Laser surface texturing/lv
Lāzera virsmas teksturēšana (LST) ir virsmas inženierijas process, ko izmanto, lai uzlabotu materiālu triboloģiskās W īpašības. Izmantojot lāzeru W , lai izveidotu rakstainas mikrostruktūras W uz materiālu virsmas, var uzlabot slodzes izturību, nodiluma ātrumu, eļļošanas kalpošanas laiku un samazināt berzes koeficientus. Virsmas nelīdzenumu izmantošana triboloģisko īpašību uzlabošanai pirmo reizi tika apspriesta 20. gs. sešdesmitajos gados un tiek ieviesta vairākās ražošanas tehnikās. [ 1 ] Lai gan virsmas tekstūras inženierija ir pētīta jau daudzus gadus, lāzerrakstainu virsmas mikrostruktūru izmantošana triboloģiskiem uzlabojumiem parādījās 20. gs. deviņdesmitajos gados un turpina piedzīvot ievērojamu tehnoloģisko progresu. Lāzeri piedāvā nepārspējamu virsmas mikrostruktūras kontroli un zemu ietekmi uz vidi salīdzinājumā ar citiem virsmas kodināšanas procesiem. [ 2 ] Ņemot vērā, ka berze W rada neizbēgamus zaudējumus un nodilumu neskaitāmos procesos un ierīcēs, iespējas uzlabot efektivitāti un kalpošanas laiku ar LST tehnoloģijām ir plašas. Tāpat LST piedāvā iespējas pārvarēt berzi W , piemēram, mikroelektromehāniskajās sistēmās W. [ 3 ]
Pamatprincipi
LST ir materiālu apstrādes process, ko izmanto, lai uz sagataves saskares virsmas izveidotu rakstainas mikrostruktūras. Lai gan var izmantot dažādus rakstus, visbiežāk sastopamās mikrostruktūras ir lineāras rievas, sakrustotas rievas un apļveida bedrītēm līdzīgas iedobes (1. attēls). Šīs mikrostruktūras vairākos veidos uzlabo triboloģiskās īpašības. Zemāk uzskaitītās sekas darbojas dažādos apmēros atkarībā no vairākām pielietojumam specifiskām īpašībām (smērvielas viskozitāte W , mikroporu ģeometrija, relatīvais saskares ātrums, slodzes spiediens utt.). [ 4 ]
Mikrohidrodinamiskie gultņi
Katrs mikrodobums, neatkarīgi no tā, vai tā ir rieva vai iedobums, relatīvas kustības laikā starp abām saskares virsmām darbojas kā miniatūrs hidrodinamisks W gultnis. [ 1 ] Šis hidrodinamiskais efekts ir spiediena gradienta rezultāts, kas veidojas katrā porā, un to var modelēt, izmantojot Reinoldsa vidējo Navjē-Stoksa vienādojumu W. [ 5 ] Ar relatīvo kustību starp abām saskares virsmām un bīdes spēkiem, kas iedarbojas uz smērvielu uz virsmām, ķīļa efekta dēļ tiek izveidots spiediena profils (2. attēls). Mikrohidrodinamiskie gultņi samazina berzi un nodilumu starp slīdošajām virsmām. Lai mikrohidrodinamiskā gultņa efekts kļūtu ietekmīgs, ir nepieciešama eļļošana, jo gaisam ir ļoti zema viskozitāte salīdzinājumā ar šķidrajām smērvielām. Neeļļotām virsmām bija nepieciešams liels relatīvais ātrums, lai šis gultņa efekts kļūtu nozīmīgs.
