Ką iš metalo gali padaryti lietuviškas lazeris? Poveikis gali būti labai naudingas

Tikriausiai nėra lietuvio, kuris nebūtų girdėjęs apie tai, jog mūsų nacionalinė lazerių pramonė yra viena stipriausių pasaulyje. Tačiau daugelio žmonių žinios apie lazerius tuo ir baigiasi. Retas kuris žinome, dėl ko tie lazeriai yra tokie naudingi ir reikalingi. Na, neskaitant mokslinės fantastikos filmų, kuriuose lazeriai dažniausiai naudojami kaip ginklai. Tik, kaip bebūtų keista, dabartiniame raidos lygmenyje realūs lazeriniai ginklai kol kas dar prastoki.

Bet už tai yra daugybė sričių be karybos, kurios šiandien yra tiesiog nebeįsivaizduojamos be lazerių: komunikacijos, medicina, informacijos laikymas ir daugybė kitų. Tačiau šiuokart visą dėmesį sutelksime į temą, kuri turėtų būti aiški ne tik fizikui, medikui ar IT komunikacijų ekspertui, bet ir labiau „žemiškų“ (bet ne mažiau garbingų ir reikalingų) profesijų atstovams. Pavyzdžiui, suvirintojams, šaltkalviams, tekintojams.

Pakalbėsime apie lazerius ir pramoninį medžiagų apdirbimą. Tai – taip pat sritis, kuri šiandien yra visiškai priklausoma nuo lazerių ir kitų specializuotų šviesa paremtų sprendimų. Šioje srityje besispecializuojantys lazerių kūrėjai ir gamintojai parengė pačių įvairiausių tipų lazerinių šaltinių, kurie itin trumpais (nanosekundiniais) impulsais suteikia metalams visiškai neįtikėtinų, neįprastų savybių. Pavyzdžiui, tokių nanosekundinių impulsų pakanka, kad pramoniniais mastais būtų apdorojami metalai automobilių gamyklose, rašoma pranešime spaudai.

Tačiau lazerių kūrėjai ties tuo nesustoja. Pramonėje reikalingas ir mikro – bei nano – metalų apdirbimas, kuris plika žmogaus akimi nėra matomas. Tačiau įprastiniai, iki šiol sukurti lazeriai tam nėra tinkami – kliūtis yra medžiagų savybėms kenkiantys šilumos kaupimosi padariniai. Tad šiai užduočiai spręsti susibūrė devynių įmonių ir mokslinių institucijų kolektyvas, vykdantis projektą „FemtoSurf“. O galutinis šio projekto tikslas – sukurti tokią technologiją, kuri leistų lazeriu metalus paveikti taip, kad jų paviršiai būtų arba hidrofobiniai, arba hidrofiliniai, taip pat pasižymėtų antibakterinėmis ar kitomis pageidaujamomis savybėmis. Ir tokie metalai galėtų būti naudojami pačiose įvairiausiose pramonės šakose.

Kodėl tam netinka dabartiniai femtosekundiniai lazeriai?

Nepaisant didelio femtosekundinių (fs) lazerių potencialo apdirbant medžiagų paviršius, iki pramoninio lygio taikymo dar reikia atlikti daugybę mokslinių tyrimų. Viena pagrindinių priežasčių, ribojančių paviršiaus apdirbimo technologijos plitimą, yra nepakankama femtosekundinių lazerių galia. Šiuo metu apdirbimui reikalinga impulsų energijos vertė turi siekti milidžaulių (mJ) lygį, o tai reiškia, kad vidutinė fs lazerių spinduliuotės galia turėtų būti vatai (W) ar net dešimtys vatų. Jei tokiam apdirbimui panaudotume kilovatų eilės vidutinės galios lazerį, tai leistų padalinti vieną spindulį į keletą ir vienu metu apdirbti kelias gaminio vietas, tokiu būdu padidinant proceso našumą iki pramoninio lygio. Deja, aukštos vidutinės galios femtosekundinių lazerių šiuo metu nėra.

Be to, tokiai spinduliuotei reikalingos naujos spindulio kontrolės ir formavimo technikos, kurios leistų šviesą išnaudoti kuo efektyviau. Galiausiai, atsiranda pažangių kokybės kontrolės metodų ir skaitmeninės automatizacijos poreikis, kurie yra neatsiejama „Industrijos 4.0“ dalis.

