zbyt dużo ciepła może spowodować spaleniznę na krawędziach oznaczenia, pogarszając jakość, a tym samym kontrast – zamiast koloru białego otrzymamy kolor brązowo-żółty. Impuls lasera FLYPEAK pozostaje zawsze poniżej 10 ns dla całego zakresu (przy 20 kHz = 3,5 ns), co pozwala na schłodzenie znakowania w porównaniu z tradycyjnymi laserami nanosekundowymi, w tym światłowodowymi, a tym samym na podniesienie jakości procesu i wyniku.
Rozwiązania IPG Photonics
Technologia spawania TLW wykorzystuje lasery włóknowe tulowe produkcji IPG Photonics, który eliminuje konieczność stosowania warstwy pochłaniającej i umożliwia łączenie przezroczystych polimerów. Emitują wiązkę lasera o większej długości fali, która jest efektywniej pochłaniana przez polimer w całym przekroju. Pozwala to na topnienie do dokładnie kontrolowanej głębokości. To najnowszy rozwój technologii, zwany metodą spawania laserowego na wskroś (TLW) lub spawania laserowego w podczerwieni (MIRL). Jest to proces bezdotykowy o wysokiej precyzji i umożliwiającym spawanie ze sobą transparentnych elementów polimerowych. Polimery te są szeroko stosowane w przemyśle wyrobów medycznych, gdzie zastosowanie ciemniejszych polimerów lub dodatków jest niepożądane.
Konwencjonalna technika spawania laserowego polimerów znana jest pod nazwą spawania laserowego transmisyjnego (TTLW). W tym przypadku lasery w zakresie długości fali 1 µm są używane do spawania dwóch termoplastycznych elementów; jeden z łączonych elementów musi pozwalać na transmisję wiązki, a drugi musi ją absorbować. Wymaga to zastosowania elementu o określonym kolorze pochłaniającym wiązkę lasera, albo wytworzenia specjalnej warstwy przy wykorzystaniu kosztownego tuszu lub pigmentu do warstwy absorbującej. IPG oferuje chłodzone powietrzem światłowody dostarczające wiązkę z lasera diodowego DDL o średniej mocy do 200 watów dla tego procesu. Posiada również lasery włóknowe wielomodowe CW o mocy do 200 W, przeznaczone do spawania polimerów.
Obie metody mogą być zastosowane w szerokim zakresie tworzyw termoplastycznych, wybór techniki zależny jest od typu łączonych elementów, zgodności składu chemicznego oraz zakresów temperatur topnienia. Oba procesy wymagają średniej mocy od 100 do 200 W, aby uzyskać atrakcyjne prędkości spawania przy dobrej wytrzymałości spoiny.
Lasery do czyszczenia Narran ROD
Lasery czyszczące serii ROD firmy Narran z Czech są wyposażone w specjalny rezonator firmy IPG, który pozwala na czyszczenia materiału bez uszkodzeń powierzchni. Laser serii ROD nadają się do czyszczenia metalu (czyszczenie rdzy, smarów, farb itp.), drewna oraz plastiku. Głowica skanująca może być używana podczas obróbki ręcznej lub na ramieniu robota oraz może być zainstalowana bezpośrednio w linii produkcyjnej. Elastyczny światłowód umożliwia prawdziwie mobilną pracę nawet w bardzo trudno dostępnych miejscach. Laser wymaga standardowego zasilania 230 V 50/60 Hz, dzięki czemu można go używać w dowolnym miejscu. Konstrukcja systemu jest osadzona na kółkach dla łatwego przemieszczania. Sterowanie laserem odbywa się poprzez przemysłowy sterownik PLC, który umożliwia przechowywanie parametrów lasera dla konkretnych materiałów oraz zdany dostęp działu serwisu w przypadku jakichkolwiek problemów. Moc, częstotliwość oraz szerokość wiązki lub kształt możemy zmieniać podczas pracy lasera. System laserowy ROD może być wyposażony w źródło laserowe o mocy 50, 100, 200, 500, 1000 oraz 2000 W.
