V Centru HiLASE se dlouhodobě vyvíjí nové generace diodově čerpaných laserů s vysokým průměrným výkonem a vysokou opakovací frekvencí. S předním odborníkem z Centra HiLASE Janem Brajerem jsme hovořili o barvách laseru i úspěších v laserovém vyklepávání.
Technologie diodového čerpání umožňuje znatelně vyšší výkon než klasické pulzní lasery. Co je ale vlastně výhodou nových laserů a jaký vliv v tom hraje vlnová délka laseru?
Vlnová délka laseru je velmi důležitým parametrem, protože každý materiál reaguje s vlnovou délkou laseru jinak, pro kovové materiály jsou vhodné jiné lasery než například pro organické. Současným trendem v obrábění je odklon od dlouhovlnných laserů, které byly používány historicky, a namísto CO2 laseru s vlnovou délkou 10 600 nm je možné použít vláknové lasery, které mají vlnovou délku desetkrát menší, například 1064 nm. To se týká nejen zpracování oceli a slitin na bázi železa, neželezných kovů, jako jsou například slitiny na bázi mědi. Pro ilustraci, pokud bych použil laser vhodný pro řezání železa na měď, která má velmi nízkou absorpci, bude absorpce pouze dvě až tři procenta, ale při aplikaci laseru s vlnovou délkou kolem 500 nmse se absorpce zvýší na 30-40 procent.
Lasery s různými vlnovými délkami se využívají dnes při svařování baterek pro elektromobilitu i třeba pro klasické svařování v elektromotorech. Stejně tak se začal využívat například modrý laser, který velmi zjednodušeně slouží k předehřátí materiálu a svařování je následně provedeno klasickým infračerveným laserem, kde již tavenina absorbuje drtivou většinu energie laseru.
Používání různých vlnových délek laseru při zpracování materiálu se propisuje i do technologií, jako je třeba 3D tisk, kterému se například věnujeme v rámci konsorcia Brain4Industry. Při tisku na bázi oceli lze bez problémů používat běžný infračervený laser, ale při tisku specialit, jako jsou třeba chladiče z mědi, je výhodnější používat laser zelený.
Máte v Centru HiLASE všechny barvy laseru?
Naše lasery umí generovat záření různých vlnových délek, ty potom můžeme použít podle potřeb případné aplikace. Máme lasery emitující od infračerveného záření přes zelenou a modrou až po ultrafialové. Rozhodně nemáme všechny vlnové délky, tedy barvy laseru, a některé, na které se ptáte, dokonce neexistují, například růžová.
Stanice pro povrchové zušlechťování materiálů laserem.
Excelentní výsledky dosahuje centrum při inovacích technologie laserového vyklepávání. Jakým způsobem zpevňujete materiály?
Aplikace laserového vyklepávání, laser shock peening, je zpevňování povrchové vrstvy materiálů do pětkrát i desetkrát do větší hloubky, než je tomu konvenčními metodami. Zpevnění probíhá díky tlaku vytvářenému laserem na povrch materiálu a následnému šíření rázové vlny do výrazně větší hloubky. Tímto postupem chráníme materiál tak, aby se v této hloubce nemohla šířit trhlina, nebo jen velmi obtížně. Pokud se v materiálu zpevněném jen do malé hloubky trhlina vytvoří, bude dolom relativně rychlý. To neplatí u zpevněného materiálu naší metodou, čímž zásadně přispíváme k bezpečnosti provozu dané součástky nebo materiálu.
V současné době jsme v centru schopni zpracovávat součásti nebo dílce o velikosti jednoho metru s váhovým limitem 35 kilo. Ale samozřejmě naší ambicí je rozšiřovat možnosti tak, abychom byli schopni přijet i za součástí o velikosti turbíny nebo jaderného reaktoru, jak to funguje například v Americe. Tam jezdí kamion vybavený podobnými lasery, jako jsou naše, a tímto způsobem zpracovávají například kontejnery na jaderný odpad.
Pomáháte svou expertízou jaderným elektrárnám?
Ve spolupráci s ČEZ, a. s. a Centrum výzkumu Řež s.r.o. vyvíjíme metodiku zpracování svarových spojů na sekundárním okruhu jaderné elektrárny Temelín. Jedná se o svarové spoje dvou ocelí s různým fázovým složením, které se následně důkladně kontrolují nedestruktivními metodami. Díky našemu zpracování pak tyto svarové spoje mohou mít vyšší odolnost a ve výsledku tak přispět ke zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti celého systému.
Metodu vyklepávání používáte i pro kovové implantáty…
Podíleli jsme se společně s výrobci kyčelních kloubů na řešení možného prodloužení životnosti. Běžně implantát vydrží 20 až 25 let, což v případě mladších pacientů nemusí být úplně ideální. Nevýhodou umělých kloubů může být hmotnost, ale i nedostatečná pružnost. Zatímco kost má modul pružnosti 2–25 GPa, užívaný titan disponuje pružností 115 GPa. Tento problém lze řešit pomoci technologie 3D tisku, kde se může vytisknout poddajnější struktura, která se svými vlastnostmi více podobá kostní tkáni. V kombinaci s 3D tiskem nám technologie laser shock peening pomáhá řešit kritické oblasti, kde očekáváme, že implantát praskne, a doufáme, že prodloužíme jeho životnost v počtu cyklů třeba na dvojnásobek.
Plánujete další transfery této expertízy do medicíny?
V rámci dalších vyvíjených technologií, jako je například funkcionalizace povrchu, jsme podali společně s centrem BIOCEV projekt, jehož výsledkem by mělo být snížení výskytu biofilmů na materiálu. Speciálně se zaměřujeme na povrchy plastů, které se využívají v medicíně. Slibujeme si relativně průlomová řešení, kdy laserem na povrchu plastu vytváříme drážkování o velikosti stovek nanometrů, tedy menší, než je bakterie. Na projektu jsme začali spolupracovat s Technickou univerzitou v Liberci, kde nám vyrobili formu pro vstřikování plastů, do které jsme vytvořili zmíněné textury. Ukazuje se, že třeba zlatý stafylokok se na našem nadesignovaném povrchu udrží špatně a nedochází k jeho množení. Počet bakterií na tomto povrchu se snížil oproti etalonu na pouhých 0,3 procenta, taková struktura by se následně mohla aplikovat i na povrch telefonu nebo například klávesnici u počítače.
Centrum HiLASE (zkratka pro High average power pulsed LASErs) je vědecké výzkumné centrum Fyzikálního ústavu AV ČR. Hlavním cílem výzkumu je vyvinout nové laserové technologie – diodové (diode pumped solid state laser systems, DPSSLs) s vysokou energií v pulzu a zároveň vysokou opakovací frekvencí. V centru se rovněž testuje odolnost optických materiálů a vede výzkum zpevňování povrchu materiálu rázovou vlnou, přesného řezání, vrtání, svařování, mikroobrábění a čištění povrchů.