Laser surface texturing/Teksturowanie powierzchni laserem

Teksturowanie powierzchni laserem (LST) to proces inżynierii powierzchni stosowany w celu poprawy właściwości tribologicznych ^W materiałów. Użycie lasera ^W do tworzenia wzorzystych mikrostruktur ^W na powierzchni materiałów może poprawić nośność, wskaźniki zużycia, żywotność smarowania i zmniejszyć współczynniki tarcia. Wykorzystanie nieregularności powierzchni do poprawy właściwości tribologicznych po raz pierwszy omówiono w latach 60. XX wieku i wdrożono w kilku technikach produkcyjnych. ^{[ 1 ]} Podczas gdy inżynieria tekstury powierzchni była badana przez wiele lat, wykorzystanie mikrostruktur powierzchni wzorowanych laserowo do ulepszeń tribologicznych pojawiło się w latach 90. XX wieku i nadal podlega znaczącym postępom technologicznym. Lasery oferują niezrównaną kontrolę mikrostruktury powierzchni i niski wpływ na środowisko w porównaniu z innymi procesami trawienia powierzchni. ^{[ 2 ]} Biorąc pod uwagę, że tarcie ^W powoduje nieuniknione straty i zużycie w niezliczonych procesach i urządzeniach, możliwości poprawy wydajności i żywotności dzięki technologiom LST są rozległe. Ponadto LST oferuje możliwości pokonania tarcia ^W , na przykład w mikrosystemach elektromechanicznych ^W . ^{[ 3 ]}

LST to proces materiałowy służący do tworzenia wzorzystych mikrostruktur na powierzchni styku przedmiotu obrabianego. Chociaż możliwe jest stosowanie różnych wzorów, najczęściej spotykanymi mikrostrukturami są rowki liniowe, rowki krzyżowe i kołowe wgłębienia przypominające dołeczki (rysunek 1). Mikrostruktury te poprawiają właściwości tribologiczne na kilka sposobów. Wymienione poniżej efekty działają z różną siłą, w zależności od kilku właściwości specyficznych dla danego zastosowania (lepkość środka smarnego ^W , geometria mikroporów, względna prędkość styku, ciśnienie obciążenia itp.). ^{[ 4 ]}

Każda mikrownęka, niezależnie od tego, czy jest to rowek czy wgłębienie, działa jak miniaturowe łożysko hydrodynamiczne ^W podczas ruchu względnego między dwiema powierzchniami styku. ^{[ 1 ]} Ten efekt hydrodynamiczny jest wynikiem gradientu ciśnienia, który tworzy się w każdym porze, co można modelować za pomocą uśrednionego równania Naviera-Stokesa Reynoldsa ^W . ^{[ 5 ]} Wraz z ruchem względnym między dwiema powierzchniami styku i siłami ścinającymi działającymi na smar na powierzchniach, powstaje profil ciśnienia z powodu efektu klina (rysunek 2). Łożyska mikrohydrodynamiczne zmniejszają tarcie i zużycie między powierzchniami ślizgowymi. Smarowanie jest niezbędne, aby efekt łożyska mikrohydrodynamicznego stał się wpływowy, ponieważ powietrze ma bardzo niską lepkość w porównaniu ze smarami ciekłymi. Niesmarowane powierzchnie wymagają wysokich prędkości względnych, aby ten efekt łożyska stał się istotny.

