Aktuální vydání

celé číslo

04

2019

Plnicí a balicí stroje, výrobní logistika a správa skladových zásob

Průmyslové počítače, PLC

celé číslo

Robotizovaná pracoviště pro povrchové laserové úpravy

V průmyslovém areálu plzeňské Škodovky sídlí nenápadná firma LaserTherm s osmi zaměstnanci a s inovativním programem. Zabývá se laserovými povrchovými úpravami a dodávkami robotizovaných laserových pracovišť. Za doprovodu zakladatele firmy Ondřeje Soukupa a jednatele společnosti ARC-Robotics Zdeňka Turka jsme měli příležitost prohlédnout si robotizovaná pracoviště pro laserové kalení, svařování a navařování. Všechna tři pracoviště jsou automatizovaná a vybavená roboty značky FANUC.

Robotizovaná pracoviště

Povrchové kalení, svařování a navařování, to jsou laserové operace prováděné ve třech robotizovaných pracovištích společnosti LaserTherm. Pracoviště jsou univerzální a flexibilní – pouhou výměnou laserové hlavy se změní typ povrchové úpravy. Nikterak složité není ani přizpůsobení pracoviště součástem různé velikosti a hmotnosti – od několika gramů až po desítky tun.

Pro polohování a pohyb laserových hlav je každé ze tří pracovišť vybaveno jedním šestiosým modulárním robotem dodaným společností FANUC Robotics. Rotační součásti jsou upínány do dvouosých polohovadel o nosnosti 500 kg, která jsou poháněna servomotory Fanuc a jsou plně synchronizována s robotem.

Při bližším zkoumání lze ve výrobní hale nalézt dva typy robotů. Dvě pracoviště jsou vybavena roboty Fanuc M710iC o nosnosti 50 kg s opakovatelností ±0,07 mm (obr. 2). Tyto roboty o hmotnosti 560 kg mají horizontální dosah 2 050 mm.

Na třetím pracovišti je instalován robot typu Fanuc M-20iA/10L o nosnosti 10 kg s opakovatelností ±0,10 mm. Tento robot je o poznání lehčí (váží „pouze“ 250 kg), a proto může být umístěn na lineárním posuvu o délce 4 m, čímž se jeho horizontální dosah 2 009 mm prodlouží na 7 m.

Laserové povrchové kalení

Zmíněné prodloužení dosahu robotu přišlo vhod při operaci povrchového kalení šroubovice extrudéru na výrobu plastů, kterou jsme měli možnost sledovat při naší návštěvě společnosti LaserTherm. Šroubovice značné délky má proměnné stoupání a plynule se mění také šířka její čelní plochy, kterou je třeba zakalit. Vzhledem k namáhání šroubovice musí součást zůstat uvnitř houževnatá, a proto nesmí kalení zasahovat do těla spirály, ale jen do hloubky 0,5 až 1 mm. Jde o úlohu, na které se projeví přednosti laserového povrchového kalení, jež je vhodné pro selektivní zpracování pouze určitých ploch, pro složité, nepřístupné plochy a pro kalení nejvýše do hloubky 2,5 mm.

Šroubovice byla upnuta ve dvouosém rotačním polohovadle. Laserovou kalicí hlavu nese robot Fanuc M-20iA/10L (obr. 3), umístěný na lineárním pojezdu. Rotační polohovadlo otáčí šroubovicí synchronizovaně s pohybem robotu tak, aby laserový parsek sledoval šroubovici a stále se přizpůsoboval měnící se šířce její vnější plochy. Výkon laseru (max. 6 600 W) je řízen v závislosti na teplotě měřené pyrometry tak, aby kalení probíhalo za stálých podmínek. Trajektorie laserového paprsku je programována sekvenčně, bod po bodu, přitom se v jednotlivých bodech mění parametry – teplota, výkonu laseru, rychlosti.