Tad šias užduotis spręsti „FemtoSurf“ projekto partneriai ir susirinko.

Pagrindinis Europos įmonių ir įstaigų vykdomo projekto finansų šaltinis – Europos Sąjungos „Horizon 2020“ Tyrimų ir Inovacijų programos (dotacijos sutarties Nr. 825512, www.photonics21.org). Projektas suvienijo profesionalus iš pramonės ir mokslo sričių, lazerių tyrėjus, medžiagų mokslininkus, robotinių sistemų dizainerius, medicinos, laivų ir lėktuvų pramonės atstovus. Pagrindinis projekto tikslas yra sukurti, ištestuoti ir pademonstruoti industrinio lygio kietakūnį 2-3 kW lygio femtosekundinį lazerį ir nustatyti parametrus, tinkamus metalinių paviršių apdirbimui. Minėtasis lazeris bus integruojamas specialioje optinėje grandinėje, kuri leistų kelių gaminio vietų apdirbimą vienu metu. Visa sistema bus automatizuota, o ja apdirbti bus galima bet kokios formos metalinius komponentus, kurių dydžiai viršys kelis metrus, tačiau apdirbimas bus mikrometrų lygio tikslumo. Visas procesas bus nuolat stebimas pažangių sistemų, kurios užkirs kelią broko atsiradimui.

O tai kokia nauda pramonei?

Po trumpo mokslinio intarpo grįžkime prie naudos verslui, gamybai ir atskiriems žmonėms. Aviacijos pramonėje labai daug sunkumų lėktuvus naudojančiose įmonėse kelia komponentų užsiteršimas ir nusidėvėjimas. Tuo tarpu lazeriu apdorotos, tinkamas paviršiaus savybes įgijusios detalės taptų savaime išsivalančiomis. Kitais apdirbimo būdais galima būtų pasiekti, kad sumažėtų trintis tarp nuolatos įtampoje dirbančių detalių paviršių.

Vienas iš projekto partnerių yra Italijos įmonė „Aerea S.p.A.“, kuri kuria, vysto ir gamina aviacijos sistemas ir konstrukcijas. Šios įmonės tyrimų ir technologijų skyriaus vadovas Luca Pernechele atskleidė, su kokiais iššūkiais susiduria šioje pramonėje: „Turime užtikrinti aukščiausio lygio veikimą su nepriekaištingu patikimumu, kadangi mūsų įranga integruojama į pažangiausius orlaivius ar kosmoso platformas, kur klaidos yra nedovanotinos. Taip pat mūsų produkcijos kiekiai nedideli, todėl mums reikalingi lankstūs sprendimai, leidžiantys lengvai prisitaikyti prie kliento reikalavimų“.

Pritaikius dabar kuriamą „FemtoSurf“ paviršių apdirbimo technologiją gali būti išspręsta daugybė problemų: sumažintas komponentų nusidėvėjimas, sumažinta trintis mechanizmo viduje, taip padidintas mechaninis efektyvumas, pagerinamas metalinių dalių paviršiaus atsparumas korozijai dėl hidrofobinių savybių, pagerinamas dažų prikibimas.

L. Pernechele numato, kaip „FemtoSurf“ technologija gali pagerinti įmonės veiklą: „Geresnis dažų sukibimas galėtų sumažinti sukibimo plotą, supaprastinti geometriją ir sumažinti komponento svorį; trinties sumažinimas užtikrintų komponentų ilgaamžiškumą ir lengvesnę priežiūrą; padidinta apsauga nuo korozijos sumažintų pakeitimų kiekį“. Galima daryti išvadą, kad „FemtoSurf“ sprendimai gerokai prailgintų detalių tarnavimo laiką ir, žinoma, aviacijos pramonės sektoriaus pelningumą. Detalių tarnavimo laiko padidėjimas savo ruožtu būtų itin naudingas ir aplinkos apsaugos požiūriu.

Pravers ir medicinoje

Bet kokio medicininio įrenginio paviršiaus savybės atlieka svarbų vaidmenį medicinoje, kadangi tai turi įtakos biologiniam suderinamumui, reakcijai į vaistus ir gyvo audinio atstūmimui arba sukibimui, kas ypač aktualu implantuose. Šiuo metu implantams ortopedijoje daugiausiai naudojamas titanas. „FemtoSurf“ technologija leistų tiesiogiai keisti titano implantų savybes, įskaitant sukibimą ir atstūmimą skirtingose implanto vietose.

