Laser surface texturing/tr

Konum verileri

Harita	Harita yükleniyor... +− Broşür | © OpenStreetMap katılımcıları
Konum	Kingston , Kanada
Koordinatlar	44° 13' 50.47" K, 76° 28' 52.76" B

Lazer yüzey dokulandırma (LST) , malzemelerin tribolojik ^W özelliklerini iyileştirmek için kullanılan bir yüzey mühendisliği işlemidir . Malzemelerin yüzeyinde desenli mikro yapılar ^W oluşturmak için bir lazer ^W kullanılması , yük kapasitesini, aşınma oranlarını, yağlama ömrünü iyileştirebilir ve sürtünme katsayılarını azaltabilir. Tribolojik özellikleri iyileştirmek için yüzey düzensizliklerinin kullanımı ilk olarak 1960'larda tartışılmış ve çeşitli üretim tekniklerinde uygulanmıştır. ^{[ 1 ]} Yüzey doku mühendisliği uzun yıllardır incelenirken, tribolojik iyileştirmeler için lazer desenli yüzey mikro yapılarının kullanımı 1990'larda ortaya çıkmıştır ve önemli teknolojik gelişmelerden geçmeye devam etmektedir. Lazerler, diğer yüzey aşındırma işlemlerine kıyasla yüzey mikro yapısının benzersiz kontrolünü ve düşük çevresel etkiyi sunar. ^{[ 2 ]} Sürtünmenin ^W sayısız işlem ve cihazda kaçınılmaz kayıplara ve aşınmaya neden olduğu göz önüne alındığında, LST teknolojileriyle verimliliği ve kullanım ömrünü iyileştirme fırsatları oldukça fazladır. Ayrıca LST, örneğin mikroelektromekanik sistemlerde ^{W yapışma W'nun} üstesinden gelme olanakları sunar . ^{[ 3 ]}

Temel Temel İlkeler

LST, iş parçasının temas yüzeyinde desenli mikro yapılar oluşturmak için kullanılan bir malzeme işlemidir. Farklı desenler kullanılabilmekle birlikte, yaygın mikro yapılar doğrusal oluklar, çapraz oluklar ve dairesel çukur benzeri çöküntülerdir (Şekil 1). Bu mikro yapılar, tribolojik özellikleri çeşitli şekillerde iyileştirme işlevi görür. Aşağıda listelenen etkiler, uygulamaya özgü çeşitli özelliklere (yağlayıcı viskozitesi ^W , mikro gözenek geometrisi, bağıl temas hızı, yük basıncı vb.) bağlı olarak farklı büyüklüklerde etki eder. ^{[ 4 ]}

Mikrohidrodinamik Yataklar

Her mikro boşluk, ister bir oluk ister çukur olsun, iki temas yüzeyi arasındaki bağıl hareket sırasında minyatür bir hidrodinamik ^{W yatağı gibi davranır. [ 1 ]} Bu hidrodinamik etki, Reynold'un ortalama Navier-Stokes denklemi ^W kullanılarak modellenebilen her gözenekte oluşan basınç gradyanının bir sonucudur . ^{[ 5 ]} İki temas yüzeyi arasındaki bağıl hareket ve yüzeylerdeki yağlayıcıya etki eden kesme kuvvetleri ile kama etkisi nedeniyle bir basınç profili oluşturulur (Şekil 2). Mikrohidrodinamik yataklar, kayan yüzeyler arasındaki sürtünmeyi ve aşınmayı azaltır. Mikrohidrodinamik yatak etkisinin etkili olması için yağlama gereklidir, çünkü havanın sıvı yağlayıcılara göre çok düşük bir viskozitesi vardır. Yağlanmamış yüzeyler, bu yatak etkisinin önemli hale gelmesi için yüksek bağıl hızlar gerektirir.

