Lasersko strukturiranje površin orodij

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Lasersko strukturiranje površin orodij

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Matej Tomšič

Ljubljana, september 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Lasersko strukturiranje površin orodij

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Matej Tomšič

Mentor: izr. prof. dr. Damjan Klobčar

Ljubljana, september 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

Zahvala

Zahvaljujem se izr. prof. dr. Damjanu Klobčarju za mentorstvo in pomoč pri izdelavi zaključnega dela.

Zahvala gre tudi družini, ki me je podpirala med celotnim študijem na Fakulteti za strojništvo.

(10)

(11)

(12)

(13)

Izvleček

UDK 621.79:681.94:621.375.826(043.2) Tek. štev.: VS I/849

Lasersko strukturiranje površin orodij

Matej Tomšič

Ključne besede: graviranje površin laser

spajanje kompozitov pulzni laser

superhidrofilna površina aluminijaste zlitine

V avtomobilski in letalski industriji je izredno pomembno čim bolj zmanjšati težo produktov, za zmanjšanje porabe goriva in izpustov v okolje. Kombinacija različnih materialov (kovine – steklena vlakna) dovoljuje znatno zmanjšanje teže izdelkov, vendar se tu pojavijo izzivi s spajanjem materialov. Pri lepljenju različnih materialov med seboj je pomembno zagotoviti ustrezno hrapavost površin z laserskimi pulzi, ki omogočajo večji oprijem lepila in s tem trdnost spoja. Pri suhem odrezovanju z enotočkovnimi orodji, je cilj podaljšati življenjsko dobo orodja in zmanjšati adhezijo odrezkov na orodje. V diplomskem delu je predstavljen pregled literature, v kateri so predstavljeni rezultati za spajanje s tremi postopki (toplotno stiskanje, ultrazvočno spajanje in spajanje z brizganjem). Prav tako je predstavljena tudi primerna oblika gravur za podaljšanje življenjske dobe enotočkovnih rezalnih orodij. Izkazalo se je, da je najbolj primerno spajanje s toplotnim stiskanjem in z brizganjem plastike.

(14)

(15)

Abstract

UDC 621.79:681.94:621.375.826(043.2) No.: VS I/849

Laser structuring of tool surfaces

Matej Tomšič

Key words: laser structuring laser

joining of materials pulsed laser

superhidrophilic surface aluminium alloy

In the automotive and aviation industries, it is of great importance to minimise the weight of products, to reduce fuel consumption and emissions into the environment. The combination of different materials (metals – glass fibres) allows for a significant reduction in the weight of the products, but here challenges arise with the joining of materials. With adhesion bonding of different materials, it is important to ensure adequate roughness of surfaces preparation with laser pulses that allow for greater adhesion of the glue and thus the strength of the joint. When cutting dry with singlepoint tools, the aim is to extend the life of the tool and reduce the adhesion of the chips on the tool surface. The diploma work provides a literature review, which presents the results for merging with three processes (thermal compression, ultrasonic joining and spraying joining). An appropriate form of engravings for extending the life of one point cutting tools is also presented. It turns out that it is appropriate to merge with thermal compression and by spraying plastic.

(16)

(17)

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xi

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Vrste laserske obdelave ... 3

2.2 Laserji z ultrakratkim pulzom ... 5

2.2.1 Izbira valovne dolžine glede na material obdelave ... 5

2.2.2 Integracija ultrakratkih pulznih laserjev v proizvodnjo ... 8

2.2.3 Fokusirne glave ... 8

2.2.4 Odpadni material ... 9

3 Spajanje kompozitov z lasersko gravirano kovinsko površino11

3.1 Spajanje z injekcijskim brizganjem ... 12

3.1.1 Analiza strukture in natančnosti brizganja ... 15

3.1.2 Analiza obnašanja spoja po injekcijskem brizganju ... 17

3.2 Vpliv laserskega graviranja površine na trdnost spoja, izdelanega s toplotnim stiskanjem ... 20

3.3 Vpliv laserskega graviranja površine na trdnost spoja, izdelanega z ultrazvočnim spajanjem ... 23

3.4 Vpliv laserskega graviranja površine na trdnost spoja, izdelanega z lepljenjem 25 3.4.1 Površinska energija ... 26

3.4.2 Kontaktni koti in omočljivost ... 26

3.4.3 Tvorba superhidrofilne in hidrofobne površine ... 29

(18)

