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Fallstudien

Verringerung der Reibung zur Effizienzsteigerung von Gleitflächen durch Laser-Oberflächentexturierung

Aerospace & Automotive, Fallstudien, Laser
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 Oxford Lasers Als eine der erfolgreichsten Ausgründungen der Universität Oxford steht Oxford Lasers seit über 40 Jahren an der Spitze der Lasertechnologie. Das Unternehmen entwirft, entwickelt und fertigt das gesamte Spektrum an Laser-Mikrobearbeitungswerkzeugen und Hochgeschwindigkeits-Lasersystemen. Die Autoren dieser Studie sind Daniel Arnaldo, Etienne Pelletier und Dimitris Karnakis.

Die konfokale Technologie hat sich während der Entwicklung des Laserprozesses als wirksame Technik zur Untersuchung und Charakterisierung der Tiefe und des Durchmessers der Vertiefungen und, noch wichtiger, der Höhe des um die Vertiefungen herum abgeschiedenen Materials erwiesen

Der durch Reibung und Verschleiß an Gleitflächen und anderen tribologischen Kontakten verursachte Energieverlust macht 23 Prozent des weltweiten Energiekonsums aus.<sup>1</sup> 1-. Holmberg, K. & Erdemir, A. Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263–284 (2017). Diese Daten rechtfertigen den Bedarf nach Technologien zur Verringerung von Reibung und Verschleiß. Die präzise, mikroskopische Laseroberflächentexturierung auf Gleitflächen bewirkt eine signifikante Verringerung der Reibungskoeffizienten und steigert gleichzeitig die Lebensdauer des Teils durch die erhöhte Verschleißfestigkeit.<sup>2-3</sup> 2-. Vladescu, S., Olver, A., Pegg, I. &amp; Reddyhoff, T. Combined friction and wear reduction in reciprocating contact through laser surface texturing. Wear 358–359, 51–61 (2016). 3-. Schneider, J., Braun, D. &amp; Greiner, C. Laser textured surfaces for mixed lubrication: influence of aspect ratio, textured area and dimple arrangement. Lubricants 5, 32–46 (2017). Es liegen jedoch gewisse Einschränkungen vor, die die industrielle Einführung dieser Technologie behindern könnten.

Dies steht zum Teil mit den Kosten für die Gerätschaften im Zusammenhang, denn die erforderliche Qualität der Oberflächenmerkmale setzt die Nutzung von teuren ultrakurz gepulster Laserquellen voraus. Darüber hinaus kann die Geschwindigkeit, mit der die Laser-Oberflächentexturierung derzeit vorgenommen wird, in zu lange Produktionszeiten münden.

In dieser Studie wird eine neuartige Methode zur Oberflächentexturierung mittels Lasertechnologie vorgestellt, die auf einer kostengünstigen Sub-Nanosekunden-Faserlaserquelle im Nahinfrarotbereich (NIR) basiert. Mit dieser Laser-basierten Methode lässt sich die Reibung verringern und eine erhöhte Verschleißfestigkeit erzielen. Dies steigert die Effizienz von Bauteilen und erweitert die Lebensdauer (z.B. Kolben). Das Oberflächenmuster besteht aus Anordnungen mikrometergroßer Vertiefungen und Rillen mit kontrollierten Tiefen und Breiten im Bereich von einigen zehn Mikrometern (Abb. 1).

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Abb. 1. Darstellung des Laser-Oberflächenmusters.

Bei der Laser-Oberflächentexturierung schmilzt Material, das rund um die Vertiefungen in der Form von Graten ansammeln kann (Abb. 1). Bei geringen Fertigungstoleranz von weniger als maximal 1 Mikrometer zwischen den Gleitflächen ist die Höhe des Schmelzschichtgrats (h1) kritisch für die Endanwendung. Auch die Tiefe der Vertiefungen (h2) ist relevant: in den meisten Fällen müssen die Topographien (Höhen) mit einer Genauigkeit von mehr als 1 Mikrometer gemessen werden (Abb. 2).