Enkaz Tuzakları

Mikro boşluklar, döküntü parçacıklarının sığabileceği bir havuz görevi görür ve temas bölgesindeki döküntülerin neden olduğu ek sürtünmeyi azaltır. Gözeneklerin döküntü tutucu işlevi hem yağlanmış hem de yağlanmamış uygulamalarda görülür ve yağlanmamış uygulamalar için yüzey dokulandırmanın temel olumlu etkisidir. ^{[ 4 ]}

Yağlayıcı Rezervuarları

Yüzey temas alanı yağlama özelliğini kaybederse, mikro boşluklar kılcal etki ^W aracılığıyla yağsız bölgeye çekilen ek yağlayıcı sağlayabilir . ^{[ 4 ]} Desenli geometri, yağsız bölgeler için doğrudan ve anında yağlayıcı rahatlaması sağlayan sayısız minyatür yağlayıcı rezervuarına olanak tanır. Bu rezervuarların var olabilmesi için, yağlayıcının kanallardan dışarı zorlanmasını önlemek amacıyla desen mikro yapısının geometrilerinin kapalı olması gerekir. ^{[ 6 ]}

Teknolojinin Uygulanması

Belirli desenli yüzey mikro yapılarının oluşturulması, aşındırıcı püskürtme, reaktif iyon aşındırma ^(W ) ve ultrasonik ^W işleme gibi birçok yöntemle gerçekleştirilebilir. Ancak, lazer teknolojisi üretilen geometri üzerinde en fazla kontrol ve hassasiyeti sunar. Ayrıca, lazer ablasyon kimyasal reaktifler kullanmaz veya önemli miktarda atık üretmez. Alternatif yüzey dokulandırma yöntemleri için aşağıdaki bölüme bakın.

Lazer yüzey dokulandırmayı uygulamak için, ekipman ve uygulama ile ilgili çeşitli teknolojik kararların dikkate alınması gerekir. Bunlar arasında lazer özellikleri, tarama veya girişim desenlerinin kullanımı, gözenek geometrisi ve frekansı ve tam veya kısmi LST yer alır.

Lazerler

Desen yüzey mikro yapıları üretmek için kullanılan lazerin iş parçası malzemesine uygun olması ve malzemeyi eritme veya aşındırma yeteneğine sahip olması gerekir. Pratikte, LST'de kullanılan başlıca lazer türlerinden bazıları Nd: YAG lazer ^W , karbondioksit lazer ^W ve excimer ^W lazerlerdir. Lazerler genellikle darbeli olup, darbe başına bir çukur oluşturmak için çoğunlukla Q-anahtarlama düzeneği ^W kullanılır . Yüksek tekrarlama hızlarıyla (μs ila fs darbe süreleri), çok kısa işlem sürelerinde binlerce çukur oluşturulabilir. Saniyede 1000'in üzerinde mikro boşluk üretme olasılığıyla, LST geniş alanlara ölçeklenebilir. ^{[ 6 ]}

Nd: YAG ve CO2 _, eksimer lazerlerden daha yaygındır, çünkü eksimer lazerler nispeten düşük ablasyon oranlarına sahiptir ve LST için çok fazla zaman alır. Öte yandan, eksimer lazerlerin düşük ablasyon hızları nedeniyle, mikrometre hassasiyetinde mikro yapılar oluşturmak için kullanılabilirler. Ayrıca, eksimer lazerler genellikle litografi yöntemleri ve aşındırma prosedürleriyle birlikte yüzey dokuları oluşturmak için kullanılır.

Lazer işlemede, malzeme aşındırma, eritme veya her ikisinin bir kombinasyonu yoluyla çıkarılır. Genellikle, lazer odak noktasının yanına yüksek basınçlı bir gaz verilerek erimiş ve süblimleşmiş malzeme parçalanır. Kesme ve çıkarma oranları, lazer gücüne, dalga boyuna, darbe süresine ve iş parçasının malzeme özelliklerine (emilim, ısıl iletkenlik ve ısıl kapasite gibi) bağlıdır. Malzemenin sertliği lazer kesim oranını etkilemez, bu da LST'yi karbürler ve seramikler gibi genellikle zorlu maddeler üzerinde etkili kılar.

Doğrudan Işın, Tarama ve Girişim Desenleri

Malzeme yüzeyinde desenli mikro yapılar oluşturmak için, lazer ışınının yüzeye göre konumunun ayarlanması gerekir. İstenilen desenleri oluşturmak için lazer ablasyonunu kontrol etmenin üç ana tekniği vardır: Doğrudan ışın hareketi, tarama ve girişim desenlerinin kullanımı. Kullanılacak teknik, iş parçasının geometrisine, üretim ölçeğine ve bütçeye bağlıdır.