Seria ULTRA dla ultra wymagających
Najnowsza platforma firmy Universal - ULTRA - może używać nawet trzy źródła laserowe, czyli np. dwa wymienna lasery CO2 i jeden laser światłowodowy. Platforma skonfigurowana z trzema laserami, (technologia MultiWave Hybrid) umożliwia jednoczesne połączenie do trzech długości fal – 9,3 μm, 10,6 μm i 1,06 μm w jedną wiązkę. Każda składowa wiązki jest niezależnie kontrolowana i może być modulowana w czasie rzeczywistym.
System w tej konfiguracji nadaje się do stosowania np. z wielowarstwowymi materiałami kompozytowymi. W razie potrzeby każdy laser może być używany niezależnie dla materiałów, które mogą wymagać wielu następujących po sobie procesów wykorzystujących różne długości fal. Możliwość takiej różnorodności konfiguracji idzie w parze z łatwością, z jaką można wymieniać źródła laserowe, co jest cennym atutem dla tych, którzy używają systemów laserowych w wymagającym środowisku produkcyjnym.
Dodatkowo, w sytuacjach konieczności dokładnego dopasowania ścieżki cięcia do wydrukowanego materiału, w modelach serii ULTRA, standardowym wyposażeniem jest system Multi-Camera Vision. Odpowiednio rozmieszczone kamery rejestrują cały obszar obróbki oraz zbliżenie materiału umieszczonego w laserze. Poprzez oprogramowanie sterujące laserem – Laser System Manager użytkownik steruje widokami kamery, ruchem, obrotem i skalowaniem pliku z projektem. Innym zastosowaniem technologii kamer jest rejestracja. Dzięki rejestracji kamera lokalizuje i określa dokładne położenie znaczników wewnątrz systemu laserowego, a oprogramowanie dostosowuje wstępnie zdefiniowaną ścieżkę cięcia, aby pasowała do materiału.
Te technologie i innowacje zapewniają przewagę konkurencyjną przedsiębiorstwom różnej wielkości, które chcą nadążać za dynamicznym charakterem dzisiejszego środowiska biznesowego poprzez zabezpieczanie przyszłych procesów produkcyjnych. Nieustanne dążenie do ulepszania technologii laserowej pozwala użytkownikom czerpać korzyści z systemów laserowych, które zapewniają wysoką wydajność w najszerszym zakresie zastosowań materiałowych.
Fluence otwiera innowacyjne laboratorium mikroobróbki laserowej we Wrocławiu
We Wrocławiu powstaje nowoczesne Laboratorium Aplikacyjne Laserów Ultraszybkich. Obiekt będzie wyposażony w uniwersalną stację do mikroobróbki materiałów o wysokiej precyzji, wykorzystującą lasery femtosekundowe własnej marki.
Lasery ultraszybkie są już obecnie stosowane przy produkcji elektroniki użytkowej, urządzeń medycznych i innowacyjnych materiałów. Laboratorium pozwoli firmie Fluence zidentyfikować nowe obszary zastosowań tego typu laserów, a także testować nowe techniki mikroobróbkowe dla przemysłu i przeprowadzać studia wykonalności. Nowy obiekt zagwarantuje klientom testy niezbędne do sprostania złożonym wyzwaniom związanym z precyzyjną mikroobróbką w zakresie cięcia, mikrowiercenia, znakowania, strukturyzacji, spawania, trasowania (scribing) i nie tylko. Stacja do mikroobróbki składa się ze stolików pozycjonujących, skanerów galwanometrycznych oraz różnych układów optycznych stabilizujących i kształtujących wiązkę. Jej sercem jest światłowodowy laser femtosekundowy, Jasper 30, który dostarcza fale o trzech długościach (1030 nm, 515 nm oraz 343 nm) i daje możliwość przestrajania czasu trwania impulsu w polu roboczym od 230 fs do 20 ps, oraz wyboru częstości repetycji do 20 MHz. Laser umożliwia ponadto obróbkę materiałów z wykorzystaniem konfigurowalnej sekwencji impulsów laserowych leżących blisko w czasie, tzw. burstów, które zwiększają wydajność oraz jakość wielu procesów, takich jak cięcie czy ablacja szkieł, metali oraz polimerów, a także otwiera nowe możliwości w obszarze kształtowania morfologii powierzchni. Laboratorium jest pierwszym i jedynym obiektem w Europie, w którym XL SCAN jest demonstrowane razem z laserem femtosekundowym.