Mikrowgłębienia zapewniają miejsce, w którym gromadzą się cząstki zanieczyszczeń, i zmniejszają związane z tym dodatkowe tarcie zanieczyszczeń w strefie kontaktu. Funkcja porów jako pułapek na zanieczyszczenia występuje zarówno w zastosowaniach smarowanych, jak i niesmarowanych, i stanowi główny pozytywny efekt teksturowania powierzchni w zastosowaniach niesmarowanych. ^{[ 4 ]}

Jeśli obszar styku z powierzchnią utraci smarowanie, mikrowgłębienia mogą zapewnić dodatkowy smar, który jest przyciągany do obszaru pozbawionego smaru poprzez działanie kapilarne ^{W. [ 4 ]} Wzorzysta geometria umożliwia tworzenie niezliczonych miniaturowych zbiorników smaru, zapewniając bezpośrednie i natychmiastowe uwolnienie smaru z obszarów pozbawionych smaru. Aby te zbiorniki mogły istnieć, geometria mikrostruktury wzoru musi być zamknięta , aby zapobiec wypychaniu smaru przez kanały. ^{[ 6 ]}

Tworzenie specyficznych mikrostruktur powierzchni o określonym wzorze można osiągnąć na wiele sposobów, na przykład poprzez obróbkę strumieniowo-ścierną, trawienie jonami reaktywnymi ^(W) i obróbkę ultradźwiękową ^(W) . Jednak technologia laserowa oferuje największą kontrolę i precyzję nad uzyskaną geometrią. Ponadto ablacja laserowa nie wykorzystuje odczynników chemicznych ani nie generuje znacznych ilości odpadów. Alternatywne metody teksturowania powierzchni opisano poniżej.

Aby wdrożyć laserowe teksturowanie powierzchni, należy rozważyć szereg decyzji technologicznych dotyczących sprzętu i zastosowania. Należą do nich charakterystyka lasera, zastosowanie skaningu lub wzorów interferencyjnych, geometria i częstotliwość porów oraz pełne lub częściowe teksturowanie powierzchni metodą laserową (LST).

Aby wytworzyć mikrostruktury powierzchni wzorcowej, używany laser musi być odpowiedni do materiału obrabianego przedmiotu i zdolny do jego stopienia lub ablacji. W praktyce, niektóre z głównych typów laserów wykorzystywanych w LST to laser Nd:YAG ^W , laser CO2 ^W oraz lasery ekscymerowe ^W. Lasery te są zazwyczaj impulsowe, często z wykorzystaniem układu Q-switching ^W , w celu wytworzenia jednego dołka na impuls. Dzięki wysokiej częstotliwości powtarzania (czas trwania impulsu od μs do fs) można wytworzyć tysiące dołków w bardzo krótkim czasie obróbki. Dzięki możliwym prędkościom znacznie przekraczającym 1000 mikrowgłębień na sekundę, LST można skalować do dużych obszarów. ^{[ 6 ]}

Lasery Nd:YAG i CO2 _są bardziej powszechne niż lasery ekscymerowe, ponieważ lasery ekscymerowe charakteryzują się stosunkowo niską szybkością ablacji i wymagają długiego czasu reakcji LST. Z drugiej strony, ze względu na niską ablacja laserów ekscymerowych, mogą być one używane do tworzenia mikrostruktur z precyzją rzędu mikrometrów. Lasery ekscymerowe są również często wykorzystywane w metodach litograficznych i procesach trawienia w celu tworzenia tekstur powierzchni.

W obróbce laserowej materiał jest usuwany poprzez ablację, topienie lub kombinację obu tych metod. Często w pobliżu ogniska lasera wprowadzany jest gaz pod wysokim ciśnieniem, który usuwa stopiony i sublimujący materiał. Szybkość cięcia i usuwania materiału zależy od mocy lasera, długości fali, czasu trwania impulsu oraz właściwości materiału obrabianego, takich jak absorpcja, przewodność cieplna i pojemność cieplna. Twardość materiału nie wpływa na szybkość cięcia laserowego, co sprawia, że ​​LST jest skuteczny w przypadku typowo trudnych materiałów, takich jak węgliki spiekane i ceramika.

