Světelný paprsek jako kovář, který prodlužuje životnost součástek

Kov platí ve světě materiálů za pořádného „držáka“. I on se však může unavit a začít praskat. Vznik trhlin naštěstí dokáže oddálit pár dobře mířených ran kladivem. Ovšem světelným. Metoda laserového vyklepávání neboli laser shock peening si razí cestu do mnoha odvětví. Uplatnění nachází v automobilovém průmyslu, jaderné energetice, nástrojářství, 3D tisku, loďařství i civilním letectví. O síle paprsku světla pro A / Magazín hovořil Jan Kaufman z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR.

Ratatatata! ozývá se z jedné z laboratoří laserového centra HiLASE v Dolních Břežanech. A rozhodně v ní netrénují střelbu z kulometu. To si jen jeden z tamních laserů vzal do parády běžnou turbínovou lopatku. Pár takových světelných kanonád totiž může zajistit, že bude svému účelu sloužit mnohem déle.

„Dříve farmáři používali k vylepšování ostří kos či srpů kladívko. My děláme něco podobného, jen do kovů ‚mlátíme‘ světlem, konkrétně nanosekundovým pulzním laserem,“ popisuje Jan Kaufman z centra HiLASE. Této technologii, která umí výrazně prodloužit životnost nejrůznějších součástek, vědci říkají laser shock peening (LSP) neboli laserové vyklepávání. A jak už název napovídá, kov při ní dostává pořádnou nakládačku.

„Do míst, v nichž má daný kus tendenci praskat, nasměrujeme laserový pulz – jakési krátké bliknutí. Na povrch materiálu dopadne velké množství energie a vznikne na něm plazma, tedy přehřátý plyn, který rychle expanduje a vyvolá malý výbuch. Tlaková vlna při něm zasáhne oblast o velikosti několika milimetrů čtverečních,“ vysvětluje výzkumník, jenž dolnobřežanský LSP tým vede.

Jeden pulz trvá zhruba deset nanosekund a k vzorku vyšle deset joulů energie. Přibližně stejnou ránu by dostal, kdyby na něj spadlo kilogramové závaží z metrové výšky. Takových „šlupek“ laser do kovu nasází deset za sekundu. Jedna série ale obvykle nestačí, a tak vědci celou akci několikrát opakují. Nemíří však do stejného bodu: aby paprsek problémové místo kovu ošetřil co nejlépe, musejí každou sadu výstřelů zacílit o malý kousek vedle.

Atomy v napětí

Stopy po laserových „kopancích“ pak lze na vzorku vidět i pouhým okem – bliknutí a následná exploze mají totiž takovou intenzitu, že do kovu vyrazí důlek o hloubce až třicet mikrometrů, který už v něm zůstává. To pochopitelně zamíchá i s vnitřním uspořádáním materiálu. Atomy v jeho krystalické mřížce se na sebe natlačí, což jim zrovna nevyhovuje. A jak se tak zoufale snaží od sebe zase odtáhnout, rozhostí se v kovu věčné napětí. Právě vnitřní tenze je pro úspěch metody LSP stěžejní.

AVČR: Zásah světelným kladivem je na vzorku vidět pouhým okem.

„Trhlinky ke svému šíření potřebují tah. Pokud ale do míst, kde nejčastěji vznikají, dostaneme naopak prostřednictvím mikrovýbuchů tlak, prasklina se buď vůbec neudělá, nebo se bude zvětšovat mnohem pomaleji,“ líčí Jan Kaufman.

Kýženého napětí v kovu by však výzkumníci nedosáhli bez dvou zdánlivě nenápadných pomocnic: vody a černé lepicí pásky. První jmenovaná, kterou pouští v tenké vrstvě přes vzorek, funguje jako poklička držící explozi u materiálu. Tlak díky ní neunikne do okolí a natolik se znásobí, že zvládne kov nevratně zdeformovat.

A k čemu ve špičkové laboratoři potřebují obyčejné neprůhledné izolepy? Zajišťují, aby se součástka během záblesku nestihla zahřát. Pulzy sice trvají jen několik nanosekund, jenže ve světě pulzních laserů to je věčnost, během níž se může přenášet teplo. Zahřívání komponentů je přitom nežádoucí, protože při chladnutí se materiál smršťuje a rodí se v něm tahy – známí předskokani trhlin.

„Když však přes vzorek nalepíme černou izolepu, zahřeje se místo něj ona. Spálí se a do kovu pronikne pouze tlak. Přetváří se tedy zastudena,“ objasňuje mladý badatel. Tím je taky podle něho technologie LSP unikátní. Pulzní lasery totiž na rozdíl od svých známějších kontinuálních kolegů, jimiž se dá řezat, tavit či svářet, nevyužívají k modifikaci materiálu teplo.

AVČR: Jeden pulz trvá deset nanosekund a vyšle k vzorku deset joulů energie.

Armádní začátky

Píšou se devadesátá léta minulého století. Americké bombardéry B-1B se potýkají s problémy. Kamínky, které motory nasávají z ranveje při vzlétání či přistávání, totiž způsobují praskliny na jejich lopatkách. A když časem některá z nich upadne, vyřadí z provozu celý letoun.

