Lasery se dnes používají téměř ve všech oblastech automobilové výroby. Využívají se na všech úrovních dodavatelského řetězce, od dodavatelů komponentů a materiálů třetího stupně až po největší světové výrobce OEM.
Lasery dnes mají mnohem širší využití než jen svařování. Kromě montáže konstrukcí se používají také při výrobě baterií, výkonové elektroniky, přípravě povrchů, sledovatelnosti a v celé řadě dalších aplikací, které před deseti lety ještě neexistovaly.
Tento článek nabízí obecný přehled o tom, jaké místo zaujímají lasery v moderní automobilové výrobě. Zdůrazňuje také jedinečné vlastnosti laserového zpracování – faktory, díky nimž si lasery udrží vedoucí pozici i v době, kdy se průmysl ubírá směrem k vyšší přesnosti, větší automatizaci a rychlému růstu elektromobility.
Co je na laserech tak zvláštního?
Mnoho průmyslových odvětví dnes čelí stejným základním tlakům. Musí dodávat produkty s vyšší přesností, lepší kvalitou, menšími rozměry a nižší spotřebou energie. Na úrovni výroby také čelí vyšším požadavkům na výkon, přísnějším požadavkům na udržitelnost a neustálému tlaku na snižování nákladů.
Lasery se staly tak široce používanými výrobními nástroji, protože často podporují všechny tyto cíle konzistentněji než alternativní mechanické, tepelné a chemické procesy. To platí z následujících důvodů:
Lasery jsou bezkontaktní: bez opotřebení nástrojů nebo použití síly zůstávají laserové procesy v průběhu času konzistentní.
Lasery jsou velmi prostorově selektivní: laserový paprsek lze zaostřit na mikrometry nebo rozšířit tak, aby pokryl několik čtverečních metrů, což pomáhá systémům a operátorům umístit energii pouze tam, kde je to potřeba.
Lasery jsou koherentní a jasné: Vysoká hustota výkonu umožňuje hluboké pronikání při svařování, rychlé řezání, čisté řezy a minimální tepelně ovlivněné zóny.
Lasery jsou účinné: Lasery přeměňují elektřinu na optickou energii s vysokou účinností a poté tuto energii přenášejí do materiálů s minimálními ztrátami, čímž snižují přívod tepla a následné zpracování.
Lasery lze snadno automatizovat: Téměř všechny parametry výstupu laseru lze nastavovat na dálku v reálném čase. To podporuje komplexní procesní receptury a rychlé změny.
Lasery pracují s mnoha materiály: Stejná laserová platforma může často zpracovávat ocel, hliník, měď, slitiny niklu, potahované oceli, plasty, kompozity a keramiku.
Lasery podporují pokročilé monitorování a řízení v uzavřené smyčce: Zpětná vazba procesu – od jednoduchých měření výkonu až po inline měření hloubky svaru – umožňuje automatické řízení laseru, což pomáhá dosáhnout vynikající konzistence mezi jednotlivými jednotkami.
Nyní se pojďme rychle podívat na oblasti, kde mají lasery největší dopad na výrobu automobilů.
Karoserie
Lasery se poprvé objevily v automobilové výrobě v 70. letech minulého století při výrobě karoserií a od té doby se jejich role neustále rozšiřuje. Dnes se běžně používají pro vysokorychlostní svařování, ořezávání a výrobu přizpůsobených polotovarů.
Laserové svařování je výhodné, protože vytváří úzké, hluboké švy s minimálním tepelným příkonem. Tyto vlastnosti snižují deformaci, zlepšují montáž a udržují přísné rozměrové tolerance ve velkých sestavách.
Nízký tepelný příkon je obzvláště cenný při práci s dnešními pokročilými materiály, včetně vysokopevnostních a ultra vysokopevnostních ocelí. Ty se mohou při tradičních metodách svařování deformovat, praskat nebo ztrácet své jedinečné mechanické vlastnosti. Nízký tepelný příkon pomáhá také při spojování smíšených materiálů, které se kvůli odlišné tepelné roztažnosti a tavitelnosti při konvenčním svařování snadno deformují nebo praskají.
Lasery také podporují plynulý, nepřerušovaný pohyb díky svařování za chodu a skenovacím hlavám namontovaným na robotech. To umožňuje výrobcům eliminovat zpoždění způsobená zastavováním a rozjížděním a zvýšit tak výkon.
A protože laserové procesy jsou čisté, konzistentní a opakovatelné, snižují potřebu oprav a následných kontrol. V kombinaci s inline monitorováním hloubky svaru a polohy švu poskytují lasery výrobcům OEM vysoce kvalitní spojovací metodu, kterou lze snadno integrovat do moderních automatizovaných karosářských dílen.
