Laser surface texturing/sl

Podatki o lokaciji

Zemljevid	Loading map... +− Letak | © Sodelavci OpenStreetMap
Lokacija	Kingston , Kanada
Koordinate	44° 13' 50,47" S, 76° 28' 52,76" Z

Lasersko teksturiranje površin (LST) je postopek površinskega inženirstva, ki se uporablja za izboljšanje triboloških ^lastnosti materialov. Uporaba laserja ^W za ustvarjanje vzorčenih mikrostruktur ^W na površini materialov lahko izboljša nosilnost, stopnje obrabe, življenjsko dobo mazanja in zmanjša koeficiente trenja. Uporaba površinskih nepravilnosti za izboljšanje triboloških lastnosti se je prvič obravnavala v šestdesetih letih prejšnjega stoletja in se uporablja v več proizvodnih tehnikah. ^{[ 1 ]} Medtem ko se inženirstvo površinskih tekstur preučuje že vrsto let, se je uporaba lasersko vzorčenih površinskih mikrostruktur za tribološke izboljšave pojavila v devetdesetih letih prejšnjega stoletja in še naprej doživlja pomemben tehnološki napredek. Laserji ponujajo neprimerljiv nadzor nad površinsko mikrostrukturo in nizek vpliv na okolje v primerjavi z drugimi postopki jedkanja površin. ^{[ 2 ]} Glede na to, da trenje ^W povzroča neizogibne izgube in obrabo v neštetih procesih in napravah, so možnosti za izboljšanje učinkovitosti in življenjske dobe s tehnologijami LST obsežne. Prav tako LST ponuja možnosti za premagovanje trenja ^{W ,} na primer v mikroelektromehanskih sistemih ^{W. [ 3} ]

Osnovna temeljna načela

LST je postopek obdelave materialov, ki se uporablja za ustvarjanje vzorčastih mikrostruktur na kontaktni površini obdelovanca. Čeprav se lahko uporabijo različni vzorci, so najpogostejše mikrostrukture linearni utori, prekrižani utori in krožne vdolbine, podobne jamicam (slika 1). Te mikrostrukture delujejo tako, da na več načinov izboljšajo tribološke lastnosti. Spodaj navedeni učinki delujejo v različnih obsegih, odvisno od več lastnosti, specifičnih za uporabo (viskoznost maziva ^W , geometrija mikropor, relativna kontaktna hitrost, obremenitveni tlak itd.). ^{[ 4 ]}

mikrohidrodinamične ležaje

Vsaka mikro votlina, pa naj bo to utor ali vdolbina, deluje kot miniaturni hidrodinamični ležaj ^W med relativnim gibanjem med dvema kontaktnima površinama. ^{[ 1 ]} Ta hidrodinamični učinek je posledica gradienta tlaka, ki nastane v vsaki pori, kar je mogoče modelirati z uporabo Reynoldsove povprečene Navier-Stokesove enačbe ^{W. [ 5} ] Z relativnim gibanjem med dvema kontaktnima površinama in strižnimi silami ^, ki delujejo na mazivo na površinah, se zaradi klinastega učinka ustvari profil tlaka (slika 2). Mikrohidrodinamični ležaji zmanjšajo trenje in obrabo med drsnimi površinami. Mazanje je potrebno, da postane učinek mikrohidrodinamičnega ležaja pomemben, saj ima zrak zelo nizko viskoznost v primerjavi s tekočimi mazivi. Nemazane površine so za ta učinek ležaja potrebovale visoke relativne hitrosti.

pasti za odpadke

Mikro votline zagotavljajo prostor, v katerega se delci odpadkov prilegajo, in zmanjšujejo s tem povezano dodatno trenje odpadkov v kontaktnem območju. Funkcija por kot lovilcev odpadkov se pojavlja tako v mazanih kot nemazanih aplikacijah in je glavni pozitivni učinek teksturiranja površine pri nemazanih aplikacijah. ^{[ 4 ]}

rezervoarje za maziva

Če območje stika s površino izgubi mazanje, lahko mikro votline zagotovijo dodatno mazivo, ki se s kapilarnim delovanjem ^W privleče na območje, ki ga primanjkuje maziva . ^{[ 4 ]} Vzorec geometrije omogoča nešteto miniaturnih rezervoarjev za mazivo, kar zagotavlja neposredno in takojšnjo olajšanje maziva za območja, ki ga primanjkuje maziva. Da bi ti rezervoarji obstajali, morajo biti geometrije vzorca mikrostrukture zaprte, da se prepreči iztiskanje maziva skozi kanale. ^{[ 6 ]}

Uporaba tehnologije

Ustvarjanje specifičnih vzorčastih površinskih mikrostruktur je mogoče doseči na več načinov, na primer z abrazivnim peskanjem, reaktivnim ionskim jedkanjem ^W in ultrazvočno obdelavo ^W. Vendar pa laserska tehnologija ponuja največji nadzor in natančnost nad izdelano geometrijo. Prav tako laserska ablacija ne uporablja kemičnih reagentov ali proizvaja znatnih odpadkov. Za alternativne metode teksturiranja površin glejte spodnji razdelek.