„Jak poruchám zamezíme?“ lámali si tehdy hlavu představitelé americké armády. Jimi oslovení vědci nejprve vyzkoušeli tradiční kuličkování neboli shot peening. Na problematické části motoru vrhali velkou rychlostí kovové kuličky, aby materiál zpevnili. Jenže lopatky se lámaly dál.

Po mnoha nezdarech badatelé narazili na koncept LSP, který byl znám už od sedmdesátých let. Dlouhá desetiletí však marně čekal, až někdo objeví, k čemu by se vlastně hodil. Výzkumníci tedy lopatky ostříleli laserem a sukces se k úžasu všech konečně dostavil – motory najednou ustály i sebevětší kamínkovou smršť. LSP tak po rocích vyčkávání konečně našlo velmi praktické uplatnění.

„V devadesátých letech nicméně byly lasery ještě velmi pomalé a nákladné. Jejich využití si mohla dovolit pouze armáda. Od té doby ale došlo k obrovskému pokroku: zatímco tehdy stihly jeden výstřel za půl hodiny, dnes jich dokážeme nasekat deset za sekundu,“ shrnuje Jan Kaufman. Výrazné zrychlení zásadním způsobem zlevnilo technologii LSP, která se tak stala dostupnou i pro podstatně mírovější účely.

AVČR: „Dříve farmáři používali k vylepšování ostří kos či srpů kladívko. My do kovů ‚mlátíme‘ světlem,“ říká Jan Kaufman.

Světlem proti únavě

Automobilový průmysl, jaderná energetika, nástrojářství, 3D tisk, loďařství či civilní letectví. V těchto odvětvích dnes laserové „blikance“ pomáhají nejvíce. „Vyklepávání se uplatní hlavně tam, kde se materiál unavuje cyklickou námahou, při níž se pořád střídá tah a tlak. Nejde však o lék na všechno. Zjistili jsme například, že proti otěru LSP moc dobře nepůsobí,“ upozorňuje vědec.

Jeho tým si proto své cíle pečlivě vybírá tak, aby ošetření laserem s jistotou zvýšilo odolnost daných součástek. A pokud k vylepšení jejich povrchových vlastností postačí „jen“ zaběhlá metoda kuličkování, neváhá ji žadatelům doporučit. „Laser má ve srovnání s ní hodně výhod: působí do větší hloubky, dá se lépe zaměřit a dostane se i do hůře přístupných míst. Na druhou stranu je LSP dražší a v procesu figuruje voda, kterou průmysl nemá moc rád,“ poukazuje Jan Kaufman.

Nejčastěji v jeho laboratoři pracují s nejrůznějšími slitinami hliníku, oceli, titanu a niklu. Jiný materiál než kov laserem ani vyklepat nelze. Sklo nebo keramika by zásah obrovským množstvím energie nevydržely a praskly by, plast by se zase prohnul a vrátil zpět.

Silák to prubne

Bivoj. Toto přiléhavé jméno nese nejsilnější nanosekundový laser centra HiLASE. Donedávna šlo dokonce o vůbec nejlepší přístroj svého druhu na světě. Zařízení za deset milionů liber má násobně větší sílu než sbíječka. A právě Bivoj musí každou součástku nejprve otestovat. Když potvrdí, že laserové vyklepávání má v daném případě smysl, putuje součástka k průmyslovým a výrazně levnějším laserovým systémům, které ji „opínují“, jak se tu slangově říká.

AVČR: Co se děje s kovem při laserovém vyklepávání?

Bivojem nedávno prošla třeba část formy, do které se odlévá motor populární Škody Fabia. Tento díl dostává ve výrobě mechanicky i tepelně hodně zabrat. Zhruba po čtyřech tisících a pěti stech výrobních cyklech, kdy se materiál neustále natahuje a zase smršťuje, forma začne v určitých bodech praskat a musí se vyměnit.

„Na namáhaná místa jsme aplikovali naši technologii a přidali ochranný povlak. Trhliny se pak na formě objevily až po osmatřiceti tisících cyklech. Sloužila tedy více než osmkrát déle, což je nejen ekonomicky výhodnější, ale i výrazně ekologičtější,“ pochvaluje si Jan Kaufman.

Jindy se zase jeho tým vrhl na trubky, kterými v jaderné elektrárně teče chladivo odvádějící teplo z reaktoru. Jejich svary často bývají z různých druhů oceli, jež mají rozdílné vlastnosti. A proto jsou spoje náchylnější k takzvanému koroznímu praskání. Ošetřit laserem útroby trubky o průměru sedm centimetrů však bylo pro vědce tak trochu inženýrskou výzvou.

„Abychom svar mohli vyklepat zevnitř, museli jsme si sestrojit něco jako periskop, kterým jsme laser poslali a spoj ostříleli. V laboratorních testech pak vydržel třikrát déle než před ‚opínováním‘,“ vypráví nadšeně výzkumník.