Atlūzu slazdi
Mikrodobumi nodrošina vietu, kur gružu daļiņas var iekļūt un samazināt ar tiem saistīto papildu berzi saskares zonā. Poru funkcija kā gružu slazdiem ir novērojama gan ieeļļotās, gan neieeļļotās virsmās, un tā ir galvenā virsmas teksturēšanas pozitīvā ietekme neieeļļotās virsmās. [ 4 ]
Smērvielu rezervuāri
Ja virsmas saskares zona zaudē eļļošanu, mikrodobumi var nodrošināt papildu smērvielu, kas kapilārās darbības W rezultātā tiek novadīta uz trūkstošo zonu . [ 4 ] Rakstainā ģeometrija ļauj izveidot neskaitāmas miniatūras smērvielas rezervuārus, nodrošinot tiešu un tūlītēju smērvielas atvieglojumu trūkstošajām zonām. Lai šie rezervuāri pastāvētu, raksta mikrostruktūras ģeometrijām jābūt noslēgtām, lai novērstu smērvielas izplūšanu caur kanāliem. [ 6 ]
Tehnoloģijas pielietošana
Specifisku rakstainu virsmas mikrostruktūru izveidi var panākt dažādos veidos, piemēram, ar abrazīvo strūklošanu, reaktīvo jonu kodināšanu ar W un ultraskaņas W apstrādi. Tomēr lāzertehnoloģija piedāvā vislielāko kontroli un precizitāti pār izveidoto ģeometriju. Turklāt lāzera ablācijā netiek izmantoti ķīmiskie reaģenti un nerodas ievērojami atkritumi. Skatiet tālāk sniegto sadaļu par alternatīvām virsmas teksturēšanas metodēm.
Lai ieviestu lāzera virsmas teksturēšanu, jāņem vērā vairāki tehnoloģiski lēmumi attiecībā uz aprīkojumu un pielietojumu. Tie ietver lāzera raksturlielumus, skenēšanas vai interferences modeļu izmantošanu, poru ģeometriju un frekvenci, kā arī pilnīgu vai daļēju LST.
Lāzeri
Lai izgatavotu rakstu virsmas mikrostruktūras, izmantotajam lāzeram ir jābūt piemērotam sagataves materiālam un jāspēj vai nu izkausēt, vai ablēt materiālu. Praksē daži no galvenajiem LST izmantoto lāzeru veidiem ir Nd:YAG lāzers W , oglekļa dioksīda lāzers W un eksimēru W lāzeri. Lāzeri parasti tiek impulsēti, bieži izmantojot Q komutācijas iekārtu W , lai radītu vienu bedrīti vienā impulsā. Ar augstu atkārtošanās ātrumu (impulsa ilgums no μs līdz fs) ļoti īsā apstrādes laikā var izveidot tūkstošiem bedrīšu. Ar iespējamu ātrumu, kas pārsniedz 1000 mikrodobumu sekundē, LST var mērogot lielos laukumos. [ 6 ]
Nd:YAG un CO2 ir biežāk sastopami nekā eksimērlāzeri, jo eksimērlāzeriem ir salīdzinoši zems ablācijas ātrums un LST prasa pārmērīgi ilgu laiku. No otras puses, pateicoties eksimērlāzeru zemajai ablācijas pakāpei, tos var izmantot mikrostruktūru veidošanai ar mikrometra precizitāti. Tāpat eksimērlāzerus bieži izmanto litogrāfijas metodēs un kodināšanas procedūrās, lai veidotu virsmas tekstūras.
Lāzerapstrādē materiāls tiek noņemts, izmantojot ablāciju, kausēšanu vai abu metožu kombināciju. Bieži vien blakus lāzera fokusa punktam tiek ievadīta augstspiediena gāze, kas aizpūš izkusušo un sublimēto materiālu. Griešanas un noņemšanas ātrums ir atkarīgs no lāzera jaudas, viļņa garuma, impulsa ilguma un sagataves materiāla īpašībām; tādām īpašībām kā absorbcija, siltumvadītspēja un siltumietilpība. Materiāla cietība neietekmē tā lāzergriešanas ātrumu, padarot LST efektīvu uz tipiski grūti apstrādājamām vielām, piemēram, karbīdiem un keramikai.
Tiešais stars, skenēšana un traucējumu raksti
Lai uz materiāla virsmas izveidotu rakstainas mikrostruktūras, ir jāmanipulē lāzera stara pozīcija attiecībā pret virsmu. Ir trīs galvenās metodes lāzera ablācijas kontrolei, lai izveidotu vēlamos rakstus: tieša stara kustība, skenēšana un interferences rakstu izmantošana. Izmantojamā metode ir atkarīga no sagataves ģeometrijas, ražošanas apjoma un budžeta.