Optimizacija geometrijske konfiguracije površine ... 32

3.4.4 32

4 Vpliv laserskega graviranja v enotočkovna rezalna orodja na življenjsko dobo orodja in adhezijo materiala ... 33

4.1 Material ... 33

Izbira primernih parametrov ... 34

4.2 ... 34

4.3 Opis testa obdelovalnosti ... 37

4.4 Karakterizacija testiranih orodij in obdelovalnega materiala ... 39

4.5 Merjenje površinske hrapavosti ... 39

4.6 Spremljanje rezalnih sil ... 42

44 4.7 Koeficient trenja med orodjem in odrezki ... 45

4.8 Hrapavost površine obdelovancev ... 49

5 Diskusija ... 51

5.1 Spajanje z injekcijskim brizganjem ... 51

5.2 Spajanje s toplotnim stiskanjem ... 51

5.3 Ultrazvočno spajanje ... 52

5.4 Lepljenje ... 52

5.5 Graviranje enotočkovnih rezalnih orodij ... 52

6 Zaključki ... 55

7 Literatura ... 57

(19)

Kazalo slik

Slika 2.1 – (a) Zmanjševanje dolžine pulza, (b) sublimacija materiala, (c) profil intezitete laserja. [5] . 4 Slika 2.2 - Graf volumskega odstranjevanja materiala v odvisnosti od valovne dolžine laserskega žarka

[1]... 6

Slika 2.3 – Spekter valovnih dolžin [18]. ... 7

Slika 3.1 – Skica procesa brizganja [8]. ... 13

Slika 3.2 – (a) Lasersko strukturiranje pločevine iz aluminijaste zlitine, (b) brizganje na lasersko mikrostrukturo, (c) končni izdelek [2]. ... 15

Slika 3.3 – (a) in (b) Posnetka konfokalnega mikroskopa, (c) in (d) SEM posnetki strukturirane površine aluminijaste zlitine, (a) in (c) mikrostrukture z neprekinjenim laserjem, (b) in (d) mikrostrukture s pulznim laserjem [2]. ... 16

Slika 3.4 – (a in c) – Struktura površine lasersko gravirane aluminijaste zlitine, (b in d) – površina brizganega polimera [2]. ... 17

Slika 3.5 – Prečni prerez spojene strukture z neprekinjenim laserjem [2]. ... 18

Slika 3.6 – Preizkušanec za natezni preizkus [3]. ... 18

Slika 3.7 – (a) Graf sila – raztezek treh preizkušancev, (b) preizkušanci [2]. ... 19

Slika 3.8 – (a) Struktura mikrozatičev, I = 5,5 J/cm2, (b) struktura mikrolukenj, d = 10 µm, h = 22 µm [3]... 21

Slika 3.9 – (a) Prerezi termalno združene aluminijaste zlitine z FRP: mikrozatiči, (b) luknje s premerom 10 µm, (c) luknje s premerom 100 µm, (d) peskana površina [3]. ... 22

Slika 3.10 – Primerjava nateznih trdnosti spojev doseženih z različnimi postopki spajanja [3]. ... 23

Slika 3.11 – Princip ultrazvočnega spajanja kovin [3]. ... 24

Slika 3.12 – (a) Prečni prerezi ultrazvočno spojenih hibridov: z mikrozatiči, (b) s peskanjem [3]. ... 25

