Boj s mikroplasty pomocí laserů

Čistírny odpadních vod z vodních zdrojů dosud nedokázaly dostatečně odfiltrovat drobné mikroplasty, což by se mohlo brzy změnit pomocí speciálních mikroplastových filtrů vrtaných laserem. Filtr obsahuje listy s extrémně malými otvory o průměru pouhých 10 µm.
V projektu SimConDrill spojili výzkumníci Fraunhofer ILT své síly s průmyslovými partnery, aby vytvořili filtr, který (vůbec poprvé) dokáže mikroplasty z odpadních vod odstranit. „Naším cílem bylo vyvrtat co nejvíce děr do ocelové fólie, pokud možno co nejmenších a v co nejkratším čase,“ vysvětluje Andrea Lanfermannová, projektová manažerka Fraunhofer ILT. Toho se podařilo dosáhnout díky vývoji technologie pro efektivní vrtání mikroskopických otvorů, kterou vědci rozšířili techniku s ultrakrátkým pulzem (USP) v rozsahu kW. Technologii USP využívá laserový průmysl stále více v mnoha projektech. Lasery se již uplatňují ke zvýšení účinnosti vodíkové technologie a k vytvoření absolutně těsných krytů baterií v aplikacích pro elektromobilitu, nyní přišly na řadu i mikroplasty.

Klíčem jsou znalosti procesu
Vědci z ILT na tomto ambiciózním projektu spolupracují s dalšími partnery. Kromě koordinátora projektu, společnosti Klass Filter, jsou zapojeny také firmy Lunovu a OptiY. Poté, co byl vyvinut technologický proces, vyvrtali odborníci z firmy LaserJob do filtrační desky neuvěřitelných 59 mil. otvorů o průměru 10 µm, čímž vytvořili prototyp filtru. Laserem vrtané kovové fólie byly instalovány do patentovaného cyklonového filtru firmy Klass a podrobeny rozsáhlému testování. Už v prvním testu byl z kontaminované vody úspěšně odfiltrován prášek z 3D tiskáren a zařízení se nyní testuje v reálných podmínkách v čistírně odpadních vod.
Vrtání milionů děr jedné po druhé vyžaduje mnoho času, ale lze jej provést rychleji pomocí vícepaprskového procesu, v němž je matice identických paprsků generována z laserového paprsku prostřednictvím speciálního optického systému. Fraunhofer ILT použil tento proces s ultrakrátkopulzním laserem (TruMicro 5280 Femto Edition) k simultánnímu vrtání otvorů se 144 paprsky současně. Základem pro takové aplikace jsou podrobné procesní znalosti, které byly ve Fraunhofer ILT shromažďovány po desetiletí a implementovány do odpovídajících modelů a softwaru. Díky těmto odborným znalostem lze na počítači měnit parametry a rychle nalézt optimální variantu procesu, před testováním aplikace lze také analyzovat jeho robustnost.

Na cestě k průmyslové verzi
Paralelně s vrtací aplikací konsorcium šesti partnerů pracuje na integraci  vícepaprskového laserového obráběcího systému do průmyslového stroje. V projektu EU Multiflex výzkumní pracovníci spolu s průmyslem zvyšují produktivitu laserového zpracování materiálů na bázi skeneru pomocí vícepaprskových procesů. Zvláštností tohoto projektu je, že všechny dílčí nosníky lze individuálně ovládat a použít k vytvoření jakékoli povrchové struktury. Cílem je dosáhnout dvaceti až padesátinásobné zvýšení rychlosti procesu a celý jej tak výrazně zefektivnit z hlediska nákladů.
Znalost procesu je kritickým faktorem i při dalším rozšiřování zpracování materiálů pomocí ultrakrátkých laserových pulsů s vícepaprskovou optikou nebo i bez ní, protože při zvýšení výkonu do rozsahu kilowattů může dojít k tepelnému poškození obrobku. Tyto efekty jsou proto zkoumány pomocí komplexních simulací. Procesy lze odpovídajícím způsobem upravit.
Laserové systémy pro takové experimenty jsou k dispozici v aplikační laboratoři na Fraunhofer ILT v Cáchách, která je součástí CAPS, kde 13 Fraunhofer institutů společně vyvíjí zdroje laserového paprsku, procesní technologii a aplikace pro výkony USP laserů až do 20 kW.

Josef Vališka
Foto: Fraunhofer

Publikováno: 4. 5. 2022 | Počet zobrazení: 580 81