Lasery femtosekundowe można wykorzystywać np. do mikroobróbki wrażliwych na ciepło polimerów. Wrażliwe na ciepło biowchłanialne polimery są szeroko stosowane do produkcji biodegradowalnych stentów i ortopedycznych implantów. Ze względu na niską temperaturę topnienia takich materiałów, przepływ ciepła podczas wytwarzania musi być zminimalizowany. W porównaniu z innymi źródłami do strukturyzacji w skali mikronowej lasery femtosekundowe osiągają przez to dużą przewagę.
Projekt LaBoKomp
Naukowcy z Laser Zentrum Hannover wraz z partnerami opracowali laserowy system do wiercenia otworów na nity w materiałach kompozytowych. Projekt nosi nazwę LaBoKomp. Czas wiercenia na otwór został drastycznie skrócony w przypadku procesów laserowych.
Naukowcy z LZH z powodzeniem przetestowali proces wiercenia laserowego i system na tak zwanych „rozpórkach ładunkowych”. Są to rozpórki w kształcie litery C, ponieważ służą one do stabilizacji podłogi ładowni. Dzięki czasowi wiercenia krótszemu niż 10 sekund na otwór, nowa metoda jest teraz na równi z konwencjonalnymi – bez niedogodności zużycia narzędzia i ryzyka rozwarstwienia. Podstawą zautomatyzowanego procesu jest specjalnie opracowane oprogramowanie. Umożliwia strategie wiercenia, w których parametry mogą być ciągle regulowane podczas procesu. W ten sposób można uzyskać optymalną jakość otworów wiertniczych, która również spełnia normy lotnicze. Partner projektu firma INVENT wykazała, że otwory stworzone metodą laserową są równoważne z otworami wierconymi metodami konwencjonalnymi. Proces jest stale monitorowany za pomocą termografii i na tej podstawie regulowane jest rozpraszanie ciepła. System został zaplanowany i zaprojektowany wspólnie z KMS Technology Center, a następnie oddany do użytku w LZH. Zawiera nowy typ lasera od firmy TRUMPF. Moduły opracowane przez KMS można elastycznie zmieniać i dostosowywać do różnych aplikacji. System i proces są odpowiednie dla wszystkich typów CFRP (Carbon fiber reinforced polimer – kompozyt zbrojony włóknem węglowym i polimerową osłoną) powszechnie stosowanych w lotnictwie, a także laminatów z warstwami pokryciowymi z GRP i miedzianej siatki. Łatwo jest również wiercić różne laminaty umieszczone jeden nad drugim.
Start-up Fusion Bionic
Technikę, która może przenosić właściwości ze świata przyrody na powierzchnie implantów lub skrzydeł samolotu, opracowali naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów i Wiązek im. Fraunhofera (IWS) oraz Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie w Niemczech. Rozwiązania oferowane przez Fusion Bionic opierają się na szybkiej technologii laserowej Direct Laser Interference Patterning (DLIP), która jest do 100 razy szybsza niż dotychczasowe procesy. Szybka funkcjonalizacja przy użyciu DLIP otwiera drogę do wysokowydajnych powierzchni o właściwościach samoczyszczących, zmniejszonego tarcia w systemach trybologicznych, ulepszonego kontaktu złączy, zwiększonej biokompatybilności implantów i innych. Aby nanieść wzór biomimetyczny na powierzchnię, w kontrolowany sposób wiele wiązek laserowych nakłada się, tworząc wzór interferencyjny. Ten wzór można rozłożyć na większym obszarze, umożliwiając szybką obróbkę powierzchni o dużych powierzchniach. To pozwala stworzyć praktycznie każdą strukturę, jaką można sobie wyobrazić. Może to być szczególnie przydatne w przyszłych samolotach elektrycznych, które będą musiały zmaksymalizować efektywność energetyczną. Inne potencjalne zastosowania to obróbka implantów, takich jak protezy stawów biodrowych i implanty dentystyczne, aby ich powierzchnie były biokompatybilne lub antybakteryjne czy bardziej niezawodne połączenia wtyczek elektrycznych.