Slika 3.13 – Ravnovesje sil [16]. ... 27

Slika 3.14 – Obnašanje omočljivosti na površini [13]... 28

Slika 3.15 – Superhidrofilna površina [5]. ... 28

Slika 3.16 – LIPPS mikrostrukture [5]. ... 30

Slika 3.17: Primerjava med graviranim in negraviranim AISI304 [5]. ... 30

Slika 3.18 – Hidrofobnost lotosovega lista [15]. ... 31

Slika 3.19 – SEM slika površine lotosovega lista [21]. ... 31

Slika 3.20 – Odvisnost med razmerjem stranic strukture in kontaktnim kotom [5]. ... 32

Slika 4.1 – Rezalna orodja [19]. ... 34

Slika 4.2 – (a) Spreminjanje intenzitete laserja, (b) – globina profila pri 20 %, (c) – profil hrapavosti pri 20 % [4]. ... 36

Slika 4.3 – Shema obdelovalnega testa [4]. ... 37

Slika 4.4 – Rezalne sile pri struženju [22]. ... 38

Slika 4.5 – Profilometer [20]. ... 39

Slika 4.6 – Vpliv procesnih parametrov na površinsko topografijo rezalnega orodja, (a) – odvisnost površinske hrapavosti Ra 𝑖𝑛 R𝑞 na intenzivnost, (b) – odvisnost največje višine profila hrapavosti glede na intenzivnost [4]. ... 40

Slika 4.7 – Usmerjenost gravur (a) – vzporedno na CFD, (b) – pravokotne na CFD, (c) – vzporedno na MCE [4]. ... 41

(20)

Slika 4.8 – Primerjava rezalnih sil. [4] ... 42 Slika 4.9 – Intervali rezalnih sil na referenčnem in mikrograviranih orodjih med obdelovalnim

procesom do 2758 km [4]. ... 44 Slika 4.10 – Cepilna ploskev po obdelovalnem procesu do 2758 km, (a) in (b) negravirano orodje, (c)

in (d) gravure, vzporedne na CFD, (e) in (f) gravure, pravokotne na CFD, (g) in (h) gravure, vzporedne na MCE [4]... 46 Slika 4.11 – Povprečna vrednost koeficientov trenja izračunanih s podatki o rezalnih silah za vse tipe

gravur [4]. ... 48 Slika 4.12 – Slike optičnega mikroskopa odrezkov prilepljenih na gravure pri obdelovalnem procesu

do 2758 km, (a) – gravure pravokotne na CFD, (b) – gravure vzporedne na MCE – BUE rob [4].

... 49 Slika 4.13 – Hrapavost obdelovancev pri referenčnem in graviranih orodjih [4]. ... 50

(21)

Kazalo preglednic

Preglednica 1: Izbira valovne dolžine glede na material [1]. ... 7 Preglednica 2: Lastnosti materiala [2].. ... 14 Preglednica 3: Specifikacije materialov [3].. ... 20

(22)

(23)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

F Fc Ff Fp I Ra Rm Rt Rz Sa γ_SP γ_ST γ_TP 𝜏 λ θ

Hz N N N J/cm² µm Mpa µm µm µm mN/m mN/m mN/m Ns nm

°

Frekvenca

Glavna rezalna sila Podajalna sila

Radialna (odrivna) sila Intenzivnost

Aritmetična vrednost odstopanja profila Natezna trdnost

Skupna višina profila hrapavosti Največja višina profila

Aritmetična sredina

Specifična površinska energija med trdnino in plinom Specifična površinska energija med trdnino in tekočino Specifična površinska energija med tekočino in plinom Trajanje impulza

Valovna dolžina Youngov kot

(24)

(25)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

BUE CFD CM CW DAQ EDX FRP FS HAZ IR LIPPS MCE MPL PCD PMH PS PW SEM UV

Vgrajeni rob (angl. build up edge)

Smer toka odrezkov (angl. chip flow direction) Konfokalni mikroskop (angl. confocal microscope) Kontinuirni laser (angl. continious wave laser) Zbiranje podatkov (angl. data acqustion)

Kemična analiza (angl. energy dispersive X-ray spectrosopy) Plastika ojačana z vlakni (angl. fiber reinforced plastic) Femto sekundni laser