Tiešais stars
Tiešā stara metodoloģijā lāzera stars tiek tieši pievadīts materiāla virsmai. Ablācijas galva fokusē lāzeru, un augstspiediena gāzes vads aizpūš izkusušo un sublimēto materiālu. Mehānizēta sistēma ļauj sagatavi vai ablācijas galviņu pārvietot kontrolētos soļos. Manipulējot ablācijas galvas un sagataves relatīvo pozīciju, kā arī lāzera impulsa ilgumu, var kontrolēt virsmas ieplaku biežumu.
Skenēšana
Vēl viena lāzera rakstu veidošanas kontroles metode ir skenēšanas sistēmas izmantošana. Atstarojot lāzera staru no virknes motorizētu spoguļu, lāzera staru var ātri pārvietot uz vēlamo pozīciju katram izveidojamajam mikrodobumam. Šie motorizētie spoguļi, ko parasti sauc par spoguļa galvanometru W , var precīzi un ātri virzīt lāzera staru uz vēlamo saskares punktu. Lai nodrošinātu, ka stars neskar virsmu leņķī, tiek izmantota plakana lauka lēca, lai nodrošinātu, ka stars un virsma saskares punktā ir perpendikulāri. [ 6 ]
Interferences raksti
Lai izveidotu rakstainas rievas un krustotas rievas, var izmantot arī optiskās interferences W rakstus. [ 2 ] Interferences raksts aptver stara diametra izmēru un vienlaikus rada daudz mikrodobumu. Kad divi stari interferē viens ar otru, rodas konstruktīva un destruktīva interference, radot paralēlas lineāras gaismas līnijas. Ja šis lāzera gaismas raksts tiek vērsts uz materiāla virsmu noteiktu laiku, notiks ablācija un kušana, radot paralēlas lineāras rievas. Lineāro rievu periodu apraksta formula:
Kur: λ ir lāzera viļņa garums, α ir leņķis starp lāzera stariem. [ 2 ]
Lai izveidotu sakrustotu rievu mikrostruktūru, paraugu var apstarot vienā orientācijā, lai izveidotu lineāras rievas, un pēc tam pagriezt par 90° un atkal apstarot gaismu, lai izveidotu sakrustotas rievas.
Poru ģeometrija, izmērs un biežums
Mikroporu optimālais raksts un ģeometrija labāko triboloģisko raksturlielumu iegūšanai ir atkarīga no vairākiem pielietojuma faktoriem un nav precīza zinātne. Bedrīšu veida ieplakās precīza ģeometrija nav nozīmīga, salīdzinot ar poru diametra un dziļuma attiecību, kā arī ar porām pārklāto laukuma daļu. [ 1 ] Pielietojuma faktori, kas ietekmē optimālo poru attiecību un laukuma daļu, ir šādi:
- Kravnesība
- Spiediens
- Materiāls
- Slīdēšanas ātrums
Kopumā pašreizējos pētījumos ziņots par optimālu poru laukuma pārklājumu no 10% līdz 15% [ 7 ] , [ 8 ] . Arī optimālais poru diametrs vispārējā gadījumā ir aptuveni 10 μm. [ 8 ] Lielākos poru diametros eļļošanas plēves klīrenss samazinās un tiek konstatēts straujš berzes pieaugums.
Dažos augstspiediena pielietojumos LST ir visefektīvākais, ja teksturēta ir tikai daļēja saskares virsmas daļa. [ 9 ] Teksturējot tikai daļēju laukumu, slodzes izturība starp virsmām var būt daudz lielāka. [ 9 ] Dzinēja virzuļa gredzena attēls ar daļēju LST ir parādīts 3. attēlā.
Apdares procedūras
Lāzera virsmas teksturēšana balstās uz mērķa materiāla kausēšanu, ablāciju un aizpūšanu ar augstspiediena gāzi. Pēc LST uzklāšanas uz virsmas uz virsmas paliek liekās kausējuma malas un izdedži kā lāzera apstrādes artefakts. [ 4 ] Šīs kausējuma malas un liekais atkārtoti sacietējušais materiāls ir jānoņem, pulējot, lai paredzētā virsmas ģeometrija darbotos, kā paredzēts. Šo pulēšanu var veikt ar maigiem abrazīviem materiāliem un standarta mehāniskās pulēšanas metodēm.