Součást je z nástrojové oceli, která je odolná proti kalení, proto je třeba kalit při teplotě přesahující 1 200 °C. Tichý, čistý způsob kalení je zvláštní tím, že ani při tak vysoké teplotě není používána žádná chladicí lázeň – ohřívá se pouze povrch materiálu a teplo je odváděno do těla součásti. Přitom se součást neohřeje na teplotu vyšší než 100 °C, takže se nedeformuje.

Přesné zaměření laseru přispívá k úspěchu také při povrchovém kalení ozubených kol (obr. 5). Na obr. 4 je patrné, jak snadno lze robo­tizované pracoviště upravit pro povrchové kalení mnohatunových rovnacích válců nebo velkých lanovnic. Povrchové laserové kalení může nahrazovat indukční kalení nebo kalení plamenem. Výhodou je až desetkrát nižší spotřeba energie oproti indukčnímu kalení.

Laserové svařování

Laserem lze svařit různé typy materiálů z konstrukčních a korozivzdorných ocelí, hliníku, titanu a mědi. Předností jsou přesné, kvalitní svary bez trhlin, nečistot a pórů. Materiál v okolí svaru netrpí deformacemi. Laserové svařování může nahradit konvenční svařování – je však mnohem rychlejší při znatelně menší spotřebě energie. Ačkoliv jsou náklady na laserové pracoviště přibližně o 30 % vyšší, mnohem nižší jsou provozní náklady, vzhledem k úspoře energie a menším požadavkům na servis údržbu. Návratnost laserových pracovišť je proto přibližně dva až tři roky.

Zajímavá je i technologie vysokorychlostního svařování. S použitím robotu a lineárních posuvů jsou ve společnosti LaserTherm svařovány plechy tloušťky od 1 do 5 mm rychlostí až 5 m/s. Svary délky až 15 m nezpůsobují žádné deformace plechů.

Laserové navařování

Cílem navařování je nanést na základní materiál funkční vrstvu, která má splňovat speciální požadavky na otěruvzdornost, odolnost proti korozi nebo může fungovat jako světelná bariéra apod. Navařováním lze kombinovat různé materiály: na ocel je možné navařovat např. bronz, keramiku, slitiny mědi, hliník, wofram, platinu. Na bronz je možné navařovat ocelové slitiny a také se mohou navařovat kovy na keramiku, je-li třeba vytvořit v keramice elektricky vodivá místa. Navařovaný materiál ve formě prášku se vsypává do laserového paprsku, nataví se a vytváří funkční návar. Navařováním je možné díly ochránit nebo repasovat díly, které by jinak byly neopravitelné. Technologie může nahradit 3D tisk – je např. možné nahradit chybějící zub na ozubeném kole.

Jak vznikají pracoviště pro laserové povrchové úpravy

Dodavatelem speciálních laserů pro povrchové úpravy je německá firma LaserLine. Všechna tři popsaná pracoviště byla zkonstruo­vána ve spolupráci s firmou ARC-Robotic, která je systémovým integrátorem společnosti FANUC Robotics. ARC-Robotic spolupracuje s firmou LaserTherm také na zakázkách, které jsou náročné na konstrukční návrh přípravků, programování pohybů robotu apod.

Vedle laserového zpracování dílů nabízí společnost LaserTherm také dodávky laserových pracovišť tzv. na klíč. Při těchto dodávkách znovu přichází ke slovu firma ARC-Robotic, která se stará o to, aby pracoviště sestavené z laseru od společnosti LaserLine, robotu od FANUC a polohovacích členů fungovalo dobře jako celek. Pro simulaci a vizualizaci pohybů robotů a polohovadel používá ARC-Robotic prostředí Roboguide firmy FANUC Robotics. Tento software dovoluje simulovat celý robotický proces. Pomocí animace je možné ukázat zákazníkovi, jak bude pracoviště fungovat, a upravovat návrh podle jeho připomínek.