Toplotno vplivana cona (angl. heat affected zone) Infrardeče

Metoda graviranja površine (angl. laser induced surface structures) Glavni rezalni rob (angl. main cutting edge)

Hibridi plastike in kovin (angl. metal plastic hybrids) Polikristalični diamant (angl. polycristalline diamond) Hibridi polimerov in kovin (angl. polymer metal hybrids) Pikosekundni laser

Pulzni laser (angl. pulzed wave laser)

Električna mikroskopija (angl. scaning electron microscopy) Ultravijolično

(26)

(27)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

V avtomobilski in letalski industriji je izredno pomembno čim bolj zmanjšati težo za izboljšanje izkoristka energije in izpolnjevanje okoljske zakonodaje. Kombinacija različnih materialov (kovine – steklena vlakna) dovoljuje znatno zmanjšanje teže z optimalno mehansko močjo na kritičnih mestih. Zagotoviti je potrebno pripravo ustrezne grobosti površin z laserskimi pulzi z namenom izdelave bolj trdnega spoja pri spajanju kompozitov.

Poleg tega se povečuje zanimanje za suho obdelavo zaradi ekološkega, čistejšega koncepta proizvodnje in čim cenejše proizvodnje v obeh industrijah – v avtomobilski in letalski. Strošek hladilnih tekočin je ocenjen na 16–20 % celotnega stroška obdelave v proizvodni industriji.

Doseči je potrebno manjšo obrabo orodja in mu s tem podaljšati življenjsko dobo [4].

1.2 Cilji

Cilj diplomske naloge je pregledati najnovejšo literaturo na področju laserskega strukturiranja površin materialov pred spajanjem in graviranjem orodij, na podlagi analize tega področja pa strniti ugotovitve.

Ugotoviti je potrebno, ali je lasersko strukturiranje površine primerno za spajanje aluminijastih zlitin in polimera ter primerjati ta način spajanja z že razširjenim postopkom, ki se uporablja v industriji.

(28)

2

(29)

3

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Vrste laserske obdelave

Lasersko tehnologijo za proizvodnjo razvrščamo v dve kategoriji, in sicer termična in atermična obdelava. CO2 laser z neprekinjenim napajanjem in laserji z uporabo kratkih pulzov so značilni za uporabo pri varjenju, obdelavi, spajanju s formiranjem termično vročih točk. Različni laserji, pri katerih žarek potuje skozi optična vlakna, so bili razviti in uporabljeni za lasersko varjenje, obdelavo, lasersko označevanje itd. V zadnjem času se laserji s piko in femtosekundnimi pulzi široko uporabljajo za atermično odstranjevanje materialov z visoko dimenzijsko natančnostjo v praksi. Poznamo dva ključna parametra pri laserski obdelavi. To sta valovna dolžina in čas trajanja pulza. CO2 laser ima dolgo valovno dolžino 10,6 nm, ekscimer pa dosega valovno dolžino 248 nm. Večina laserskih valovnih dolžin sega od manj kot 200 nm (ultravijolični režim) do 20 µm (infrardeči režim). Ker ima vsak material svoj relaksacijski čas (tau0), lahko večino laserske moči absorbira material, ki ima ekvivalent 𝜏₀ do λ. Material je obdelan atermično z laserjem, kateremu izberemo primerno valovno dolžino, v nasprotnem primeru je material samo termično rezan ali vrtan. Mikroobdelava v bistvu zahteva hitro odstranjevanje materiala z zadovoljivo natančnostjo dimenzij in geometrije, zagotovljeno ponovljivost in pravilno izbiro valovne dolžine za vsak material.[5].

Na sliki 2.1 je lepo prikazano, da se impulzna moč močno poveča, če zmanjšamo čas trajanja impulza. Če imamo npr. čas trajanja impulza 1 ms in energijo laserja 0,001 J, je moč impulza 1 W. Moč doseže 1 GW že če zmanjšamo čas trajanja impulza na 1 ps.