Podsumowanie
Wiele zmieniło się od momentu skonstruowania pierwszego urządzenia laserowego w latach 60. ubiegłego wieku. Technologia ta, pierwotnie stosowana głównie przez wojsko, a z czasem – także firmy z sektora telekomunikacyjnego – stała się dziś nieodłącznym elementem produkcji przemysłowej. Technologie laserowe ewoluują nadzwyczaj szybko, a ich możliwości wzrastają proporcjonalnie do zapotrzebowania na tego typu usługi. Oprócz parku maszynowego coraz to nowszej generacji, producenci i inżynierowie wprowadzają wciąż nowsze, doskonalsze rozwiązania, aby w jak najszybszym czasie móc dostarczyć gotowy, doskonałej jakości, spełniający wszelkie normy i oczekiwania konsumentów produkt. Nowe, lepsze technologie, które nieustannie dostarczane są firmom przemysłowym przez producentów laserów gwarantują, że w najbliższych latach ich popularność będzie znacząco rosnąć.
Oczywiście urządzenia do obróbki laserem mają swoje ograniczania, jak chociażby cena, dlatego nie każda firma może sobie pozwolić na ich zakup. Ograniczeniem jest także ściśle określone pole pracy urządzenia – co może uniemożliwić obróbkę zbyt dużych elementów. Ponadto zakres ciętych materiałów zależny jest od zastosowanego źródła lasera.
Mia Walasek
Literatura
1. https://polskiprzemysl.com.pl/wiadomosci/mikroobrobka-laserowa-metalipolimerow-szkla/
2. https://polskiprzemysl.com.pl/przemysl-chemiczny/wiercenie-otworow-wkompozytach/
3. https://www.eurolaser.com/pl/zastosowanie/przetworstwo-tworzyw-sztucznych
4. https://lasitlaser.pl/procesy-znakowania-laserowego-na-powierzchniach-ztworzyw-sztucznych/
6. https://lasertrade.pl/laserowa-obrobka-tworzyw-sztucznych-poradnik
7. https://www.ylm.pl/zastosowanie-laserow-w-produkcji-przemyslowej/
8. https://magazynprzemyslowy.pl/artykuly/laserowe-znakowanie-tworzywsztucznych
9. Cienka A. E.: Analiza porównawcza efektów cięcia laserowego tworzyw sztucznych z wybranymi dodatkami. Praca inżynierska, ORPD, Politechnika Rzeszowska, Rzeszów 2020
10. Klepka T. (red.), Nowoczesne materiały polimerowe i ich przetwórstwo. Część 1. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin, 2014
11. Kujawski A., Szczepański P., Lasery. Podstawy fizyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1999.
12. Rytlewski P., Studium laserowego i plazmowego modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów polimerowych. Wydawnictwo Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego, Bydgoszcz, 2015.
13. Saechtling H., Tworzywa sztuczne: poradnik. Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa, 2007.
14. https://coleman.pl/blog/na-czym-polega-znakowanie-laserowe-w-przemysle/
15. https://emtechiph.pl/testowy/
16. https://opakowania.com.pl/news/przewodnik-po-znakowaniu-znakowanielaserowe-w-przemysle-65480.html
17. https://fiberlaserdays.pl/spawanie-tworzyw-sztucznych/