Aby uzyskać wzorzyste mikrostruktury na powierzchni materiału, konieczne jest manipulowanie położeniem wiązki laserowej względem powierzchni. Istnieją trzy główne techniki sterowania ablacją laserową w celu uzyskania pożądanych wzorów: bezpośredni ruch wiązki, skanowanie oraz wykorzystanie wzorów interferencyjnych. Wybór techniki zależy od geometrii przedmiotu obrabianego, skali produkcji i budżetu.

Metoda bezpośredniej wiązki laserowej kieruje wiązkę lasera bezpośrednio na powierzchnię materiału. Głowica ablacyjna skupia wiązkę lasera, a linia gazu wysokociśnieniowego zdmuchuje stopiony i sublimujący materiał. Zmechanizowany system umożliwia kontrolowane przesuwanie przedmiotu obrabianego lub głowicy ablacyjnej. Poprzez manipulowanie względnym położeniem głowicy ablacyjnej i przedmiotu obrabianego, a także czasem trwania impulsu laserowego, można kontrolować częstotliwość zagłębień powierzchniowych.

Inną metodą sterowania wzorowaniem laserowym jest wykorzystanie systemu skanującego. Odbijając wiązkę laserową za pomocą szeregu zmotoryzowanych luster, można ją szybko przesunąć do pożądanej pozycji dla każdej tworzonej mikrownęki. Te zmotoryzowane lustra, zwykle nazywane galwanometrem lustrzanym W ^, mogą precyzyjnie i szybko kierować wiązkę laserową do pożądanego punktu styku. Aby zapewnić, że wiązka nie uderzy w powierzchnię pod kątem, stosuje się soczewkę o płaskim polu, która zapewnia prostopadłość wiązki i powierzchni w punkcie styku. ^{[ 6 ]}

Do tworzenia rowków wzorzystych i krzyżujących się można również wykorzystać wzory interferencji optycznej ^{W. [ 2 ]} Wzór interferencyjny pokrywa rozmiar średnicy wiązki i tworzy wiele mikrownęk jednocześnie. Gdy dwie wiązki interferują ze sobą, występuje interferencja konstruktywna i destruktywna, tworząc równoległe liniowe linie światła. Jeśli ten wzór światła laserowego zostanie skierowany na powierzchnię materiału przez określony czas, nastąpi ablacja i topienie, tworząc równoległe liniowe rowki. Okres liniowych rowków jest podany wzorem:

Gdzie: λ jest długością fali lasera, α jest kątem między wiązkami lasera. ^{[ 2 ]}

Aby utworzyć mikrostrukturę skrzyżowanych rowków, próbkę można naświetlić w jednym położeniu, aby utworzyć liniowe rowki, a następnie obrócić ją o 90° i ponownie wystawić na działanie światła, aby utworzyć skrzyżowane rowki.

Optymalny układ i geometria mikroporów dla uzyskania najlepszych właściwości tribologicznych zależą od kilku czynników zastosowania i nie są nauką ścisłą. W przypadku zagłębień w kształcie dołków stwierdzono, że dokładna geometria nie ma znaczenia w porównaniu ze stosunkiem średnicy porów do ich głębokości oraz powierzchnią zajmowaną przez pory. ^{[ 1 ]} Czynniki zastosowania wpływające na optymalny stosunek porów i powierzchnię zajmowaną przez pory obejmują:

• Nośność
• Ciśnienie
• Tworzywo
• Prędkość ślizgowa

Ogólnie rzecz biorąc, aktualne badania wskazują na optymalne pokrycie powierzchni porów wynoszące od 10% do 15%. ^{[ 7 ] , [ 8 ]} Ponadto, optymalna średnica porów w ogólnym przypadku wynosi około 10 μm. ^{[ 8 ]} Przy większych średnicach porów zmniejsza się luz filmu smarnego i obserwuje się gwałtowny wzrost tarcia.

W niektórych zastosowaniach wysokociśnieniowych metoda LST okazuje się najskuteczniejsza, gdy teksturowane są jedynie częściowe obszary powierzchni styku. ^{[ 9 ]} Teksturując jedynie część obszaru, można znacznie zwiększyć nośność między powierzchniami. ^{[ 9 ]} Na rysunku 3 pokazano pierścień tłokowy silnika z częściowym LST.