Pēc LST var uzklāt arī pārklājumus, lai uzlabotu virsmas īpašības. Lai uzlabotu noteiktas virsmas īpašības, piemēram, cietību un nodilumu, var uzklāt tādu materiālu plēves kā dimantam līdzīga ogle W un titāna sakausējumi. [ 4 ]
Ieguvumi
Lāzera virsmas teksturēšanai ir daudz priekšrocību, kas potenciāli varētu ietaupīt milzīgu enerģijas daudzumu un uzlabot daudzu mehānisku sistēmu efektivitāti. Visacīmredzamākais ieguvums ir berzes samazinājums. Tā kā šī joma ir salīdzinoši jauna, mainīgo skaits LST lietojumprogrammā ļauj sasniegt virkni ziņoto berzes samazinājumu. Pašreizējie pētījumi liecina par ievērojamu berzes samazinājumu diapazonā no 20% līdz 65%. [ 2 ] , [ 6 ] , [ 10 ] Precīzs berzes samazinājums ir atkarīgs no daudziem mainīgajiem lielumiem, tostarp slodzes izturības, mikroporu ģeometrijas, ātruma un izmantotajiem materiāliem. Šis berzes samazinājums attiecas gan uz eļļotiem, gan sausiem gadījumiem, un mazāks berzes samazinājums ir konstatēts lietojumprogrammās bez eļļošanas (15%–40%). [ 10 ] Cietās smērvielas, piemēram, MoS2 un grafīts, var izmantot arī ar LST virsmām, un tās gūst labumu no berzes samazinājuma. [ 11 ] Berzes samazināšana sniedz vairākas priekšrocības. Pirmkārt, enerģija, kas ietaupīta, zaudējot siltumu, var samazināt lietojumprogrammas enerģijas patēriņu. Otrkārt, zemāka berze rada mazāk siltuma, un tāpēc samazinās termiskie spriegumi un deformācijas uz virsmas. Visbeidzot, zemāki berzes koeficienti samazina berzi, ļaujot noteiktām ierīcēm, piemēram, MEMS W , izmantot mazākus spēkus kustības uzsākšanai. [ 12 ]
Vēl viena priekšrocība ir noguruma kalpošanas laika uzlabošanās. Mikrodobumi darbojas kā gružu slazdi, pasargājot mazas, irdenas daļiņas no mikroplaisu veidošanās un bojājumiem. Ir novērots, ka ar LST apstrādātas detaļas nodiluma kalpošanas laiks ir pat trīs reizes ilgāks nekā standarta detaļai. [ 2 ] , [ 10 ] Nodilumu, ko izraisa atkārtotas nelielas virsmas kustības, kas pazīstams kā fretinga W nodilums, var ievērojami samazināt, pielietojot LST. Eksperimenti ir atklājuši, ka fretinga noguruma kalpošanas laiks divkāršojas, pielietojot LST. [ 13 ]
Šie iespaidīgie LST pielietojuma rezultāti parāda šīs tehnoloģijas potenciālu. Gandrīz visas mehāniskās sistēmas vienā vai otrā veidā cīnās ar berzi, un LST pielietojums nepārtraukti paplašinās.