Pri laserskem obsevanju z veliko močjo, je večina materiala atermično odstranjena, oz.

odparjena kot prikazuje slika 2.1(b). Dimenzijska točnost v laserski mikroobdelavi je določena

(30)

4

Teoretične osnove in pregled literature

s fokusiranjem laserske točke, za ta postopek odparjanja. Končna velikost točke pri laserskem obsevanju je odvisna od valovne dolžine in časa trajanja impulza. Intenziteta laserja se enakomerno porazdeli okoli fokusirane točke. Dobra porazdelitev intenzitete laserja je prikazana na sliki 2.1(c) in ima obliko Gaussovega profila. Tehnologijo laserskega mikroskopiranja uporabljajo predvsem za mikrospajanje različnih polimerov in za tvorbo mikrogravur, ki uravnavajo trenje drsnih in sestavnih delov. Nadaljnje operacije nadzorovanja površinskih lastnosti z uporabo nano/mikrotekstiranja so predstavljene v tej diplomski nalogi [5].

Slika 2.1 – (b) Sublimacija materiala, (c) porazdelitev intenzitete žarka [5].

(31)

5 Teoretične osnove in pregled literature

2.2 Laserji z ultrakratkim pulzom

Ultrahitri laserji in laserji z ultrakratkimi pulzi nam ponujajo unikatne možnosti obdelave, ker je dolžina pulza krajša od kondukcije materiala. Kondukcija pomeni prenašanje toplotne energije skozi trdna telesa. To pomeni, da je mogoča hladna obdelava materiala – odstranjevanje materiala s sublimacijo. Tak način obdelave ponuja več prednosti kot so, skoraj nična toplotna cona, visoka dimenzijska točnost in zmožnost izdelave visoko kakovostnih in majhnih oblik na različne materiale (kovine, plastike, keramike in steklo). Vendar pa so taki sistemi zelo dragi, zato mora biti izbira sistema dobro pretehtana [1], [6].

Ultrahitre laserje delimo na dve kategoriji in sicer:

 Pikosekundni laser – oddaja optične pulze s trajanjem pulza okrog 10 pikosekund (10⁻¹²s) oziroma ena milijoninka sekunde.

 Femtosekundni laser – oddaja optične pulze s trajanjem okrog 400 femtosekund, kar je manj kot ena trilijonka sekunde.

Razlike v obdelavi med PS in FS laserjem so lahko v nekaterih primerih zelo malo opazne, v drugih pa zelo očitne. Pri obdelovanju kovin je razlika skoraj neopazna. FS laser ponuja zgolj rahlo manjšo površinsko hrapavost.

FS laser je boljši v obdelovanju plastike kot pa PS. Za učinkovito obdelavo plastike običajno potrebujemo zelene ali UV valovne dolžine. Primerjava FS in PS laserjev je odvisna od materiala, ki ga obdelujemo. Ko hočemo absolutno najboljšo kakovost, je FS laser jasna izbira.

Obenem pa lahko s PS laserjem obdelujemo hitreje, tako da se moramo vprašati, kaj je bolj pomembno za naš izdelek - hitrost ali vrhunska kakovost obdelave. Do te odločitve pridemo s testiranjem kosov. Nekatera podjetja izdelajo vzorce na obeh laserjih z različnimi valovnimi dolžinami, če je to potrebno [1], [6].

2.2.1 Izbira valovne dolžine glede na material obdelave

Oba laserja, PS in FS, ponujata različne valovne dolžine (infrardečo, zeleno in ultravijolično).

Valovno dolžino izberemo glede na material, ki ga obdelujemo, ali glede na potrebno velikost izdelka. Najmanjši premer fokusa žarka je direktno povezan z izbrano valovno dolžino. UV laser ima premer fokusa za eno tretjino IR (1030 nm) laserja [1].

(32)

6

Dobra primera, ki prikazujeta pomembne različne valovne dolžine sta, PS laser v IR območju za rezanje stekla in PS laser v zelenem območju za ''medicinsko plastiko'' kot je PEBAX (katetri, cevke, tudi smučarska obutev). Graf prikazuje odstranjevanje materiala glede na valovno dolžino pri obdelovanju PEBAX-a. Pri zeleni je odstranjevanje materiala največje, sledi UV območje, infrardeče pa je najmanj primerno [1].