Za izvedbo laserskega teksturiranja površin je treba upoštevati več tehnoloških odločitev glede opreme in uporabe. Te vključujejo laserske lastnosti, uporabo skenirajočih ali interferenčnih vzorcev, geometrijo in frekvenco por ter popolno ali delno lasersko teksturiranje (LST).

Laserji

Za izdelavo mikrostruktur vzorčnih površin mora biti uporabljeni laser primeren za material obdelovanca in sposoben taljenja ali ablacije materiala. V praksi so nekatere glavne vrste laserjev, ki se uporabljajo pri LST, Nd:YAG laser ^W , ogljikov dioksidni laser ^W in eksimerni laserji ^W. Laserji običajno pulzirajo, pogosto z uporabo Q-preklapljanja ^W , da ustvarijo eno vdolbino na impulz. Z visokimi hitrostmi ponovitve (trajanje impulzov od μs do fs) je mogoče v zelo kratkih časih obdelave ustvariti na tisoče vdolbin. Z možnimi hitrostmi, ki znašajo precej več kot 1000 ustvarjenih mikro vdolbin na sekundo, je mogoče LST razširiti na velika območja. ^{[ 6 ]}

Nd:YAG in CO2 _sta pogostejša kot eksimerni laserji, saj imajo eksimerni laserji relativno nizke stopnje ablacije in LST traja predolgo. Po drugi strani pa se zaradi nizkega števila eksimernih laserjev lahko uporabljajo za ustvarjanje mikrostruktur z mikrometrsko natančnostjo. Poleg tega se eksimerni laserji pogosto uporabljajo z litografskimi metodami in postopki jedkanja za ustvarjanje površinskih tekstur.

Pri laserski obdelavi se material odstrani z ablacijo, taljenjem ali kombinacijo obojega. Pogosto se poleg laserske žariščne točke uvede visokotlačni plin, ki odpihne staljeni in sublimirani material. Hitrost rezanja in odstranjevanja je odvisna od moči laserja, valovne dolžine, trajanja impulza in lastnosti materiala obdelovanca; značilnosti, kot so absorpcija, toplotna prevodnost in toplotna kapaciteta. Trdota materiala ne vpliva na hitrost laserskega rezanja, zaradi česar je LST učinkovit pri običajno težko obdelovanih snoveh, kot so karbidi in keramika.

vzorec neposrednega žarka, skeniranja in interferenčnih vzorcev

Za izdelavo vzorčastih mikrostruktur na površini materiala je treba manipulirati s položajem laserskega žarka glede na površino. Obstajajo tri glavne tehnike za nadzor laserske ablacije za ustvarjanje želenih vzorcev: neposredno gibanje žarka, skeniranje in uporaba interferenčnih vzorcev. Uporabljena tehnika je odvisna od geometrije obdelovanca, obsega proizvodnje in proračuna.

Direct Beam

Metodologija neposrednega žarka laserski žarek usmeri neposredno na površino materiala. Ablacijska glava fokusira laser, visokotlačni plinski vod pa odpihuje staljeni in sublimirani material. Mehaniziran sistem omogoča nadzorovano premikanje obdelovanca ali ablacijske glave. Z manipulacijo relativnega položaja ablacijske glave in obdelovanca ter trajanja laserskega impulza je mogoče nadzorovati pogostost površinskih vdolbin.

Skeniranje

Druga metoda za nadzor laserskega oblikovanja vzorcev je uporaba sistema za skeniranje. Z odbojem laserskega žarka z vrsto motoriziranih ogledal se lahko laserski žarek hitro premakne na želeni položaj za vsako ustvarjeno mikro votlino. Ta motorizirana ogledala, običajno imenovana zrcalni galvanometer ^W , lahko natančno in hitro usmerijo laserski žarek na želeno kontaktno točko. Da se zagotovi, da žarek ne udari v površino pod kotom, se uporabi leča z ravnim poljem, ki zagotavlja, da sta žarek in površina pravokotna na kontaktni točki. ^{[ 6 ]}

vzorce interference

Za ustvarjanje vzorčastih utorov in prekrižanih utorov se lahko uporabijo tudi optični interferenčni vzorci ^{W. [ 2 ]} Interferenčni vzorec pokriva velikost premera žarka in hkrati ustvari veliko mikrovotlin. Ko se dva žarka medsebojno interferirata, pride do konstruktivne in destruktivne interference, ki ustvarjata vzporedne linearne svetlobne črte. Če je ta vzorec laserske svetlobe usmerjen na površino materiala za določen čas, pride do ablacije in taljenja, kar ustvari vzporedne linearne utore. Perioda linearnih utorov je podana s formulo:

Kjer je: λ valovna dolžina laserja, α kot med laserskimi žarki. ^{[ 2 ]}

Za ustvarjanje mikrostrukture s prečnimi utori lahko vzorec osvetlimo v eni orientaciji, da ustvarimo linearne utore, nato pa ga zasukamo za 90° in ponovno izpostavimo svetlobi, da ustvarimo prečne utore.

Geometrija, velikost in frekvenca por

Optimalno vzorčenje in geometrija mikropor za najboljše tribološke lastnosti sta odvisna od več dejavnikov uporabe in nista eksaktna znanost. Pri vdolbinah, podobnih jamicam, se ugotovi, da natančna geometrija ni pomembna v primerjavi z razmerjem med premerom in globino por ter površinskim deležem, ki ga pore pokrivajo. ^{[ 1 ]} Dejavniki uporabe, ki vplivajo na optimalno razmerje por in površinski delež, vključujejo:

• Nosilnost
• Tlak
• Material
• Drsna hitrost

Na splošno trenutne študije poročajo o optimalni pokritosti površine por med 10 % in 15 %. ^{[ 7 ] , [ 8 ]} Prav tako je optimalni premer por v splošnem primeru okoli 10 μm. ^{[ 8 ]} Pri večjih premerih por se čistost mazalnega filma zmanjša in trenje se močno poveča.

Pri nekaterih visokotlačnih aplikacijah se je izkazalo, da je LST najučinkovitejši, kadar so teksturirani le delni deli kontaktne površine. ^{[ 9 ]} Z teksturiranjem le delnega območja je lahko nosilnost med površinama veliko večja. ^{[ 9 ]} Slika batnega obroča motorja z delnim LST je prikazana na sliki 3.

Zaključni postopki

Lasersko teksturiranje površine temelji na talitvi, ablaciji in odstranjevanju ciljnega materiala z visokotlačnim plinom. Po nanosu LST na površino so na površini prisotni odvečni robovi taline in žlindra kot artefakti laserske obdelave. ^{[ 4 ]} Te robove taline in odvečni strjeni material je treba odstraniti s poliranjem, da bi predvidena geometrija površine delovala po pričakovanjih. To poliranje se lahko izvede z nežnimi abrazivi in ​​standardnimi mehanskimi tehnikami poliranja.

Premazi se lahko nanesejo tudi po LST za izboljšanje površinskih lastnosti. Za izboljšanje določenih površinskih lastnosti, kot sta trdota in obraba, se lahko nanesejo filmi materialov, kot sta diamantu podoben ogljik ^W in zlitine Ti. ^{[ 4 ]}

ugodnosti

Lasersko teksturiranje površin ima številne prednosti, ki bi lahko prihranile ogromne količine energije in izboljšale učinkovitost številnih mehanskih sistemov. Najbolj očitna prednost je zmanjšanje trenja. Ker je področje relativno novo, število spremenljivk v aplikaciji LST omogoča vrsto poročanih zmanjšanj trenja. Trenutne študije kažejo na znatno zmanjšanje trenja v območju od 20 % do 65 %. ^{[ 2 ] , [ 6 ] , [ 10 ]} Natančno zmanjšanje trenja je odvisno od številnih spremenljivk, vključno z nosilnostjo, geometrijo mikropor, hitrostjo in uporabljenimi materiali. To zmanjšanje trenja velja tako za mazane kot za suhe primere, pri čemer so manjša zmanjšanja trenja ugotovljena pri aplikacijah brez mazanja (15 %–40 %). ^{[ 10 ]} Tudi trdna maziva, kot sta MoS2 _in grafit, se lahko uporabljajo s površinami LST in imajo koristi od zmanjšanja trenja. ^{[ 11 ]} Zmanjšanje trenja ima več prednosti. Prvič, energija, prihranjena zaradi izgube toplote, lahko zmanjša energijske potrebe aplikacije. Drugič, manjše trenje proizvaja manj toplote, zato se zmanjšajo toplotne napetosti in deformacije na površini. Končno, nižji koeficienti trenja zmanjšajo trenje, kar omogoča nekaterim napravam, kot je MEMS ^W , da za začetek gibanja uporabljajo manjše sile. ^{[ 12 ]}