Společnost LaserTherm se na návrhu podílí řešením technologických aspektů laserového zpracování. Když je ve spolupráci se zákazníkem pracoviště navrženo a vyrobeno, jsou odborníci společnosti LaserTherm schopni jednotlivé robotické i laserové funkce odladit s využitím vlastních zařízení. Samozřejmostí je poskytování servisu a také proškolení obsluhy laserových pracovišť.

Plány do budoucna

V začátcích musela firma LaserTherm zákazníky přesvědčovat o výhodách laserových povrchových úprav. Nyní je již tato metoda dostatečně známá a laserové úpravy využívají četné strojírenské podniky, jako je Škoda   Tool, Škoda Power, Škoda Transportation, Škoda TVC, Těžké strojírenství Plzeň, dále nástrojárny pro automobilový průmysl a výrobci obráběcích strojů. Mnoho dílů zpracovaných laserem ve společnosti LaserTherm se dostává prostřednictvím českých subdodavatelů do celé Evropy.

Společnost LaserTherm plánuje rozšířit laserové operace o trojrozměrné (3D) řezání, které se využije u ohýbaných plechů. V budoucnu se zřejmě uplatní laserové metody vyvíjené nyní ve výzkumném centru Nové technologie při ZČU v Plzni. Příkladem je dálkové svařování (remote welding) – svařování paprskem ze vzdálenosti 1 až 2 m. Metoda dovoluje svařovat rozměrné součásti velkou rychlostí. Dalším směrem vývoje je precizní obrábění pomocí laseru. Zkoumána je interakce různého typu záření s různými materiály (keramika, plasty, železné kovy). Velký rozvoj je očekáván v oblasti laserového svařování plastů, které v mnoha případech nahradí lepení v automobilovém průmyslu. V blízké době bude laser používán např. ke svařování světlometů.

Eva Vaculíková

Obr.1. Robotizovaná pracoviště společnosti LaserTherm

Obr. 2. Robotizované pracoviště pro laserové povrchové úpravy s robotem Fanuc M710iC o nosnosti 50 kg

Obr. 3. Robot Fanuc M-20iA/10L s kalicí laserovou hlavou se pohybuje na horizontálním pojezdu

Obr. 4. Robotizované pracoviště přizpůsobené pro laserové zpracování těžkých a rozměrných dílů: a) kalení rovnacích válců o hmotnosti několika tun, b) kalení lanovnice

Obr. 5. Laserové kalení ozubených kol – stopu laseru lze tvarově přizpůsobit libovolné výšce zubu, aby byla zakalena pouze požadovaná místa

Od výzkumu ke komerčnímu využití laserového zpracování

Využívat laserové záření jako zdroj tepla pro povrchovou úpravu materiálů začali nejprve odborníci výzkumného centra Nové technologie na Západočeské univerzitě v Plzni. Již v roce 2007 sem byl pořízen první vysoce výkonný laser pro povrchové zpracování materiálu. Právě v tomto centru byla ve spolupráci se společností ARC-H (nyní ARC-Robotic) také vyvíjena a optimalizována robotizovaná pracoviště pro laserové operace.

Když v roce 2011 založili absolventi výzkumného centra společnost LaserTherm zaměřenou na komerční využití laserových technologií, mohli těžit ze zkušeností tohoto výzkumného centra.

Laser Therm je s výzkumným centrem stále v úzkém kontaktu. Na základě smlouvy o vývoji provádí pro ni výzkumné centrum technologická měření a analýzy materiálů, které mají být zpracovávány. Pro výzkumné centrum je spolupráce přínosná tím, že jsou výsledky jeho výzkumu využívány v praxi a že může uvádět LaserTherm jako svou referenci. Pracovníci centra jsou stále v kontaktu s praxí a vědí, kam mají výzkum směrovat. Pro LaserTherm je velmi důležité, že nachází kvalifikované zaměstnance z řad absolventů magisterského i doktorského studia a že má výzkumnou základnu pro svou výrobní činnost, protože si jako malá firma nemůže dovolit vlastní vývoj.