Doğrudan Işın

Doğrudan ışın yöntemi, lazer ışınını doğrudan malzemenin yüzeyine uygular. Bir ablasyon başlığı lazeri odaklar ve yüksek basınçlı bir gaz hattı erimiş ve süblimleşmiş malzemeyi üfler. Mekanize bir sistem, iş parçasının veya ablasyon başlığının kontrollü adımlarla hareket ettirilmesini sağlar. Ablasyon başlığının ve iş parçasının göreceli konumu ve lazerin darbe süresi değiştirilerek, yüzey çöküntülerinin sıklığı kontrol edilebilir.

Tarama

Lazer desenlemesini kontrol etmenin bir diğer yöntemi de tarama sistemi kullanmaktır. Lazer ışınını bir dizi motorlu aynayla yansıtarak, lazer ışını oluşturulacak her mikro boşluk için istenen konuma hızla hareket ettirilebilir. Genellikle ayna galvanometresi ^W olarak adlandırılan bu motorlu aynalar, lazer ışınını istenen temas noktasına hassas ve hızlı bir şekilde yönlendirebilir. Işının yüzeye açılı olarak çarpmamasını sağlamak için, ışın ve yüzeyin temas noktasında dik olduğundan emin olmak üzere düz alanlı bir mercek kullanılır. ^{[ 6 ]}

Girişim Desenleri

Desenli ve çapraz oluklar oluşturmak için optik girişim ^W desenleri de kullanılabilir. ^{[ 2 ]} Girişim deseni, ışın çapının boyutunu kaplar ve aynı anda birçok mikro boşluk oluşturur. İki ışın birbiriyle girişim yaptığında, yapıcı ve yıkıcı girişim meydana gelerek paralel doğrusal ışık çizgileri oluşturur. Bu lazer ışığı deseni belirli bir süre boyunca bir malzemenin yüzeyine yönlendirilirse, aşınma ve erime meydana gelerek paralel doğrusal oluklar oluşturur. Doğrusal olukların periyodu şu formülle bulunur:

Burada: λ lazer dalga boyudur, α lazer ışınları arasındaki açıdır. ^{[ 2 ]}

Çapraz oluk mikro yapısı oluşturmak için, numune doğrusal oluklar oluşturmak üzere bir yönelimde açığa çıkarılabilir ve daha sonra 90° döndürülerek tekrar ışığa maruz bırakılarak çapraz oluklar oluşturulabilir.

Gözenek Geometrisi, Boyutu ve Frekansı

En iyi tribolojik özellikler için mikro gözeneklerin optimum desenlenmesi ve geometrisi, çeşitli uygulama faktörlerine bağlıdır ve kesin bir bilim değildir. Çukur benzeri çöküntülerde, gözenek çapı ile derinliği arasındaki orana ve gözeneklerin kapladığı alan oranına kıyasla kesin geometrinin önemli olmadığı görülmüştür. ^{[ 1 ]} Optimum gözenek oranını ve alan oranını etkileyen uygulama faktörleri şunlardır:

• Yük kapasitesi
• Basınç
• Malzeme
• Kayan Hız

Genel olarak, mevcut çalışmalar %10 ile %15 arasında optimum gözenek alanı kapsamı bildirmektedir. ^{[ 7 ] , [ 8 ]} Ayrıca, genel durumda optimum gözenek çapı yaklaşık 10 μm'dir. ^{[ 8 ]} Daha büyük gözenek çaplarında, yağlama filmi boşluğu düşer ve sürtünmede keskin bir artış bulunur.

Bazı yüksek basınç uygulamalarında, LST'nin yalnızca temas yüzeyinin kısmi alanlarına doku kazandırıldığında en etkili olduğu bulunmuştur. ^{[ 9 ]} Yalnızca kısmi bir alana doku kazandırılarak, yüzeyler arasındaki yük kapasitesi çok daha yüksek olabilir. ^{[ 9 ]} Kısmi LST'li bir motor piston segmanının görüntüsü Şekil 3'te gösterilmiştir.

