Ohlédnutí za Mezinárodním hrnkovým sympóziem 2001  
 
Laser a opracování skla

„Kvantový generátor světla", což je český výraz pro laser, vznikl jako převratný technický vynález na předělu padesátých a šedesátých let minulého století. V dalších asi padesáti letech prošlo technologické užití laserové techniky vývojem od testovacích experimentů až k současně již provozně používaným zařízením. Technologické aplikace laseru se následně objevily i ve sklářských procesech. Zvláště v soupeření s tradičně užívanými mechanickými technologiemi pro opracování skla (dělení, rytí, broušení apod.) bylo již v řadě aplikací laseru dosaženo konkurenceschopných výsledků.


 
 

Mechanické technologie jsou obvykle založeny na použití diamantových, kovových, či keramických nástrojů, kterými je opracováván povrch pevného materiálu. U laserových zařízení energie svazku koherentního záření, dopadající na povrch pevné látky, se zčásti odráží, zčásti pohlcuje. Pohlcená část záření proniká do povrchové vrstvy materiálu, přičemž hloubka průniku závisí na tepelné vodivosti materiálu a frekvenci užitého záření. U dielektrických látek je absorbce závislá na vlnové délce záření v mnohem větší míře než u kovů. Tepelná vodivost dielektrických látek, mezi které patří i sklo, je obvykle nízká a odvod tepla po ozáření probíhá spíše sáláním než vedením.

 

Na posledním veletrhu sklářské techniky Glasstec 2004 (viz www.glassrevue.com, Technika a technologie, 2/2005) patřily laserové technologie mezi vybraná perspektivní témata. Zvláště zde byla prezentována technika z vývoje německé společnosti Schott používaná již průmyslově pro automatizované rozřezávání skel z firemní produkce speciálních skel pro displeje, tzv substráty, což jsou tenká plochá skla sodnovápenatá a borosilikátová, s tloušťkou pod 0,9 mm. Zvláště zde bylo oceňováno, že na rozdíl od mechanických nástrojů, při jejichž užití vznikají podle linie řezu tzv. mikrozáprasky (scratches) a dochází tak k narušení materiálu skla, vzniká konečný řez (při použití laseru) bez záprasků, s výsledným "otaveným" hladkým povrchem hran. Je to dáno tím, že laserem indukované mechanické napětí v linii řezu vzniká ohřevem materiálu (převážně) v povrchové vrstvě, kde se absorbuje světelná energie z laseru. Přidáním zachlazení kryogenním plynem vznikla jednorázová elegantní operace, jejímž výsledkem je, že jakost (hladkost) a pevnost této „otavené“ hrany je vyšší, než je dosahováno po mechanickém leštění. Výhodou je i to, že bezdotykovou laserovou technologií nevzniká v tabuli skla plošné mechanické napětí. Další výhodou laserové technologie je její jednorázovost, tj. že odpadá řetěz stávajících nutných následných mechanických operací na oddělených hranách - broušení, leštění, mytí - a provozní nutnost při tom používat a posléze likvidovat různé technické kapaliny. V pokročilém stadiu vývoje byly prezentovány i laserové technologie německých strojařských firem určené pro rozřez obrovských ploch produkovaného skla Float. Podobné zařízení jako němečtí strojaři také např. prezentuje americká firma P.T.G - Precision Technology Center (v Evropě ji zastupuje LOT Oriel GmbH Darmstadt), která uvedla do praxe původně ruskou metodu pro bezspárové dělení plochého skla technologií narušení molekulárních vazeb. Experimenty probíhaly u skleněných desek o rozměrech až 1300 x 1600 mm až do tloušťky 25 mm.

 

Ve standardních sklářských automatizovaných výrobách se již dříve prosadila např. i laserová zařízení pro oddělování (opukávání) tzv. kopny u dutého skla a při dělení skleněných trubic.

 

Laserová zařízení jsou také užívána i pro vysoce kontrastní a trvanlivé značení a dekorování skla vypálením požadované stopy (motivu) do povrchové oblasti skla. V místě dopadu fokusovaného laserového záření na povrch skla dojde k částečnému odpaření skloviny a jejímu povrchovému popraskání. Na vzniklých trhlinkách dochází k rozptylu světla a tím se dociluje zářivého vzhledu vzoru. Řada pionýrských vývojových kroků této technologie pro dekorování užitkového skla je z osmdesátých let minulého století spojena mj. i se jménem inženýra Petera Urbánka z tehdejšího Výzkumného a vývojového ústavu sklářského v Trenčíně. Laserovou technologií lze i zatavit barevný motiv připravený jinou technologií (např. sítotiskem). Známé jsou např. postupy nabízené firmou Ferro Glass Systems (Obr. 5).

