Lepsze wiercenie laserowe poprawia osiągi aerodynamiczne samolotów
Silne impulsy laserowe o czasie trwania rzędu jednej trylionowej sekundy mają wiele zastosowań w podstawowych badaniach naukowych, ale mogą także zostać wykorzystane w bardziej praktycznych obszarach. Jednym z ich najważniejszych zastosowań jest produkcja oraz obróbka metali.
Technologia w służbie wydajności
Pomimo niezwykłego potencjału laserów femtosekundowych włączenie ich w rozwiązania przemysłowe, które wymagają obróbki dużych powierzchni, obiektów o dużej objętości lub wielu elementów, nastręcza wiele trudności. Z tego powodu sześć europejskich przedsiębiorstw połączyło siły w ramach finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu MULTIPOINT, aby wspólnie zrealizować jeden cel – opracować system oparty na laserze femtosekundowym, który pozwoli ostatecznie rozwiązać problem kompromisu między precyzją działania i szybkością pracy w przemysłowych procesach produkcyjnych. „Lasery emitujące ultrakrótkie impulsy są wyjątkowe ze względu na to, że umożliwiają bardzo precyzyjną obróbkę materiałów i struktur, jednocześnie do minimum ograniczając uszkodzenia termiczne. Ceną za tę nieosiągalną precyzję jest jednak niska szybkość obróbki”, zauważa koordynator projektu Roberto Ocaña. Aby zwiększyć wydajność urządzeń przy zachowaniu wysokiej precyzji, badacze wykorzystali dwie strategie. Pierwsza polegała na budowie laserów emitujących ultrakrótkie impulsy o większych mocach średnich. Druga zakładała z kolei budowę zespołu optycznego generującego wiele wiązek, który pozwala na podział głównej wiązki laserowej na kilka mniejszych. W ten sposób powstało narzędzie wielofunkcyjne, które pozwoliło na zmaksymalizowanie ilości obrabianego materiału. Dodatkowo w skład urządzenia wchodzi system sterujący, który gwarantuje najwyższą jakość na każdym etapie procesu produkcji. „Technologie pozwalające na budowę takiego systemu są co prawda dostępne, ale realizacja takiego urządzenia nie była wcale prosta”, wyjaśnia Ocaña.
Rewolucja w obszarze wykonywania otworów w konstrukcjach lotniczych
„Opracowaliśmy laser o średniej mocy 700 watów – znacznie wyższej niż w przypadku komercyjnych laserów dostępnych na rynku. Częstotliwość powtarzania impulsów wynosi od 300 do 700 kiloherców, co przekłada się na energię pojedynczego impulsu w zakresie od 0,97 do 2,27 mJ”, opisuje Ocaña. Jednym z przyszłych zastosowań tego urządzenia wyposażonego w laser femtosekundowy jest szybkie wykonywanie niewielkich otworów. „Obecnie na rynku obserwujemy stale rosnący popyt na obróbkę przy użyciu niewielkich narzędzi. Wykonywanie mikrootworów ma ogromne znaczenie w produkcji mikrofiltrów, elektrolizerów wodoru, paneli akustycznych i paneli pozwalających na hybrydową kontrolę przepływu laminarnego (HLFC)”, zauważa Ocaña. Projekt MULTIPOINT koncentrował się na perforacji płyt tytanowych o dużych wymiarach. Technologia hybrydowej kontroli przepływu laminarnego pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa przez samoloty komercyjne nawet o 10 %. Panele HLFC montowane na skrzydłach lub stabilizatorach na ogonie samolotu pozwalają na zmniejszenie oporu tarcia w wyniku zasysania powietrza przez niewielkie otwory. „Obecnie nie istnieją nawet prototypowe lasery femtosekundowe, które pozwalają na obróbkę blach o dużych rozmiarach. Istniejące lasery umożliwiają obrabianie niewielkich obszarów, charakteryzują się dużo niższymi mocami i są wyposażone w znacznie prostsze systemy doprowadzania wiązki. System wykorzystujący laser femtosekundowy o dużej mocy, który umożliwia obróbkę materiału przy pomocy wielu wiązek na obszarze o wymiarach 2x2 metry, jest wyjątkiem w skali światowej”, zauważa Ocaña. Istnieją oczywiście inne techniki laserowego wykonywania otworów, stanowiące alternatywę dla laserów femtosekundowych w procesie wykonywania perforacji poszycia samolotów, które pozwalają na uzyskanie wydajności blisko 300 otworów na sekundę. Korzystanie z tych technik powoduje jednak powstawanie zadziorów i rozprysków stopionego materiału wokół krawędzi otworu, które należy następnie usunąć, wytrawiając i polerując materiał. „Laser opracowany w ramach projektu MULTIPOINT zmniejszy do minimum konieczność wykonywania dalszej obróbki i podniesie jakość procesu wykonywania otworów, jednocześnie zapewniając odpowiednio wysoką wydajność i szybkość pracy”, podkreśla Ocaña.
Wyjątkowe znaczenie finansowania ze środków UE
Naukowcy i przedsiębiorstwa często mają trudności z wprowadzeniem swoich pomysłów w życie, choć dysponują niezbędną wiedzą. „Realizacja pomysłu wymaga współpracy między wieloma przedsiębiorcami i badaczami działającymi w różnych dziedzinach. W tym procesie zdecydowanie pomogły nam fundusze Unii Europejskiej. Narzędzia, które umożliwiły nam badanie zaawansowanych technologii fotonicznych, stanowią klucz do zapewnienia czołowej pozycji Unii Europejskiej w tej dziedzinie na świecie”, podsumowuje Ocaña.
Słowa kluczowe
MULTIPOINT, wydajność, laser femtosekundowy, mikrowiercenie, wiercenie niewielkich otworów, laserowe wykonywanie otworów, wiercenie laserowe, perforacja, hybrydowa kontrola przepływu laminarnego