Teksturowanie powierzchni laserem polega na stopieniu, ablacji i wydmuchaniu materiału docelowego gazem pod wysokim ciśnieniem. Po zastosowaniu LST na powierzchni, nadmiar stopionych brzegów i żużla pozostaje na powierzchni jako artefakt obróbki laserowej. ^{[ 4 ]} Te brzegi stopionych brzegów i nadmiar zestalonego materiału należy usunąć poprzez polerowanie, aby uzyskać oczekiwaną geometrię powierzchni. Polerowanie można przeprowadzić za pomocą delikatnych materiałów ściernych i standardowych technik polerowania mechanicznego.

Powłoki można również nakładać po procesie LST w celu poprawy właściwości powierzchni. W celu poprawy niektórych właściwości powierzchni, takich jak twardość i odporność na zużycie, można nakładać warstwy z materiałów takich jak węgiel diamentowy ^W i stopy Ti. ^{[ 4 ]}

Teksturowanie powierzchni laserem ma wiele zalet, które mogą potencjalnie zaoszczędzić ogromne ilości energii i poprawić wydajność wielu układów mechanicznych. Najbardziej oczywistą korzyścią jest redukcja tarcia. Ponieważ dziedzina jest stosunkowo nowa, liczba zmiennych w zastosowaniu LST pozwala na szereg zgłaszanych redukcji tarcia. Aktualne badania wskazują na znaczną redukcję tarcia w zakresie 20% – 65%. ^{[ 2 ] , [ 6 ] , [ 10 ]} Dokładna redukcja tarcia zależy od wielu zmiennych, w tym nośności, geometrii mikroporów, prędkości i użytych materiałów. Ta redukcja tarcia jest prawdziwa zarówno w przypadku smarowania, jak i suchego, przy czym mniejsze redukcje tarcia stwierdzono w zastosowaniach bez smarowania (15%–40%). ^{[ 10 ]} Stałe środki smarne, takie jak MoS ₂ i grafit, mogą być również stosowane z powierzchniami LST i korzystać z redukcji tarcia. ^{[ 11 ]} Redukcja tarcia skutkuje kilkoma korzyściami. Po pierwsze, energia zaoszczędzona na utracie ciepła może obniżyć zapotrzebowanie energetyczne aplikacji. Po drugie, niższe tarcie generuje mniej ciepła, a zatem zmniejszają się naprężenia i odkształcenia termiczne na powierzchni. Wreszcie, niższe współczynniki tarcia zmniejszają tarcie, umożliwiając niektórym urządzeniom, takim jak MEMS ^W , wykorzystanie mniejszych sił do inicjowania ruchu. ^{[ 12 ]}

Kolejną korzyścią jest poprawa trwałości zmęczeniowej. Mikrowgłębienia działają jak pułapki na zanieczyszczenia, chroniąc małe luźne cząstki przed inicjowaniem mikropęknięć i uszkodzeń. Zaobserwowano, że trwałość zmęczeniowa elementu poddanego obróbce LST jest ponad trzykrotnie dłuższa niż w przypadku standardowego elementu. ^{[ 2 ] , [ 10 ]} Zużycie spowodowane powtarzającymi się małymi ruchami powierzchni, znane jako zużycie frettingowe ^, można znacznie zmniejszyć po zastosowaniu LST. Eksperymenty wykazały, że trwałość zmęczeniowa frettingowa podwaja się po zastosowaniu LST. ^{[ 13 ]}

Te imponujące wyniki zastosowania LST pokazują potencjał tej technologii. Prawie wszystkie systemy mechaniczne w jakiś sposób zwalczają tarcie, a zakres zastosowań LST stale rośnie.

