Jak wywiercić milion otworów laserem?
Fraunhofer ILTLaser jest narzędziem pierwszego wyboru, kiedy trzeba wywiercić dużą liczbę podobnych otworów obok siebie. Który jednak system laserowy sobie najlepiej z tym zadaniem poradzi, jest najszybszy i najbardziej wydajny?
Mimo że pandemia ograniczyła liczbę podróży samolotem, przemysł lotniczy cały czas jest pod dużą presją, aby jeszcze bardziej ograniczyć zużycie paliwa. Zasada „hybrydowego sterowania przepływem laminarnym” daje taką możliwość: powietrze opływa skrzydło samolotu z mniejszym oporem, jeśli jego powierzchnia ma wiele małych otworów. W ten sposób można zaoszczędzić nawet do 10% paliwa.
Podobna sytuacja ma miejsce w turbinach lotniczych, w których małe otwory pomagają lepiej tłumić hałas silnika. Trzecim przykładem jest technologia filtrów. Folie metalowe z otworami o wielkości rzędu mikrometrów pozwalają skuteczniej odfiltrowywać mikroplastik ze ścieków.
Te trzy przykłady bardzo dobrze pokazują, że konieczność wywiercenia wielu otworów obok siebie może przynieść liczne korzyści. Budowa turbin, produkcja papieru czy recykling tworzyw sztucznych to obszary o dużym potencjale.
Jak można wiercić za pomocą lasera?
Laser jest używany w przemyśle już od kilkudziesięciu lat, a jego zastosowania są bardzo zróżnicowane. Oprócz znakowania, spawania i cięcia powszechnym procesem jest także wiercenie laserowe. Z technicznego punktu widzenia jest to bezkontaktowy proces obróbki termicznej materiału.
Istnieją cztery różne sposoby wiercenia otworów za pomocą lasera. Decydującą rolę w wyborze odpowiedniej metody odgrywa kompromis między szybkością a precyzją przeprowadzanego procesu.
Oczywiście najszybszym sposobem jest „wystrzeliwanie” otworów przez materiał za pomocą pojedynczych impulsów (wiercenie jednoimpulsowe). Wiercenie spiralne trwa najdłużej – zwykle wymaga nawet zastosowania specjalnych układów optycznych, jednak w zamian oferuje wysoką precyzję. W wierceniu udarowym kilka krótkich, następujących po sobie impulsów oddziałuje na materiał w tym samym punkcie, co pozwala wywiercić otwór. Wiercenie trepanacyjne polega natomiast najpierw na wycięciu otworu przelotowego, który jest następnie stopniowo powiększany poprzez zastosowanie ruchu kołowego wiązki lasera.
Oczywiście precyzja wiercenia i gładkość ścian otworu zależą również od materiału i rodzaju promieniowania laserowego. Dla przykładu, miedź znacznie lepiej pochłania światło zielone i niebieskie niż zwykłe promieniowanie podczerwone.
Na wynik wpływa także czas trwania impulsu i energia impulsu. Lasery o ultrakrótkim impulsie (UKI) są w tym przypadku czymś wyjątkowym: dostarczają energię lasera w bardzo krótkim czasie, a materiał jest przekształcany w plazmę niemal natychmiast. Oznacza to, że lasery UKI mogą obrabiać praktycznie każdy materiał i oferują doskonałą jakość powierzchni, ale też wymagają najdłuższego czasu podczas obróbki.
Wszystkie te procesy od lat są badane i optymalizowane w Instytucie Fraunhofera ILT (Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT) w Niemczech. Rezultatem są wysoce wydajne metody wiercenia, w których na sekundę można wywiercić od dziesiątek do setek otworów.
Dużym wyzwaniem jest utrzymanie niskich tolerancji średnic otworów i wysokiej jakości powierzchni, nawet przy wysokiej wydajności (szybkości wiercenia). Wykorzystuje się tu procesy znanego wiercenia w locie (on-the-fly – OTF) z pojedynczymi impulsami i wiercenia udarowego OTF opracowanego w Fraunhofer-ILT.
Przykład 1. Mikrowiercenie jednoimpulsowe z użyciem lasera
Najbardziej wydajną metodą wiercenia z powyższej listy jest wiercenie z pojedynczymi impulsami. Zawsze trzeba jednak pamiętać, że należy zachować równowagę między szybkością procesu a jakością wierconego otworu. Jeśli układ optyczny będzie przesuwał się zbyt szybko po powierzchni, otwór ulegnie powiększeniu.
Jakość otworu wiertniczego można ocenić na podstawie różnych parametrów:
• Okrągłość, czyli stopień odchylenia otworu od idealnego kształtu koła. Wpływa na to laser i prędkość przesuwu.
• Stożkowatość, czyli stopień, w jakim średnica otworu wiertniczego zmienia się wraz z głębokością.
• Jakość powierzchni w otworze, na którą wpływa intensywność oddziaływania wiązki laserowej.
W Fraunhofer-ILT zoptymalizowano proces tak, aby w arkuszu tytanu o grubości 1 mm można było wiercić 200 otworów na sekundę. Do tego celu użyto lasera jednomodowego, w którym można uzyskać średnicę ogniskową, która wynosi zaledwie 12 mikrometrów, i uzyskać otwory o średnicy nieco poniżej 80 μm.