Bivoj láme rekordy

Dolnobřežanský laser pojmenovaný podle legendárního hrdiny předvádí už od svého uvedení do provozu neuvěřitelné výkony. V roce 2016 si připsal světové prvenství v kategorii vysokoenergetických laserů s průměrným výkonem 1 kW a energií 105 J v pulzu. O pět let později svůj rekord překonal o čtyřicet procent. Letos na něm tým Jana Kaufmana dosáhl dalšího světového maxima: největší energie při vyklepávání za opakovací frekvence 10 Hz. „Dřív jsme to dokázat nemohli, protože Bivoj neměl optický izolátor, jenž by ho chránil před zpětným odrazem světla. Tato součástka pro tak velký laser neexistovala, tak ji museli kolegové nejprve vyvinout,“ říká vědec.

Bez sluchátek ani ránu

Technologie LSP už vytrhla trn z paty mnoha průmyslníkům. Těm, kdo pracují s obrovskými těžkými komponenty, však zatím u nás pomoct nemůže. Silné pulzní lasery totiž na rozdíl od kontinuálních není možné přenášet optickým vláknem, které by se pak připevnilo k pohyblivému robotickému rameni. Vlákno by tolik energie neuneslo a okamžitě by se spálilo.

„Běžné průmyslové lasery se pohybují a řezaný či svařovaný díl stojí. Při vyklepávání to ovšem musí být naopak: laser je statický, zatímco robot hýbe opracovávaným kusem. Roboti v naší laboratoři mají váhová omezení a víc než pětatřicet kilogramů neunesou,“ přibližuje hlavní nevýhodu této metody Jan Kaufman. Doufá však, že i hmotnostní bariéru se svým týmem brzy vyřeší vývojem odolnějšího vlákna.

Ono zvučné ratatata, o němž byla řeč na začátku, ale vymýtit nedokážou. Kravál k práci se světelnou sbíječkou zkrátka patří – způsobují ho tlakové vlny vyvolané explozemi na vzorku. Kromě ochranných brýlí se tak vědci v LSP laboratoři neobejdou ani bez sluchátek proti hluku.

Při nejvyšší energii rány dosahují až sto pětatřiceti decibelů, což odpovídá výstřelu z pistole přímo u ucha. „Takový randál překvapivě neustojí ani náš robot zvaný Fanouš, který drží vzorek. Zvuková vlna ho vždy vypnula. Nyní ho proto před střílením obalujeme akustickou pěnou a alobalem, aby hluk přečkal,“ směje se badatel. Vedle brýlí a sluchátek tu museli dříve vědci nosit ještě plynovou masku. Pálící se černá páska totiž smrdí, jako když hoří plast. Teď už ale mají efektivnější ventilaci, takže tento doplněk není potřeba.

AVČR: Rány při laserovém vyklepávání dosahují až 135 dB. Vědci se neobejdou bez sluchátek proti hluku.

České „blikance“ v první linii

Průmyslovému laserovému vyklepávání se výzkumníci v HiLASE věnují v Evropě jako jediní, a to již od roku 2016. Celosvětově technologii ovládá asi jen stovka lidí, přičemž většina z nich působí v Americe. Tam se však zaměřují hlavně na letectví a loďařství, zatímco čeští vědci se soustředí na silná tuzemská odvětví, jako jsou automobilový a jaderný průmysl nebo nástrojářství a 3D tisk.

„Nedávno jsme se vrhli taky na biomedicínu, zejména na titanové kloubní implantáty. Voperovávají se stále mladším lidem, a jelikož vydrží zhruba dvacet let, musejí pacienti v pokročilém věku na reoperaci. Snažíme se proto přijít na to, zda laser shock peening zvládne prodloužit životnost i tělním náhradám,“ říká Jan Kaufman.

Zájem o světelný fitness kovových součástek je podle něho ze strany průmyslu velký. A protože badatelé nemají kapacitu „opínovat“ všechny problémové kusy sami, plánují metodu rozšířit. Podílejí se na vývoji menších LSP stanic, které by si továrny pořizovaly do svých prostor pro vlastní účely.

Za pomoci dolnobřežanského know-how by si v nich pak mohly světelným kladivem vytunit, co bude zrovna třeba. „Na tuto možnost si však fabriky ještě zhruba rok nebo dva počkají,“ odhaduje úspěšný vědec.

Jeho samotného si laserové vyklepávání získalo hlavně svou akčností. „Točíte šroubky, naklápíte zrcátka, hýbete robotem, můžete si i spálit chlupy na ruce. Bouchá to, bliká – skoro jako když hrajete nějakou akční hru. Za mě prostě práce snů,“ uzavírá s úsměvem.

Ing. Jan Kaufman, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR

Vede výzkumný tým laser shock peening (LSP) v laserovém centru HiLASE při Fyzikálním ústavu AV ČR. Zkoumá zejména možnosti využití laserů pro prodlužování životnosti kovových dílů v průmyslu. Výsledky jeho práce mimo jiné vedly ke dvěma evropským patentům. Letos se svým týmem dosáhl světového rekordu v technologii LSP a získal Prémii Otto Wichterleho pro mimořádně nadané mladé vědce. Popularizuje fyziku, kterou taky vyučuje na základní škole.

AVČR: Ing. Jan Kaufman, Ph.D., Fyzikální ústav AV ČR