Bitirme Prosedürleri

Lazer yüzey dokulandırma, hedef malzemenin yüksek basınçlı gazla eritilmesine, aşındırılmasına ve üflenerek uzaklaştırılmasına dayanır. LST bir yüzeye uygulandıktan sonra, lazer işleminin bir sonucu olarak yüzeyde fazla eriyik çıkıntılar ve cüruf kalır. ^{[ 4 ]} Amaçlanan yüzey geometrisinin beklendiği gibi çalışması için bu eriyik çıkıntıların ve fazla katılaşmış malzemenin parlatma yoluyla uzaklaştırılması gerekir. Bu parlatma, nazik aşındırıcılar ve standart mekanik parlatma teknikleriyle yapılabilir.

LST'den sonra yüzey özelliklerini iyileştirmek için kaplamalar da uygulanabilir. Elmas benzeri karbon ^W ve Ti alaşımları gibi malzemelerin filmleri, sertlik ve aşınma gibi belirli yüzey özelliklerini iyileştirmek için uygulanabilir. ^{[ 4 ]}

Faydalar

Lazer yüzey dokulandırmanın, muazzam miktarda enerji tasarrufu sağlayabilecek ve birçok mekanik sistemin verimliliğini artırabilecek birçok faydası vardır. En belirgin faydası sürtünmenin azalmasıdır. Bu alan nispeten yeni olduğundan, bir LST uygulamasındaki değişkenlerin sayısı, bildirilen bir dizi sürtünme azaltımına olanak tanır. Mevcut çalışmalar, %20 - %65 aralığında önemli bir sürtünme azaltımı olduğunu göstermektedir. ^{[ 2 ] , [ 6 ] , [ 10 ]} Sürtünmedeki kesin azalma, yük kapasitesi, mikro gözenek geometrisi, hız ve kullanılan malzemeler dahil olmak üzere bir dizi değişkene bağlıdır. Bu sürtünme azalması hem yağlanmış hem de kuru durumlar için geçerlidir; yağlamasız uygulamalarda daha düşük sürtünme azalmaları bulunur (%15-%40). ^{[ 10 ]} _MoS2 ve grafit gibi katı yağlayıcılar da LST yüzeylerinde kullanılabilir ve sürtünme azalmasından faydalanır. ^{[ 11 ]} Sürtünmenin azalması çeşitli faydalar sağlar. İlk olarak, ısıya kaybolmaktan tasarruf edilen enerji, uygulamanın enerji taleplerini düşürebilir. İkinci olarak, daha düşük sürtünme daha az ısı üretir ve bu nedenle yüzeydeki termal gerilimler ve zorlanmalar azalır. Son olarak, daha düşük sürtünme katsayıları yapışmayı azaltır ve MEMS ^W gibi bazı cihazların hareketi başlatmak için daha düşük kuvvetler kullanmasına olanak tanır. ^{[ 12 ]}

Bir diğer fayda ise yorulma ömrünün iyileştirilmesidir. Mikro boşluklar, döküntü tutucu görevi görerek küçük, gevşek parçacıkların mikro çatlaklar ve hasar başlatmasını önler. LST uygulanan bir bileşenin aşınma ömrünün, standart bir bileşene kıyasla üç kata kadar daha uzun olduğu gözlemlenmiştir. ^{[ 2 ] , [ 10 ]} Tekrarlanan küçük yüzey hareketlerinden kaynaklanan ve sürtünme aşınması olarak bilinen aşınma ^, LST uygulandığında önemli ölçüde azaltılabilir. Deneyler, sürtünme aşınması ömrünün LST uygulamasıyla iki katına çıktığını göstermiştir. ^{[ 13 ]}

LST uygulamasından elde edilen bu etkileyici sonuçlar, bu teknolojinin sahip olduğu potansiyeli göstermektedir. Neredeyse tüm mekanik sistemler sürtünmeyle bir şekilde mücadele eder ve LST'nin uygulama alanları sürekli genişlemektedir.