Wiercenie odbywało się metodą „on-the-fly”, tzn. ze stałą prędkością posuwu układu optycznego względem przedmiotu obrabianego. Dzięki zoptymalizowanym parametrom procesu na sześcioosiowej maszynie udało się z powodzeniem obrobić 2-metrowy model demonstracyjny skrzydła samolotu, uformowany w technologii 3D.
Przy prędkości 200 otworów na sekundę na powierzchni około 2 m2 wywiercono około 2 mln otworów na metr kwadratowy w czasie krótszym niż 3 godziny. Średnica otworów wynosiła 80 μm. Ważne było również precyzyjne kontrolowanie odległości między układem optycznym a obrabianym przedmiotem. Do tego celu wykorzystano OCT (optical coherence tomography – optyczną koherentną tomografię), ponieważ nie wpływają na nią plazma ani rozpryski, a dokładność pomiaru wynosi zaledwie kilka mikrometrów.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Przykład 2. Wiercenie udarowe „on-the-fly”
Nie wszystkie jednak otwory można wywiercić za pomocą impulsu laserowego. Wiercenie udarowe pozwala uzyskać wyższe współczynniki kształtu, zrealizować wyższe wymagania dotyczące jakości otworu lub nachylenie otworu. Większe średnice otworów to kolejne zastosowanie wiercenia udarowego OTF. W tym przypadku w ten sam otwór wysyłanych jest kilka impulsów laserowych. Jest oczywiste, że prędkość posuwu odgrywa tu jeszcze większą rolę. W przeciwnym razie otwór będzie krzywy lub laser nie będzie w stanie w ogóle przeniknąć przez materiał.
Czas trwania wiercenia otworu zależy od liczby wymaganych impulsów lasera i częstotliwości jego powtarzania. Sam proces wiercenia jest bardziej złożony niż w przypadku pojedynczego impulsu. Do czasu wywiercenia całego otworu poszczególne impulsy lasera muszą być wystarczająco silne, aby wypchnąć materiał poza otwór. Zależnie od parametrów procesu stopiony materiał może pozostać w otworze i zestalić się, powodując przesłonięcie lasera lub nawet zamknięcie otworu.
Fraunhofer-ILT przeprowadził w tym zakresie szeroko zakrojone badania i z powodzeniem opracowano proces OTF dla wiercenia udarowego. Dzięki zastosowaniu nowego źródła wiązki lasera światłowodowego o szczytowej mocy impulsu do 20 kW i częstotliwości powtarzania wynoszącej 2000 Hz możliwe było wykonanie do 30 otworów na sekundę w aluminium o grubości 2 mm.
Z dużą precyzją wykonano otwory o średnicy 500 μm. Odchylenie standardowe było mniejsze niż 5% na wlocie i nawet mniejsze niż 2,5% na wylocie. Wysoka moc szczytowa impulsów i częstotliwość powtarzania kolejnych impulsów wiązki laserowej umożliwiły osiągnięcie wysokiej precyzji otworów i wpływały na wydajność procesu.
A jeśli to nie wystarczy?
Technologia laserowa i procesowa stale się rozwija, dlatego w nadchodzących latach można spodziewać się dalszych postępów w wierceniu laserowym. Jeśli chodzi o źródła wiązki laserowej, coraz popularniejsze stają się lasery o ultrakrótkich impulsach i większych mocach.
Mają one 2 główne zalety. Z jednej strony, otwory po obróbce UKI są bardziej precyzyjne, wolne od wad lub po prostu gładsze. Z drugiej strony, lasery UKI mogą przetwarzać praktycznie wszystkie materiały. Do tej pory było to kompensowane jedynie przez znacznie niższą prędkość roboczą.
W ramach Klastra Doskonałości Zaawansowane Źródła Fotonów CAPS (Cluster of Excellence Advanced Photon Sources) eksperci z kilku Instytutów Fraunhofera opracowują obecnie źródła wiązek o mocy do ponad 10 kW i niezbędną technologię procesową. Powinny one również rozwiązać obecny problem niskiej wydajności laserów UKI.
Takie wydajne źródła wiązki laserowej umożliwiają również stosowanie optyki wielowiązkowej. Pozwala to m.in. na równoległe wiercenie setek lub tysięcy otworów. W ramach projektu Sim Con Drill wywiercono już w ten sposób płyty filtracyjne do filtrów ściekowych z milionami otworów o średnicy 10 μm. Dzięki tak małym otworom filtry można stosować w publicznych oczyszczalniach ścieków do wychwytywania mikroplastiku o wielkości poniżej 10 μm.
Układ optyczny wielowiązkowy można skonfigurować na różne sposoby. Dzięki dyfrakcyjnym elementom optycznym można uzyskać dużą liczbę równoległych, identycznych wiązek cząstkowych. Przy użyciu specjalnych modulatorów ciekłokrystalicznych rozkład wiązek cząstkowych można zdefiniować niemal dowolnie. Modulatory akustyczno-optyczne mogą być z kolei wykorzystywane do włączania i wyłączania poszczególnych wiązek.
Cały czas opracowywane są nowe procesy wiercenia laserem. Coraz mocniejsze lasery nieustannie otwierają nowe możliwości w zakresie osiągalnych geometrii otworów i produktywności. Szczególnie znaczące postępy w dalszym rozwoju źródeł wiązki UKI powinny umożliwić w nadchodzących latach wiele nowych zastosowań technologii wiercenia laserowego.