Lietojumprogrammas
Pašreizējais
Tā kā LST ir relatīvi jauna joma, tā galvenokārt atrodas pētniecības un maza mēroga pielietojuma stadijā. Pašlaik pastāv daži LST komerciāli pielietojumi, piemēram, plānota LST izmantošana automašīnu dzinēju ražošanas līnijā un LST izmantošana magnētiskajās atmiņas ierīcēs. [ 6 ] , [ 14 ] Tāpat pastāv vairāki specializēti uzņēmumi, kas tekstūras veidā nodrošina detaļas un blīvējumus. Notiek daudzi pētījumi, kas saistīti ar dažādiem komerciālas lietošanas pielietojumiem, tostarp:
- Hidraulika W [ 6 ]
- Blīves [ 3 ]
- Vilces gultņi W [ 3 ]
- Magnētiskās atmiņas ierīces [ 14 ]
- MEMS ierīces [ 12 ]
- Dzinēji [ 6 ] , [ 15 ]
- Kaula un zobu implanti ar LST virsmām osseointegrācijas uzlabošanai [ 16 ]
Idejas nākotnes pielietojumiem
Kā minēts iepriekš, LST potenciāls ir milzīgs, ņemot vērā ierīču skaitu, kurām rodas ievērojami zudumi berzes dēļ. Dažas idejas LST pielietojumiem nākotnē ir šādas:
- Lineārie gultņi, rotējošie gultņi
- Spararata W enerģijas uzkrāšana
- Atpūtas aktivitātes un sports (slēpes, slidas, spēles, ragavas)
- Šāviņa paātrinājums caur cauruli (t.i., elektromagnētiskais/sliežu lielgabala W satelīta palaišana)
Gadījuma piemērs — enerģijas bilance
Lai uzsvērtu enerģijas ietaupījumu, izmantojot LST, var izpētīt konkrētu gadījuma piemēru. Virzuļa gredzeni W ir piemēroti LST pielietojumam, pateicoties ievērojamajam atkārtotajam relatīvajam kontaktam starp gredzeniem un cilindra sienu. Šajā enerģijas aprēķinā tika izmantoti šādi konservatīvie parametri:
- 5 kW CO2 lāzers
- 100 impulsi sekundē, katrs impulss rada bedrītei līdzīgu iespaidu
- 4 cilindru dzinējs
- 3 virzuļa gredzeni uz virzuli
- Virzuļa gredzeni ir 2,5 mm plati, ar 100 mm rādiusu, un ārējā radiālā virsma ir teksturēta.
- Kvadrātveida bedrīšu matrica ar 0,5 mm atstarpi starp bedrītēm
Izmantojot šos parametrus, lāzera darbības patērētā enerģija visu 12 virzuļa gredzenu teksturēšanai ir vienāda ar 3,8 MJ . Lai sniegtu aptuvenu priekšstatu par enerģijas ietaupījumu, ko rada šis LST pielietojums, var analizēt pētījuma rezultātus, kas saistīts ar LST pielietojumu Ford Transit 4 cilindru dīzeļdzinējam. [ 15 ] Pētījumā tika atklāts, ka degvielas patēriņš samazinājās par aptuveni 4%, izmantojot LST virzuļa gredzenus salīdzinājumā ar standarta virzuļa gredzeniem. Salīdzinājumam, dīzeļdegvielas enerģijas saturs ir 42 MJ/kg (aptuveni 80% no enerģijas satura var pārveidot siltumenerģijā). [ 17 ] Šajā piemērā nav ņemti vērā daudzi citi nelieli enerģijas zudumi, kas rastos LST pielietojuma laikā, tikai patērētā lāzera enerģija, tomēr tas joprojām parāda ļoti īso enerģijas atmaksāšanās periodu.
Alternatīvas virsmas teksturēšanas metodes
Ar virsmas teksturēšanu saistītos triboloģiskos uzlabojumus var panākt arī ar citām teksturēšanas metodēm, nevis LST. Lai gan lāzeri piedāvā nepārspējamu precizitāti un kontroli, virsmas teksturēšanas pielietojumos tiek izmantotas un pētītas šādas metodes: [ 3 ]
- Abrazīvās strūklas apstrāde
- Elektriskās izlādes apstrāde W
- Jonu stara W teksturēšana
- Vibrovelēšana
- Reaktīvo jonu kodināšana W
Atsauces
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:1.0 1.1 1.2 D. B. Hamiltons, Dž. A. Valovits, K. M. Allens, "Eļļošanas teorija, izmantojot mikronelīdzenumus", ASME Journal of Basic Engineering 88 (1), 177.–185. lpp.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 M. Duarte, A. Lasagni, R. Giovanelli, J. Narciso, E. Louis, F. Mücklich, "Smērvielas plēves kalpošanas laika palielināšana, veidojot periodiskus rievojumus, izmantojot lāzera interferences metalurģiju", Advanced Engineering Materials 10 (6), 554.–558. lpp., 2008. gads.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:3.0 3.1 3.2 3.3 I. Etsions, "Lāzera virsmas teksturēšanas pašreizējā situācija", Triboloģijas žurnāls 127 (248). 2005. g.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 C. Donnet, A. Erdemir, "Dimantam līdzīgu oglekļa plēvju triboloģija, 3. nodaļa: Lāzerapstrāde", Springer US Publishing. 2008.