 

Jednou z velmi zajímavých a stále se rozvíjejících inovativních aplikací, zvláště pro sklářské umělecké a technické řemeslo, je i postup jak vyrýt - vygravírovat libovolné motivy "dovnitř" do skla. Vytvořený třírozměrný obraz je uvnitř ve hmotě průhledného skla, neexistuje otevřený styk mezi motivem a okolním prostředím. Tento obraz vzniká tak, že leží-li bod ohniska paprsku uvnitř skleněného tělesa, pak koncentrovaný vklad energie vytváří v ohnisku místně omezené trhlinky (Obr. 1). A tyto mikrotrhlinky se opět vlivem rozptylu světla jeví jako světlé body, přičemž ale povrch skla zůstává nenarušen. Vzájemným pohybem paprsku laseru a skleněného tělesa ve 2-D nebo 3-D souřadnicích je možné pak z jednotlivých bodů vytvářet i prostorové obrazce. Komerčně se výrobou vnitřního gravírování skla laserem u nás zabývá česko-německá firma TGK ze Skalice u České Lípy, a to ve spolupráci s firmou Star Glas GmbH ze SRN.

 

Laserová technika

 

Ne každý laser se hodí pro každý účel. Většina laserů, s kterými se běžně setkáváme, jsou lasery malého výkonu pracující kontinuálně, jde např. o laserová ukazovátka, laserové tiskárny, kopírky nebo i laserové efekty známé z rockových koncertů a klubů. Při sváření, řezání, vrtání nebo i v chirurgii je však už určující charakteristikou výkon laseru, proto se zde uplatňují tzv. impulsní lasery. Výkon laseru závisí totiž také na délce laserového pulsu, a tak čím bude puls kratší, tím větší bude výkon.

 

Pro popisování a dekoraci skla se využívá laserů, jejichž záření je sklem dobře absorbováno. Obdobně jako při „popisování“ i jiných pevných látek, jsou zde vhodné při značné výkonové hustotě pulzní lasery s krátkou dobou pulzu. Pro sklo jsou to především TEA-CO2 lasery, excimerové lasery a diodou čerpané pevnolátkové Nd:YAG lasery.

 

TEA-CO2  a excimerové lasery, jejichž záření je sice sklem příznivě absorbováno, vyžadují pro tyto postupy ale kombinaci s maskovou projekcí, což není právě vhodné při požadované časté změně popisu. Pro individuální volbu z těchto dvou skupin laserů je směrodatná různá vlnová délka vyzařování při různé velikosti ohniska zaostřeného paprsku. Excimerové lasery, které jsou nákladnější, se hodí, pro svou kratší vlnovou délku v UV oblasti spektra, svou vyšší jakostí paprsku proto spíše pro popisování jemných, křehkých dílů, jako je třeba optické sklo.

 

Při popisování Nd:YAG laserem se naproti tomu využívá  pro popis  rozmítání zaostřeného paprsku pomocí scanneru, což umožňuje dosažení vysoké rychlosti popisu i při obměňovaném textu či loga. U skla se ale musí počítat s tím, že pro vlnové záření 1,06 mm, které je pro pevnolátkové lasery charakteristické, se jeví většina skel jako transparentní. Proto je třeba při uváděném užití pevnolátkových laserů k práci se sklem dosáhnout u laserů vysoké hustoty výkonu, asi 1010 až 1012 W/cm2  a špičkového výstupního výkonu v pulzu alespoň 100 kW, při délce pulzu kratší než 20 ns  a opakovatelné frekvenci kolem 500 Hz. Vysoká intenzita laserového paprsku vyvolá pak v bodě ohniska jev nelineární absorbce, který vede ke vzniku mikroskopických trhlinek, projevujících se už zmíněným odrazem světla. Základem popisu jsou pak přibližně 5 mm hluboké a 20 mm široké krátery. Vytvářené značení má rozlišovací schopnost kolem 1200 dpi, ale podmínkou je potřeba stálého dodržování přesných fokusačních podmínek, případně užití autofokusu. (Někdy může být transparentnost skla vůči paprsku laseru ale i výhodou, jako je tomu třeba při spojování skla a křemíku při vývoji mikrosystémů v ILT. Paprsek laseru tady po průchodu sklem způsobuje, na rozhraní sklo-Si vlivem absorpce v Si, teplotu kolem 300 oC, která postačí ke spolehlivému spojení obou materiálů).

 

Leží-li ale bod ohniska paprsku uvnitř skleněného tělesa, pak koncentrovaný vklad energie vytváří v ohnisku místně omezené trhlinky, přičemž na povrchu sklo zůstává neporušeno. A opět tyto mikrotrhlinky se vlivem rozptylu světla jeví jako světlé body. Vzájemným pohybem paprsku laseru a skleněného tělesa ve 2-D nebo 3-D souřadnicích je možné pak z jednotlivých bodů vytvářet i celé obrazce. Maximální rozlišení je v tom případě dané velikostí mikrotrhlinek. Typické hodnoty pro 2-D zobrazení leží mezi 75 až 200 dpi. Formu a velikost trhlinek je možné ale ovlivňovat i ohniskovou vzdáleností optiky, energií a délkou pulzu. Pro dosažení pokud možno malých bodů je nutné používat krátkých ohniskových vzdáleností, což ale na druhou stranu závisí na kvalitě skla, na rovnosti či nerovnosti povrchu a homogenitě skla a může v negativním případě vést k zeslabení hustoty výkonu v bodě ohniska.