Komponenty pohonu a podvozku
Lasery také hrají stále větší roli při výrobě komponentů pohonných jednotek a podvozků, kde přesnost a opakovatelnost přímo ovlivňují výkon, životnost a bezpečnost vozidla. Mnohé z těchto dílů – skříně převodovek, kryty pohonných jednotek, chladicí desky, montážní konzoly a komponenty zavěšení – mají složitou geometrii a různou tloušťku materiálu.
Všechny tyto svařovací aplikace těží z přesné tepelné regulace, kterou lasery poskytují. Přesná regulace tepelného příkonu pomáhá vytvářet pevné a konzistentní spoje s minimálním zkreslením, což výrobcům pomáhá udržovat vyrovnání a mechanickou integritu dílů, které pracují pod nepřetržitým zatížením.
Nedávno vyvinuté konfigurace duálních vláknových laserů tyto výhody ještě rozšiřují, protože umožňují svařování odlitků a obráběných součástí bez rozstřikování – což je oblast použití, kde dříve dominovaly CO₂ lasery. Duální lasery nabízejí čistý a stabilní proces, který je obzvláště důležitý pro sestavy obsahující maziva, ložiska nebo přesné povrchy, které musí zůstat bez kontaminace.
Výroba baterií pro elektromobilitu
Nikde jinde se laserové technologie neprosadily tak rychle – ani nehrál tak zásadní roli – jako ve výrobě baterií pro elektromobily. Bateriové články, moduly a sady vyžadují přesné a opakovatelné spojování komponentů z mědi, hliníku a niklu. Všechny tyto materiály jsou známé tím, že se obtížně svařují tradičními postupy.
Lasery zajišťují přesnou tepelnou kontrolu potřebnou k vytvoření mechanicky pevných elektrických spojů s nízkým odporem. A to bez poškození okolních separačních fólií, lepidel nebo izolačních vrstev. Umožňují vysokorychlostní svařování vývodů k přípojnicím, svařování fólií a přesné řezání sběračů proudu s minimálním množstvím otřepů nebo nečistot.
I v tomto případě jsou nezbytné konfigurace vláknového laseru s dvojitým paprskem a kmitajícím paprskem. Jejich použití snižuje rozstřikování a minimalizuje poréznost. To zajišťuje konzistentní kvalitu spojů u tisíců spojů v jednom balení.
Inovace v oblasti inline optického monitorování dále zvyšují kvalitu procesu tím, že poskytují validace hloubky svaru, polohy švu a konzistence v reálném čase. To vše poskytuje výrobcům elektromobilů škálovatelný proces s vysokou výtěžností pro výrobu článků, modulů a balíčků, které jsou srdcem moderní elektromobility.
Elektrické motory
Laserové zpracování je cenné při výrobě trakčních motorů pro elektromobily, zejména těch, které jsou konstruovány na základě vinutí typu „hairpin“. Jejich měděné vodiče musí být přesně odizolovány, tvarovány a svařovány, aby se minimalizoval elektrický odpor a splnily se přísné mechanické tolerance v konečném sestaveném vinutí.
Lasery se často používají jako první k čistému a přesnému odstranění smaltové izolace. Mohou odhalit podkladovou měď bez mechanického kontaktu, deformace nebo tepelného poškození. Těchto výsledků je obtížné dosáhnout pomocí abrazivních nebo chemických metod odstraňování.
Pro vytvoření finálních elektrických spojů se používá laserové svařování, které vytváří pevné spoje s minimálním rozstřikem a minimálním přívodem tepla. Tím se chrání okolní izolace, lamináty a epoxidové zalévací materiály. Duální paprsek – a zejména implementace s kolísavým paprskem – dále zlepšují překlenování mezer a konzistenci svarů, čímž zajišťují rovnoměrný výkon u tisíců vlásenkových spojů.
Interiér a obložení
Lasery podporují širokou škálu operací v interiéru a při úpravách. Jsou zde užitečné, protože kombinují přesnost a rychlost a často poskytují kosmeticky dokonalý výsledek. Mnoho plastových, textilních, kompozitních a potahovaných komponentů – zejména těch, které jsou viditelné pro spotřebitele – vyžaduje čistých řezů, přesné perforace nebo vzory otvorůnebo dekorativní prvky.
Mechanické nástroje mají potíže s vytvářením takových hran bez vzniku drsnosti nebo deformace. Lasery poskytují hladké, opakovatelné hrany s minimálním tepelným dopadem. To zlepšuje vzhled a snižuje potřebu následného zpracování pro obnovení vzhledu. Díky své schopnosti řezat složité kontury jsou ideální pro otvory v přístrojové desce, okénka senzorů, mřížky reproduktorů a estetické perforace.