Slika 2.2 prikazuje primernost laserskega sistema in valovne dolžine za določen material. Za obdelavo stekla, keramike, FEP in že zgoraj omenjenega PEBAX-a je bolj primeren PS laser.

Za obdelavo PLA in PLLA (biorazgradljiva polimera), PET in silikona je bolj primeren FS laser. Pri obdelovanju kovin pa je izbira laserja odvisna od kakovosti izdelka in hitrosti obdelave. Za izdelke izjemne kakovosti je bolj primeren FS laser, za hitrejšo obdelavo pa PS laser. Pri vsakem materialu moramo biti pozorni tudi na izbiro valovne dolžine [1].

Slika 2.2 - Graf volumskega odstranjevanja materiala v odvisnosti od valovne dolžine laserskega žarka [1].

(33)

Preglednica 1 – Izbira valovne dolžine glede na material [1].

PS IR PS zeleni PS UV FS IR FS zeleni

Steklo ☺

Keramika ☺ ☺

PLA,PLLA ☺ ☺☺

PET ☺ ☺

Silikon ☺☺

FEP ☺

PEBAX ☺ ☺☺

Kovine ☺ ☺ ☺☺

Kovine (visoka natančnosti)

☺

Slika 2.3 – Spekter valovnih dolžin [18].

(34)

8

2.2.2 Integracija ultrakratkih pulznih laserjev v proizvodnjo

Ključna lastnost teh laserjev je sposobnost obdelave materiala z visoko dimenzijsko natančnostjo, zato potrebujemo sistem, ki bo podpiral tak nivo obdelave. Vendar tudi najboljša oprema na svetu ne bi zagotovila stabilnega sistema, če je sistem postavljen v okolje, ki ni stabilno – še posebej okolje s temperaturnim nihanjem. V svetu mikronov lahko že sprememba temperature za nekaj stopinj pomeni težavo točkovne stabilnosti laserja. Za primerjavo – že 1 ℃ spremeni dolžino 300 mm aluminija za 7 mikronov, zato morajo biti taki laserji v kontroliranem in klimatiziranem okolju [1].

Ultrakratki pulzni laserski sistem je sestavljen iz več elementov: laserja, optične poti za dostavo laserja do fokusirne leče, fokusirnih leč, gibanja, kontrole odpada in orodij. Vsak sestavni del mora biti pretehtan kot del optimalne rešitve v sistemu.

Laser je voden do fokusirne leče z uporabo leč in variabilnega ojačevalca žarka, ki omogoča visoko natančnost, izboljša stabilnost žarka in omogoča fleksibilnost pri spreminjanju premera žarka, ki vstopa v fokusirno lečo in posledično tudi velikost fokusiranega mesta.

Zelo pomembno je tudi poznati in ohranjati položaj fokusa na obdelovancu, ker je v velikih primerih toleranca globine fokusa laserja manjša kot 250 mikronov [1], [6].

2.2.3 Fokusirne glave

 Fiksne fokusirne glave: fiksna glava fokusira samo žarek in se zanaša na premikanje obdelovanca

 Skenirne glave: majhne premikajoče se leče omogočajo usmerjanje žarka na določeni velikosti območja (xy) in tudi fokusirajo laser

Prednost skenirne glave je, da lahko hitro premika laser po majhnih območjih, kar ponavadi potrebujemo za mikroobdelavo. Pri skenirnih glavah obdelovanec stoji na mesti med obdelovanjem, premakne pa se lahko na drugo obdelovalno območje. Območje, ki ga lahko skenirna glava procesira, je relativno majhno – 40 x 40 milimetrov [1].

