Do tej pory w kieleckim Centrum Laserowych
Technologii Metali opracowano trzy technologie
kształtowania metali przy pomocy wiązki laserowej.

Piotr Kieraciński

Możliwości zastosowań laserów już w latach 60. wzbudziły zachwyt inżynierów. Od dawna stosuje się je w praktyce przemysłowej do obróbki metali. Laserem można precyzyjnie ciąć, spawać i hartować metale. Na co dzień używamy w kuchni noży, których nie trzeba ostrzyć. Zostały one wykrojone i zahartowane jednostronnie przy pomocy lasera. Skomplikowane kształty "zębów" nowoczesnych pił także zawdzięczamy laserom. Cięcie laserem polega na odparowaniu cienkiej warstwy metalu i wydmuchaniu oparów przy pomocy sprężonego gazu.

Laser to bardzo wygodne narzędzie - jest w pełni sterowalny. Bardzo skomplikowane operacje można zaprogramować na komputerze, a potem przy pomocy aparatury pomiarowej dokładnie kontrolować przebieg pracy.

DROGA DO KIELC

Przez wiele lat Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk zajmował się podstawami w sensie dosłownym - prowadzono tam teoretyczne badania z dziedziny matematyki i fizyki. Pieniądze płynęły niezależnie od podejmowanych przez Instytut zagadnień. Gdy pod koniec lat 80. strumyczek finansowy zaczął wysychać, naukowcy pomyśleli o bardziej praktycznych tematach badawczych. Powstały programy związane z zastosowaniem alternatywnych źródeł ogrzewania w budownictwie ekologicznym oraz ze zwiększeniem sprawności i polepszeniem składu spalin w silnikach spalinowych. Prof. Henryk Frąckiewicz postanowił zająć się wykorzystaniem laserów do obróbki metali. W IPPT nie było jednak miejsca na zainstalowanie lasera. Frąckiewicz postanowił wykorzystać swoje kontakty w Politechnice Świętokrzyskiej. W latach 70. był współtwórcą tej uczelni i jej rektorem. Tę funkcję pełni także obecnie. W ten sposób nawiązana została współpraca między Polską Akademią Nauk a kielecką uczelnią techniczną. Dwa lata temu sformalizowano ją w postaci utworzenia wspólnej placówki naukowo-badawczej - Centrum Laserowych Technologii Metali. Obecnie siedzibą Centrum są stare budynki Politechniki, jednak już wkrótce otworzy podwoje nowa siedziba CLTM (patrz
str. 13).

NAWET STATKI

W stosunkowo krótkim czasie polscy specjaliści opanowali podstawowe techniki laserowej obróbki metali: cięcie i spawanie. Jeden ze studentów przygotowuje aktualnie pracę dotyczącą hartowania laserowego. Jednak największą zasługą prof. Frąckiewicza jest opracowanie oryginalnej metody gięcia metali przy pomocy wiązki laserowej. Pierwsze patenty dotyczące tej techniki należą do Instytutu Podstawowych Problemów Techniki. Rozwiązania prof. Frąckiewicza zostały opatentowane w Stanach Zjednoczonych, Europie Zachodniej, Japonii i, oczywiście, w Polsce. Na razie patenty nie przekładają się na konkretne osiągnięcia finansowe. Jak podkreśla prof. Zbigniew Wesołowski, wicedyrektor Centrum, jest to technologia przyszłości. Jednak już dziś można przy jej pomocy wykonywać bardzo konkretne zlecenia. Chodzi głównie o produkcję krótkich serii oraz prototypów, kształtowanie elementów z metali twardych i bardzo kruchych czy nadawanie metalowi kształtu niemożliwego do wykonania tradycyjnymi metodami. Łatwiej i taniej jest niekiedy wygiąć odpowiednie elementy przy pomocy lasera, niż budować formy do wykonania kilku zaledwie odlewów. Technologia opracowana przez Frąckiewicza może też znaleźć interesujące zastosowanie w szkutnictwie. Przy pomocy lasera można z dużą dokładnością wygiąć nawet bardzo grubą blachę. Metodę zaprezentowano już polskim stoczniom. Blachy, z których robi się kadłuby statków, wygięte przy pomocy lasera na dwutlenek węgla o mocy 6 kW, stoją w biurze marketingu CLTM. Moc 6 tys. watów działa na 1 mm2 powierzchni. Uzyskanie np. 5 tys. stopni nie stanowi problemu dla takiego urządzenia. Metal wtedy paruje.

TRZY TECHNOLOGIE

Kształtowanie metalu przy pomocy lasera polega na zmianie wewnętrznych naprężeń cieplnych. Wiązka lasera powoduje na powierzchni metalu lokalne ogrzanie i powstanie naprężeń cieplnych. Gdy przekroczą one granicę plastyczności, powstają trwałe odkształcenia. Utrwala się je przez chłodzenie strumieniem zimnego gazu lub wodnej emulsji. Do tej pory w CLTM opracowano trzy technologie kształtowania metali przy pomocy wiązki laserowej: z użyciem wąskiej wiązki - jest to najlepiej opracowana technika, przy pomocy szerokiej wiązki lasera - ta metoda umożliwia przyspieszenie procesu kształtowania oraz uzyskanie większej możliwości zmiany kształtu, i wreszcie metoda globalnego kształtowania, która daje największe możliwości, ale też jest najtrudniejsza, tak pod względem instrumentalnym, jak teoretycznym.

DUŻY I MAŁY

Oprócz prac badawczych Centrum zajmuje się działalnością dydaktyczną. W Politechnice Świętokrzyskiej istnieje ścieżka dydaktyczna pod nazwą "laserowa obróbka metali". W przyszłości specjaliści z tej dziedziny będą potrzebni przedsiębiorstwom wykorzystującym lasery w produkcji przemysłowej.

Na razie Centrum dysponuje tylko jednym dużym laserem oraz starym laserem produkcji bułgarskiej o mocy 2 kW (aktualnie zdemontowany). W nowej hali laserowej ma stanąć jeszcze jedno urządzenie - używany laser jagowy o krótszej fali i mocy 2 kW. Jeśli rzeczywiście technologie laserowe mają w przyszłości szansę skutecznego wykorzystania w praktyce przemysłowej, może warto zwrócić uwagę na dofinansowanie tego rodzaju przedsięwzięć i wyposażenie Centrum w więcej nowoczesnych urządzeń tak, by jego nazwa była adekwatna do skali przedsięwzięcia.

Uwagi.