Jako stosunkowo nowa dziedzina, LST znajduje się głównie na etapie badań i zastosowań na małą skalę. Obecnie istnieją pewne komercyjne zastosowania LST, takie jak planowane wykorzystanie LST w linii produkcyjnej silników samochodowych oraz zastosowanie LST w magnetycznych napędach magazynujących. ^{[ 6 ] , [ 14 ]} Ponadto istnieje kilka firm specjalizujących się w teksturowaniu części i uszczelnień. Trwają liczne badania dotyczące różnych zastosowań komercyjnych, w tym:

• Hydraulika ^{W [ 6 ]}
• Foki ^{[ 3 ]}
• Łożyska oporowe ^{W [ 3 ]}
• Urządzenia pamięci magnetycznej ^{[ 14 ]}
• Urządzenia MEMS ^{[ 12 ]}
• Silniki ^{[ 6 ] , [ 15 ]}
• Implantaty kostne i stomatologiczne z powierzchniami LST poprawiającymi osteointegrację ^{[ 16 ]}

Jak wspomniano powyżej, potencjał LST jest ogromny ze względu na dużą liczbę urządzeń generujących znaczne straty tarcia. Oto kilka pomysłów na przyszłe zastosowania LST:

• Łożyska liniowe, łożyska obrotowe
• Koło zamachowe ^W magazynowanie energii
• Zajęcia rekreacyjne i sportowe (narty, łyżwy, gry, sanki)
• Przyspieszenie pocisku przez rurę (np. wystrzelenie satelity ^{za pomocą} działa elektromagnetycznego/szynowego )

Aby podkreślić oszczędność energii dzięki zastosowaniu LST, można przeanalizować konkretny przykład. Pierścienie tłokowe ^W nadają się do zastosowania LST ze względu na znaczną powtarzalność względnego kontaktu pierścieni ze ścianką cylindra. W obliczeniach energii zastosowano następujące parametry konserwatywne:

• Laser CO2 _o mocy 5 kW
• 100 impulsów na sekundę, każdy impuls tworzy wrażenie wgłębienia
• Silnik 4-cylindrowy
• 3 pierścienie tłokowe na tłok
• Pierścienie tłokowe mają szerokość 2,5 mm i promień 100 mm, a zewnętrzna powierzchnia promieniowa jest teksturowana
• Kwadratowa matryca dołków z odstępem między dołkami 0,5 mm

Używając tych parametrów, energia zużyta przez działanie lasera do teksturowania wszystkich 12 pierścieni tłokowych jest równa 3,8 MJ . Aby zapewnić przybliżoną oszczędność energii dzięki temu zastosowaniu LST, można przeanalizować wyniki badania dotyczącego zastosowania LST w 4-cylindrowym silniku wysokoprężnym Forda Transita. ^{[ 15 ]} Badanie wykazało, że zużycie paliwa zmniejszyło się o około 4% przy użyciu pierścieni tłokowych LST w porównaniu ze standardowymi pierścieniami tłokowymi. Dla porównania, olej napędowy ma zawartość energetyczną 42 MJ/kg (około 80% zawartości energii można przekształcić w energię cieplną). ^{[ 17 ]} Ten przykład nie uwzględnia wielu innych małych strat energii, które powstałyby podczas stosowania LST, tylko zużytą energię lasera, niemniej jednak nadal pokazuje bardzo krótki okres zwrotu energii.

Ulepszenia tribologiczne związane z teksturowaniem powierzchni można uzyskać również za pomocą innych technik teksturowania niż LST. Chociaż lasery oferują niezrównaną precyzję i kontrolę, w zastosowaniach teksturowania powierzchni wykorzystuje się i bada następujące techniki: ^{[ 3 ]}

• Obróbka strumieniowo-ścierna
• Obróbka elektroerozyjna ^W
• Teksturowanie wiązką jonów ^W
• Wibrowalcowanie
• Trawienie jonami reaktywnymi ^W