Uygulamalar

Mevcut

Nispeten yeni bir alan olan LST, esas olarak araştırma ve küçük ölçekli uygulama aşamasındadır. Şu anda, bir otomobil motoru üretim hattında LST'nin planlı kullanımı ve manyetik depolama sürücülerinde LST kullanımı gibi bazı ticari LST uygulamaları mevcuttur. ^{[ 6 ] , [ 14 ]} Ayrıca, doku sağlayan parça ve contaları üretecek birkaç özel şirket de mevcuttur. Ticari kullanım için farklı uygulamaları içeren birçok araştırma devam etmektedir:

• Hidrolik ^{W [ 6 ]}
• Mühürler ^{[ 3 ]}
• İtme yatakları ^{W [ 3 ]}
• Manyetik depolama aygıtları ^{[ 14 ]}
• MEMS cihazları ^{[ 12 ]}
• Motorlar ^{[ 6 ] , [ 15 ]}
• Osseointegrasyonu iyileştirmek için LST yüzeyli kemik ve diş implantları ^{[ 16 ]}

Gelecekteki Uygulamalar için Fikirler

Yukarıda belirtildiği gibi, sürtünme nedeniyle önemli kayıplara uğrayan cihaz sayısı nedeniyle LST'nin potansiyeli muazzamdır. Gelecekteki LST uygulamaları için bazı fikirler şunlardır:

• Doğrusal rulmanlar, döner rulmanlar
• Volan ^W enerji depolama
• Eğlence aktiviteleri ve sporlar (kayak, paten, oyunlar, kızaklar)
• Bir tüp aracılığıyla mermi ivmesi (yani elektromanyetik/raylı top ^W uydu fırlatma)

Vaka Örneği - Enerji Dengesi

LST uygulamasıyla tasarruf edilen enerjiyi vurgulamak için belirli bir vaka örneği incelenebilir. Piston segmanları ^W, segmanlar ile silindir duvarı arasındaki önemli tekrarlı bağıl temas nedeniyle LST uygulaması için uygundur. Bu enerji hesaplamasında aşağıdaki muhafazakar parametreler kullanılmıştır:

• 5 kW CO ₂ lazer
• Saniyede 100 darbe, her darbe çukur benzeri bir izlenim yaratıyor
• 4 silindirli motor
• Piston başına 3 piston halkası
• Piston segmanları 2,5 mm genişliğinde, 100 mm yarıçapındadır ve dış radyal yüzeyi dokuludur
• Çukurlar arasında 0,5 mm boşluk bulunan çukurlardan oluşan kare matris

Bu parametreler kullanılarak, 12 piston segmanının tümünü dokulandırmak için lazer işlemi tarafından tüketilen enerji 3,8 MJ'ye eşittir . Bu LST uygulamasıyla tasarruf edilen enerji için bir yaklaşım sağlamak amacıyla, Ford Transit 4 silindirli dizel motoruna LST uygulamasını içeren bir çalışmadan elde edilen sonuçlar incelenebilir. ^{[ 15 ]} Çalışma, LST piston segmanları kullanıldığında standart piston segmanlarına kıyasla yakıt tüketiminin yaklaşık %4 oranında azaldığını bulmuştur. Bu sayıları karşılaştırmak gerekirse, dizelin enerji içeriği 42 MJ/kg'dır (enerji içeriğinin yaklaşık %80'i termal enerjiye dönüştürülebilir). ^{[ 17 ]} Bu örnek, LST uygulaması sırasında ortaya çıkacak diğer birçok küçük enerji kaybını hesaba katmaz, yalnızca harcanan lazer enerjisini hesaba katar, ancak yine de çok kısa enerji geri ödeme süresini göstermektedir.

Alternatif Yüzey Dokulama Yöntemleri

Yüzey dokulandırma ile ilişkili tribolojik iyileştirmeler, LST yerine diğer dokulandırma teknikleriyle de elde edilebilir. Lazerler eşsiz bir hassasiyet ve kontrol sunarken, yüzey dokulandırma uygulamaları için aşağıdaki teknikler kullanılmakta ve araştırılmaktadır: ^{[ 3 ]}

• Aşındırıcı jet işleme
• Elektriksel Deşarj İşleme ^W
• İyon ışını ^W dokulandırma
• Vibro silindirleme
• Reaktif iyon aşındırma ^W

Referanslar