Dar viena įmonė, kuriai paviršių tekstūravimas atvertų naujas galimybes, yra „Sintea Factory“ iš Italijos, kurioje kuriami ir gaminami ortopediniai protezai ir stuburo implantai. Įmonė siekia sukurti implantų paviršius su tokiomis fizikinėmis-cheminėmis savybėmis, kurios pagerintų biologinę reakciją į implantus, todėl „FemtoSurf“ technologija galėtų padidinti osteointegraciją ir sumažinti trintį, stipriai prisidedant prie naujos kartos biosutaikomų protezų vystymo. Ateityje implantus kuriančios įmonės vis daugiau dėmesio skirs paviršiams, kurie atkartos natūralią biologinę aplinką, todėl „FemtoSurf“ sprendimai prisidės prie implantų ilgaamžiškumo ir funkcionalumo vystymo.

Ir laivai neprivalo būti dumblini

Tarša dumbliais – svarbi problema visiems jūrų laivams. Mat prie laivo dugno prikibę dumbliai didina vandens pasipriešinimą laivo judėjimui, vadinasi, ir degalų sąnaudas. Tai kainuoja ne tik laivo naudotojams: pasekmes pajunta visa planeta, dėl didesnio anglies pėdsako ir pasaulinio atšilimo.

Įmonės „Rolla SP Propellers SA“ (Šveicarija), gaminančios aukštos kokybės jūrines varomąsias sistemas, techninis direktorius Paolo Vagni teigia, kad laivų pramonėje būtina garantuoti aukštą našumą ir žemas kuro sąnaudas. Paklaustas apie „FemtoSurf“ technologijos indėlį šiame sektoriuje, P.Vagni tikina, kad paviršiaus tekstūravimas prailgins komponentų tarnavimo laiką, išvengiant nuolatinės priežiūros dėl dumblių taršos: „Faktas, kad jūrinių varymo sistemų veikimo palaikymas tokiame lygyje, kaip pirmąją naudojimo dieną, smarkiai paveiktų kuro sąnaudas, būtų galima išvengti kasdienės laivų priežiūros daug sutaupant“. Toks laivų propelerių paviršius, kuris atstumtų taršą, itin smarkiai sumažintų laivų pramonės įmonių sąnaudas.

Ir tai – dar ne viskas

Aviacija, medicina ir laivininkystė – toli gražu ne galutinis sąrašas pramonės sričių, kuriose „FemtoSurf“ projektas gali suteikti pridėtinę vertę. Technologijos koordinatorius Gedvinas Nemickas iš lietuviškos įmonės „Femtika“, vystančios femtosekundinių lazerių panaudojimą medžiagų apdirbimui, atskleidžia, kad „FemtoSurf“ leis kurti patentuojamus atradimus lazerinio nanotekstūravimo srityje, taip pat atvers galimybes tolimesniems tyrimams visai mokslo bendruomenei, panaudojant projekto metu sukurtą kW lygio femtosekundinio lazerio robotinę sistemą.

Vidmantas Šakalys, projektą koordinuojančios įmonės „Femtika“ direktorius, vardina dar daugiau „FemtoSurf“ privalumų. Visų pirma, projekto veikla suteiks galimybę kurtis naujiems verslams, gamykloms ir tiekėjams, dėl ko atsiras naujų darbo vietų pažangių medžiagų, gamybos ir inžinerijos sektoriuose. Be to, „Femtosurf“ technologija pagerins implantus, todėl senėjanti mūsų visuomenė naudos geresnės kokybės implantus ir nebereikės taip dažnai lankytis pas gydytojus, protezai tarnaus ilgiau.

„Taip pat svarbu paminėti, kad „Femtosurf“ siūlys ekologišką CO₂ mažinančią technologiją transportavimui – bus naudojama mažiau chemikalų, mažesnės kuro sąnaudos. Tikėtina, kad įmonės, patirdamos mažesnes sąnaudas, atpigins savo paslaugas, todėl kelionės lėktuvais ir laivais bus prieinamesnės, daugiau gyventojų turės galimybę pažinti naujus kraštus ir kultūras, išplėsti savo akiratį, ir galbūt net stebėsime gyventojų laimės indekso padidėjimą“ – pastebi Vidmantas Šakalys.