Laserové značení, zejména značení pro denní/noční provoz, se používá v celém interiéru automobilů. Je ideální pro podsvícená tlačítka, spínače a ozdobné prvky, které vyžadují atraktivní, dobře čitelné a někdy i složité značení. Protože laserové značení nevyžaduje žádné nástroje a je kompatibilní s širokou škálou materiálů, umožňuje rychlé změny možností a variant bez nutnosti přenastavování nástrojů.
Sledovatelnost a označení shody
Žádoucí vlastnosti laserového značení vedly k jeho širokému využití v aplikacích pro sledovatelnost v automobilovém průmyslu. Mezi hlavní patří absence kontaktu nebo opotřebení nástrojů, což eliminuje riziko poškození citlivých povrchů. A protože lasery mohou vytvářet značky, které jsou buď extrémně malé, nebo velké, podporují vše od mikro-sériového číslování až po velké identifikátory s vysokým kontrastem.
Možnost ovládání laserového značení pomocí softwaru umožňuje sériovou výrobu nebo změny obsahu značení za chodu, bez nutnosti přenastavování zařízení. A protože lasery fungují na kovech, plastech, povlacích a kompozitech, lze pomocí jedné platformy značit mnoho materiálů používaných ve vozidlech.
Mezi klíčové aplikace značení patří brzdové komponenty, moduly airbagů a konstrukční spojovací prvky. Ty vyžadují odolné, trvalé identifikátory, které odolají teplu, kapalinám a vibracím po celou dobu životnosti vozidla. Elektronika a kryty, včetně řídicích jednotek, senzorů a výkonových modulů, vyžadují značení, které nepoškozuje vnitřní komponenty ani neohrožuje těsnění. A v rámci celého dodavatelského řetězce podporuje serializace a kódování datové matice sledování dílů, kontrolu variant a dodržování průmyslových a regulačních požadavků.
Čištění povrchů
Lasery se stále častěji používají k přípravě povrchů, kdy je důležitá přesná kontrola hloubky odstraňování materiálu a zachování podkladových struktur. Laserové čištění toto zajišťuje odstraněním rzi, oxidů, lepidel a barvy bez mechanického kontaktu nebo abrazivních prostředků. Tento proces odhalí čistý, rovnoměrný povrch a zároveň zabrání deformaci, poškození podkladu nebo nejednotným výsledkům, ke kterým může dojít při tryskání nebo broušení.
Nízký tepelný příkon zachovává vlastnosti okolního materiálu, což je důležité při přípravě dílů pro svařování nebo lepení. Lasery mohou dokonce texturovat povrchy podle kontrolovaných vzorů, aby se zlepšila přilnavost nebo smáčivost. Protože je tento proces programovatelný, mohou výrobci tyto úpravy aplikovat na konkrétní oblasti bez maskování nebo upínání.
Vytvrzování práškových nátěrů
Použití vysoce výkonných diodových laserových systémů pro vytvrzování práškových nátěrů se teprve začíná prosazovat. Důvodem je to, že laserové vytvrzování nabízí několik výhod oproti tradičním konvekčním nebo infračerveným lampovým pecím.
Vzhledem k tomu, že lasery poskytují lokální ohřev, pouze potažené oblasti dosahují teplot tání a tekutosti. Úzkopásmové infračervené laserové světlo je silně absorbováno práškovými částicemi, což zlepšuje účinnost vytvrzování a minimalizuje hromadné zahřívání podkladové části. Účinnost elektrické konverze diodových laserů je také podstatně vyšší než u jiných infračervených zdrojů, což znamená, že větší část vstupního výkonu jde přímo do vytvrzování, místo aby se ztrácela jako přebytečné teplo.
Díky těmto vlastnostem je laserové vytvrzování výrazně rychlejší a energeticky účinnější než jiné metody. Navíc se laserové vytvrzování práškových nátěrů hodí pro inline řízení procesu, které zajišťuje vysoce konzistentní výsledky.
Začínáme s laserovým řešením
Laserové zpracování sice nabízí řadu výhod, ale nejlepších a nejhospodárnějších výsledků pro konkrétní aplikaci lze nejlépe dosáhnout ve spolupráci se zkušeným dodavatelem laserových řešení.
Vyvíjíte nebo optimalizujete výrobní proces v automobilovém průmyslu? Projekty v automobilovém průmyslu často začínají v našich aplikačních laboratořích, kde pomáháme vyvíjet, ověřovat a optimalizovat procesy před jejich implementací a rozšířením do výroby. S rostoucími požadavky v automobilovém průmyslu zůstává IPG oddaným partnerem pro spolehlivá laserová řešení s vysokým výtěžkem.