 

Z těchto často protichůdných faktorů vyplývá, že pro každý případ je nutná určitá samostatná optimalizace postupu. Přesto však, při srovnávání z hlediska negativního zatížení pracovního prostředí při tradičním mechanickém značení skla (broušení, leštění nebo leptání), je práce s laserem výrazným přínosem.

 

Pokud jde o nákladovost, je u 3-D laserového vnitřního gravírování hlavní položkou příprava 3-D dat. V německém Fraunhoferově Institutu IWS a ILT vyvinuli proto i počítačový software pro generování těchto dat, což umožňuje a zaručuje bezchybný i rychlý průběh výroby sebe složitějšího motivu během několika málo minut, a to i u komplikovaných dekoračních třírozměrných motivů.

 

Ve Fraunhoferově Institutu pro laserovou techniku ILT vyvinuli na vztahu laseru a skla i speciální postupy při uzavírání skleněných farmaceutických ampulek, kde použili jak pevnolátkových Nd:YAG laserů, tak i plynových CO2 slab laserů. Dosavadní průmyslové postupy jsou založeny na zatavování ampulek s objemem 1 až 30 ml otáčením v plamenu plynového hořáku. Problematické je zachování čistoty vzhledem k naplněným produktům, rozsáhlá tepelná zóna a nízká efektivnost. U pevnolátkových laserů byly prováděné zkoušky s ps-Nd-YAG laserem při uzavírání jen malých 3 ml a 5 ml ampulek, kde by však pro hospodárný provoz, a to zvláště pak i u větších ampulek, bylo nutné používat laserů s neúměrně vysokým výstupním výkonem.

 

Ve spolupráci s firmou Spezialmaschinenbauer Bausch + Ströebel a firmou Rofin-Sinar byl proto vyvinut i speciální postup s nasazením CO2 slab laseru s vysokou kvalitou paprsku. Za rotace ampulky laserový paprsek zakončení ampulky nataví, vytvaruje i zataví (Obr. 4). U slab laseru je buzen laserový paprsek mezi dvěma deskovými elektrodami, jejichž funkcí je zároveň i chlazení. To dává možnost pracovat s omezeným množstvím plynu, který v zásobě vystačí pro pracovní čas 15 - 20 000 h. K hlavici ampulek je laserový paprsek přiveden optikou, přičemž rozměry ohniska jsou přizpůsobeny velikosti a formě ampulky. Stroj může být vybaven 4 až 10 pracovními stanicemi a dosahuje výkonu od 3 000 do 30 000 ampulek za hodinu. Tímto postupem se zužuje tepelná zóna na minimum a nedochází k tepelnému ovlivnění náplně ampulky.

 

Novinkou je užití slab-principu i u diodou čerpaných pevnolátkových laserů, kde pro odlišnost od plynových slab-laserů (Obr. 3) se jim dostalo označení Innoslab. (Čerpání diodovým laserem s kvadratickým průřezem paprsku je vhodnější pro deskovou formu krystalu pevnolátkového laseru, než pro jinak používanou válcovou formu). Tyto lasery s deskovou formou krystalu spatřily světlo světa prakticky při osamostatnění firmy EdgeWave, která vznikla odštěpením části Fraunhofer Institutu  ILT v roce 2001. Optimální kombinací tvaru krystalu, chlazení a provedení rezonátoru, dosahuje se u těchto laserů oproti jiným typům laserů kratších pulzů při vysokém špičkovém výkonu, vysoké kvality paprsku (blíží se teoretickému maximu) i vysoké efektivnosti. Tyto lasery jsou vhodné jak pro řezání skla (Obr. 2), tak i pro vnější popisování či vnější i vnitřní 3-D gravírování (obr. 1) skla. Stejně jako při obrábění kovů je zde možné dosáhnout hlubokých vrtů s poměrem větším i než 300:1.

 

Nejnovější novinkou firmy EdgeWave je vzduchem chlazený Innoslab-laser s výkonem 20 W, nikterak větší než obvyklý stolní počítač, ale k dispozici jsou i varianty do výkonu 200 W pro trvalý i pulzní provoz. Samotný ILT vyvinul v tomto směru již i zkušební 500 W laser pro plynulý provoz.

 

Do nabídky laserů pro popisování a pro prostorové gravírování, a to jak typu CO2, tak i Nd:YAG, přináší svůj vklad i pražská společnost Medicom.

 

                              * * *

 

Jiří Šmíd, Průmyslová informační agentura IIA, Praha 5, je dlouholetým expertem a publicistou v oblasti strojírenství.


























Obr.1 Ukázka vnitřního gravírování skla „Innoslab“ laserem u firmy EdgeWave

 

 
   

Copyright © 2001-2003 Polyconsult, s.r.o., Všechna práva vyhrazena.