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ケーススタディ

Reducing friction for
efficient motion of sliding surfaces
by laser surface texturing
This study demonstrates a novel laser surface
texturing method, based on a cost-effective
sub-nanosecond (ns) near-infrared (NIR)
fibre laser source.

摺動面の動きの効率化を目的としたレーザー表面テクスチャリングによる摩擦低減

ケーススタディ, レーザー, 航空宇宙・自動車

共焦点法は、窪みの深さと寸法、そしてさらに重要な、レーザー加工過程で窪み周辺に堆積する材料の高さの調査と特性評価に効果的であることが実証されました。

摺動面の摩擦と摩耗やその他の摩擦学的な接触によるエネルギー損失は、世界のエネルギー消費量の23%を占めています。1 1-. Holmberg, K. & Erdemir, A. Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263–284 (2017). この数字は摩擦や摩耗を防ぐ技術の必要性を明らかに示しています。摺動面の微小な特徴の高精度レーザー表面テクスチャリングによって、摩擦係数が大幅に下がり、 摩耗耐性が増加して部品の有効寿命が延びることが示されています。2-3 2-. Vladescu, S., Olver, A., Pegg, I. & 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. & Greiner, C. Laser textured surfaces for mixed lubrication: influence of aspect ratio, textured area and dimple arrangement.Lubricants 5, 32–46 (2017). しかし、この技術の産業導入にはいくつかの課題があります。そのひとつは機材のコストに関連します。通常、求められる表面特徴の品質を達成するには、高額な超短パルスレーザー源の使用が必要となるためです。さらに、レーザー表面テクスチャリングの速度を考慮すると、加工時間が非常に長くなります。

本研究では、費用対効果の高い、サブナノ秒(ns)近赤外線(NIR)ファイバーレーザー源に基づく新しいレーザー表面テクスチャリング法を実証します。レーザーに基づくこの方法は、摩擦低減と摩耗耐性の増加を示し、その結果としてコンポーネントの高効率化と長寿命化(ピストンなど)が実現します。表面パターンは微小の窪みと溝の配列で構成され、高さと幅は数十マイクロメートル単位で管理されています(図1)。

Daniel Arnaldo
Etienne Pelletier 、
Dimitris Karnakis

Oxford Lasers

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cs11 Oxford Lasers - laser surface texture 1
図1. レーザー表面パターンの図

レーザー表面テクスチャリング工程では材料が溶解されるため、これが窪みの周辺に縁状に堆積することがあります(図1)。摺動面間の最大許容高さが1マイクロメートル未満という非常に厳しい製造公差が設けられていることがあるため、この縁状の溶融層の高さ(h1)が存在する場合、最終的な用途に大きく影響します。また、窪みの深さ(h2)も重要です。ほとんどの場合、トポグラフィー(高さ)測定で1マイクロメートル(図2)以下の精度が求められます。

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図2. レーザー表面テクスチャリング工程の図、h1は溶融層の高さ、h2は窪みの深さ
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図3. ピストンの摺動面間の最大許容高さの図

これまでは、レーザー加工表面形状の検査に走査型電子顕微鏡と光学顕微鏡が使用されていました。最近では、共焦点法、干渉法、焦点移動法などの光学形状測定技術により、よりすばやく十分な解像度で新しいレーザーマイクロ加工の評価、研究が可能となっています。

しかし、材料や表面の種類(研磨あり・研磨なし、滑らか・粗い、高反射・低反射材料など)はさまざまであり、それぞれの光学技術は特定の状況にしか適しません。このことが、この作業の実施に3D光学式形状測定装置S lynxを選択した主な理由のひとつです。この装置の機能により、あらゆる種類の表面のすばやい評価が可能です。

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図4. 研究に使用したサンプル例

本研究に使用したサンプルはねずみ鋳鉄製シリンダー(図4)で構成されています。これらは内燃エンジン、シリンダーブロック、ポンプ、コンプレッサーなどに広く使用されています。これらのシリンダーは、ホーニング加工で試験準備され、検査用にそれぞれ30°のサンプルセグメントに切断されています。各方法における最適な取得設定を調べた後、本研究には連続共焦点モード、50倍率が最適な設定であることが分かりました。

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図5. レーザーテクスチャリングを施したねずみ鋳鉄製シリンダーのセグメントの表面トポグラフィー、S lynxの共焦点モード、10倍率(左)、50倍率(右)で測定

図6は、新しいレーザーテクスチャリングと標準の方法との比較です。新しい方法は、堆積した材料の高さが1 µm未満まで減っていますが、標準の方法ではこの値はその2倍になっています。さらなる分析は摩擦係数が約25%減少することも示しています。

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図6. 上: 標準のレーザーテクスチャリング法で取得した3Dトポグラフィーと2Dプロファイル下: 新しいレーザーテクスチャリング法で取得した3Dトポグラフィーと2Dプロファイル

3D光学式形状測定装置S lynxは、新しいレーザー表面テクスチャリング法について調べるための高精度かつ高速で使いやすいツールであることを示しました。3D光学式形状測定によって、定性的、定量的分析が可能となり、特に共焦点法は、窪みの深さと寸法、そしてさらに重要な、レーザー加工過程で窪み周辺に堆積する材料の高さの調査と特性評価に効果的であることが実証されました。

この新しい方法は、約25%の摩擦係数(COF)低減を含め、レーザー加工最適化後の実質的に高さゼロ、材料堆積なしの最適な表面を提供します。さらなる研究では、すべての関連パラメータを自動的に抽出できる自動検出・分析ソフトウェア(SensofarのSensoPROソフトウェア、プラグインHoleなど)の使用が検討されます。

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オクスフォード大学の最も成功を遂げるスピンオフ会社、Oxford Lasersは、過去40年間、レーザー技術の最先端で活躍しています。マイクロ加工ツールやレーザー高速画像化システムを設計、開発、製造しています。本研究論文の著者は、Daniel Arnaldo、Etienne Pelletier、Dimitris Karnakisです。著者らは補助金番号102713で資金の一部を援助するInnovate UKに謝辞を述べています。

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