- ↑ L. Burstein, D. Ingman, "Poru ansambļa statistikas ietekme uz mehāniskā blīvējuma ar porām pārklātām virsmām slodzes atbalstu", ASME Journal of Tribology 121 (1), 927–932, 1999.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 A. Hopermans, M. Kords, "Triboloģiskā optimizācija, izmantojot lāzerstrukturētas kontakta virsmas", Oelhydraulik und Pneumatik 46 (4), 2002.
- ↑ HL Costa, IM Hutchings, "Teksturētu tērauda virsmu hidrodinamiskā eļļošana virzuļbīdes apstākļos", Tribology International 40 (8), 1227–1238, 2007.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:8.0 8.1 M. Mahbubur Razzaque, M. Tanvir Rahman Faisal, "Mehānisko virsmas blīvējumu ar virsmas mikroporām veiktspēja", Journal of Machnical Engineering 37 (1), 2008.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:9.0 9.1 Y. Kligermans, I. Ecions, A. Šinkarenko, "Virzuļa gredzenu triboloģiskās veiktspējas uzlabošana, izmantojot daļēju virsmas teksturēšanu", Journal of Tribology 127 (3), 632.–639. lpp., 2005. g.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:10.0 10.1 10.2 I. Etsions, "Mehānisko komponentu triboloģiskās veiktspējas uzlabošana, izmantojot lāzera virsmas teksturēšanu", Tribology Letters 17 (4), 733.–737. lpp. 2005.
- ↑ A. Voevodins, J. S. Zabinskis, "Lāzera virsmas teksturēšana adaptīvai cietvielu eļļošanai", Wear 261 (11), 1285.–1292. lpp. 2006.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:12.0 12.1 K. Komvopuls, "Adhēzijas un berzes spēki mikroelektromehāniskajās sistēmās: mehānismi, mērīšana, virsmas modifikācijas metodes un adhēzijas teorija", Journal of Adhesion Science & Technology 17 (4), 477–517, 2003.
- ↑ A. Volčoks, G. Halperins, I. Ecions, "Virsmas regulārās mikrotopogrāfijas ietekme uz berzes noguruma ilgmūžību", Wear 253 (3), 509.–515. lpp., 2002. gads.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:14.0 14.1 B. Reimaekers, I. Ecion, F. E. Talke, "Magnētiskās lentes/vadotnes saskarnes triboloģiskās veiktspējas uzlabošana, izmantojot lāzera virsmas teksturēšanu", Tribology Letters 27 (1), 89.–95. lpp., 2007. g.
- ↑Pārlēkt uz augšu uz:15.0 15.1 I. Etsion, E. Sher, "Degvielas efektivitātes uzlabošana ar lāzervirsmas teksturētiem virzuļa gredzeniem", Tribology International (drukā), pieejams tiešsaistē 2008. gada 15. aprīlī: http://web.archive.org/web/20100306192703/http://www.sciencedirect.com:80/science/article/B6V57-4S92XSP-1/2/fd392ac261846c9ae6e6be66d42c7dfd
- ↑ M. Martikorēna, G. Korti, D. Olmedo, MB Guglielmotti, S. Duhalde, "Ti implantu lāzera virsmas modifikācijas, lai uzlabotu osseointegrāciju", Journal of Physics: Conference Series 59 (1), 662-665, 2007.
- ↑ Apvienoto Nāciju Organizācijas Pārtikas un lauksaimniecības organizācija, "Atjaunojamo enerģijas avotu un enerģiju taupošu tehnoloģiju izmantošana mazos piena pārstrādes uzņēmumos un savākšanas centros", FAO Animal Production and Health Papers 93 (1), 662–665, 1992. Pieejams tiešsaistē: http://www.fao.org/docrep/004/t0515e/T0515E08.htm