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Abb. 2. Illustration des Vorgangs zur Lasertexturierung. h1 ist die Höhe des Schmelzgrades. h2 ist die Tiefe der Vertiefung
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Abb. 3. Illustration der maximal zulässigen Höhe zwischen den Gleitflächen eines Kolbens

In der Vergangenheit wurden die Rasterelektronenmikroskopie und die optische Mikroskopie eingesetzt, um das Oberflächenhöhenprofil von mikrobearbeiteten Laseroberflächen zu untersuchen. Heute ermöglichen optische Messtechniken wie Konfokaltechnik, Interferometrie und Fokusvariation die Bewertung und Untersuchung neuer Verfahren zur Laserbearbeitung im Mikrobereich mit deutlich höherer Geschwindigkeit und ausreichender Auflösung.

Angesichts der enormen Vielfalt an Materialien und Oberflächentypen (poliert vs. unpoliert, glatt vs. rau, hochreflektierende vs. niedrigreflektierende Materialien u.a.) ist jede optische Technik nur unter bestimmten Bedingungen geeignet. Das ist der Hauptgrund dafür, dass die Wahl bei der Durchführung der vorliegenden Arbeit auf den optischen 3D-Profilometer S lynx fiel. Diese Vorrichtung ermöglicht die rasche Bewertung unterschiedlichster Oberflächen.

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Abb. 4. Beispiel der in dieser Studie genutzten Probe

Die im Rahmen dieser Studie genutzten Proben bestehen aus Graugusszylindern (Abb. 4), die häufig in Verbrennungsmotoren, Zylinderblöcken, Pumpen und Kompressoren zum Einsatz kommen. Die Zylinder wurden durch Honen vorkonditioniert und in Probensegmente von je 30 Grad geschnitten, um eine Prüfung zu ermöglichen. Bei der Studie der optimalen Aufnahmeeinstellungen jeder Technik, stellte sich die Konfokaltechnik mit einer 50-fachen Vergrößerung als für unsere Zwecke am geeignetsten heraus.

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Abb. 5. Oberflächentopographie eines Graugusszylindersegments, gemessen mit dem S lynx im Konfokalmodus und einer 10-fachen (links) und 50-fachen (rechts) Vergrößerung

Die neuartige Lasertexturierung im Vergleich mit dem Standardvorgang in Abb. 6. Wie zu sehen ist, zeigt die neue Methode eine Verringerung der Höhe des wieder abgeschiedenen Materials auf unter 1 µm, während dieser Wert bei der Standardmethode doppelt so hoch ist. Weitere Analysen lassen den Schluss zu, dass sich der Reibungskoeffizient um 25 Prozent verringert.

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Abb. 6. Oben: Mit der Standardmethode erzielte 3D-Topographie und das betreffende 2D-Profil. Unten: Mit der neuen Methode erzielte 3D-Topographie und das betreffende 2D-Profil

Das optische 3D-Profilometer S lynx hat sich als genaues, schnelles und einfach zu bedienendes Werkzeug zur Untersuchung von neuen Methoden zur Laser-Oberflächentexturierung erwiesen. Die optische 3D-Profilometrie ermöglichte qualitative und quantitative Analysen. Insbesondere hat sich die konfokale Technologie während der Entwicklung des Laserprozesses als wirksame Technik zur Untersuchung und Charakterisierung der Tiefe und des Durchmessers der Vertiefungen und, noch wichtiger, der Höhe des um die Vertiefungen herum abgeschiedenen Materials erwiesen.

Das neue Verfahren liefert nach der Optimierung des Laserprozesses eine optimale Oberfläche mit einer Höhe von praktisch Null und ohne erneute Ablagerung von Material, einschließlich einer Reduzierung des Reibungskoeffizienten (COF) um etwa 25 Prozent. In weiteren Studien könnte die Verwendung einer automatischen Erkennungs- und Analysesoftware in Betracht gezogen werden, mit der alle vorhergehenden Parameter von Interesse automatisch extrahiert werden können (z. B. Plug-in Hole, SensoPRO-Software, Sensofar).

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