Druga prednost je izboljšanje utrujenostne dobe. Mikro votline delujejo kot lovilci delcev, ki preprečujejo nastanek mikrorazpok in poškodb majhnih ohlapnih delcev. Ugotovljeno je bilo, da se življenjska doba komponente, obdelane z LST, izboljša do trikrat v primerjavi s standardno komponento. ^{[ 2 ] , [ 10 ]} Obraba, ki jo povzročajo ponavljajoči se majhni površinski premiki, znana kot obraba zaradi frettinga ^W , se lahko znatno zmanjša z uporabo LST. Poskusi so pokazali, da se je utrujenostna doba zaradi frettinga z uporabo LST podvojila. ^{[ 13 ]}

Ti impresivni rezultati uporabe LST kažejo na potencial, ki se skriva v tej tehnologiji. Skoraj vsi mehanski sistemi se na tak ali drugačen način borijo proti trenju, aplikacije za LST pa se nenehno širijo.

aplikacije

Trenutna

Ker je LST relativno novo področje, je predvsem v fazi raziskav in uporabe v majhnem obsegu. Trenutno obstajajo nekatere komercialne aplikacije LST, kot je načrtovana uporaba LST v proizvodni liniji za avtomobilske motorje in uporaba LST v magnetnih pogonih za shranjevanje. ^{[ 6 ] , [ 14 ]} Obstaja tudi več specializiranih podjetij, ki se ukvarjajo s teksturiranjem dobavljenih delov in tesnil. V teku je veliko raziskav, ki vključujejo različne aplikacije za komercialno uporabo, vključno z:

• Hidravlika ^{W [ 6 ]}
• Tesnila ^{[ 3 ]}
• Aksialni ležaji ^{W [ 3 ]}
• Magnetne naprave za shranjevanje ^{[ 14 ]}
• MEMS naprave ^{[ 12 ]}
• Motorji ^{[ 6 ] , [ 15 ]}
• Kostni in zobni vsadki z LST površinami za izboljšanje osteointegracije ^{[ 16 ]}

Ideje za prihodnje aplikacije

Kot je navedeno zgoraj, je potencial za LST ogromen zaradi količine naprav, ki povzročajo znatne izgube zaradi trenja. Nekatere ideje za prihodnje aplikacije LST vključujejo:

• Linearni ležaji, rotacijski ležaji
• Shranjevanje energije vztrajnika ^W
• Rekreacijske dejavnosti in šport (smuči, drsalke, igre, sani)
• Pospešek izstrelka skozi cev (npr. izstrelitev satelita z elektromagnetnim/tirnim topom ^{W )}

Primer primera -

Da bi poudarili prihranek energije z uporabo LST, lahko preučimo konkreten primer. Batni obročki ^W so primerni za uporabo LST zaradi znatnega ponavljajočega se relativnega stika med obročki in steno valja. Pri tem izračunu energije so bili uporabljeni naslednji konzervativni parametri:

• 5 kW CO2 _laser
• 100 impulzov/sekundo, vsak impulz ustvari vtis, podoben jamici
• 4-valjni motor
• 3 batni obročki na bat
• Batni obročki so široki 2,5 mm, s polmerom 100 mm, zunanja radialna površina pa je teksturirana
• Kvadratna matrika jamic z razmikom 0,5 mm med jamicami

Z uporabo teh parametrov znaša energija, ki jo lasersko delovanje porabi za teksturiranje vseh 12 batnih obročev, 3,8 MJ . Za približek prihranjene energije s to uporabo LST lahko preučimo rezultate študije, ki je vključevala uporabo LST na 4-valjnem dizelskem motorju Ford Transit. ^{[ 15 ]} Študija je pokazala, da se je poraba goriva pri uporabi batnih obročev LST v primerjavi s standardnimi batnimi obroči zmanjšala za približno 4 %. Za primerjavo teh številk ima dizelsko gorivo energijsko vsebnost 42 MJ/kg (približno 80 % energijske vsebnosti se lahko pretvori v toplotno energijo). ^{[ 17 ]} Ta primer ne upošteva številnih drugih majhnih izgub energije, ki bi nastale med uporabo LST, temveč le porabljeno lasersko energijo, vendar še vedno kaže na zelo kratko dobo povračila energije.

Alternativne metode teksturiranja površin

Tribološke izboljšave, povezane s teksturiranjem površin, je mogoče doseči tudi z drugimi tehnikami teksturiranja namesto z LST. Čeprav laserji ponujajo neprekosljivo natančnost in nadzor, se za teksturiranje površin uporabljajo in preučujejo naslednje tehnike: ^{[ 3 ]}

• Obdelava z abrazivnim curkom
• Elektroerozijska obdelava ^W
• Teksturiranje z ionskim žarkom ^W
• Vibriranje
• Reaktivno ionsko jedkanje ^W

uredi