(35)

2.2.4 Odpadni material

Zlahka lahko spregledamo upravljanje z odpadki, vendar je prav tako pomembno. Med obdelavo nastanejo nanodelci, ki so lahko nabiti in se lepijo na površino. V nekaterih primerih so lahko ti delci očiščeni v ultrazvočni kopeli, v drugih pa uporabimo druge metode izločanja teh delcev [1].

(36)

10

(37)

11

3 Spajanje kompozitov z lasersko gravirano kovinsko površino

Kompozitni materiali so materiali, ki so sestavljeni iz najmanj dveh materialov z različnimi lastnostmi. S sestavljanjem se lastnosti spremenijo. Cilj sestavljanja materialov je združiti dobre lastnosti posameznih materialov. Pomanjkljive lastnosti osnovnih materialov lahko tako večinoma prekrijemo. V nasprotju z zlitinami, pri katerih se osnovne snovi medsebojno topijo, ostanejo pri kompozitnih materialih izhodiščne snovi pogosto nespremenjene, in sicer v razpoznavni obliki. Pri z vlakni ojačanih sestavljenih materialih, se trdnost stopnjuje zaradi vgraditve visokotrdnih vlaken v polimerni material. Kot vlaknast material se večinoma uporabljajo steklena vlakna ali v zadnjem času pogosteje ogljikova vlakna. Poleg velike trdnosti je predvsem primerjalno majhna teža argument za uporabo teh snovi [7].

V zadnjih letih, je spajanje plastičnih in kovinskih materialov pritegnilo veliko zanimanja v več industrijskih sektorjih – v avtomobilski industriji; uporablja pa se tudi za druge aplikacije, kot so kuhinjska oprema, okvirji za kolesa in podobno. S spajanjem primernih materialov dosežemo prednosti, kot so majhna gostota, visoka odpornost proti upogibanju in predvsem manjša teža.

V avtomobilski industriji se uporabljajo predvsem hibridi med kovino in polimeri (angl.

polymer metal hybrids - PMH), zaradi odličnega razmerja teža - moč [2].

(38)

12

Spajanje kompozitov z lasersko gravirano kovinsko površino

3.1 Spajanje z injekcijskim brizganjem

Injekcijsko brizganje je proces, pri katerem potiskamo stopljeno plastiko v orodje ali matrico.

Ko se plastika ohladi, lahko orodje odpremo in izvržemo plastični del. Dandanes je injekcijsko brizganje zelo razširjeno, saj se lahko uporablja tako za masovno proizvodnjo kot tudi za izdelavo posameznih testnih primerkov. Brizgalne naprave se med seboj ločijo predvsem po sili spenjanja orodja, ki je lahko od 200 kN za majhne laboratorijske naprave pa do 100.000 kN v velikih industrijskih strojih [8].

Sam proces brizganja je sestavljen iz naslednjih korakov:

1. Zapiranje orodja: Zapiralna enota zapre obe polovici orodja.

2. Brizganje: Pred brizganjem najprej nasujemo umetno maso v obliki zrnc v lijak. Od tu ti padejo v lijak, kjer se stopijo, polž pa jih potiska naprej. Ko se akumulira dovolj stopljenega materiala, se polž pomakne naprej in potisne stopljeno plastiko skozi šobo v orodje.

3. Dodatno doziranje: Potem ko je plastika dodana v orodje sledi premor, v katerem se doda primanjkljaj mase zaradi krčenja pri strjevanju.

4. Ohlajanje: Plastiko pustimo da se ohladi in strdi v orodju.

5. Odpiranje orodja: Ločimo obe polovici orodja.

6. Izmet izdelka: Izdelek vzamemo iz orodja, ga obrežemo, ostanke pa lahko po navadi zopet uporabimo [8].

Injekcijsko brizganje je relativno nov način predelave polimerov, ki pa se je v zadnjem času zelo razširil. Ima tako dobre kot slabe lastnosti:

 velike proizvodne zmogljivosti,

 nezmanjševanje visokih toleranc izdelkov pri velikih serijah,

 uporaba različnih materialov,

 visoka stopnja avtomatizacije,

 majhna količina odpadkov,

 malo potrebne obdelave po brizganju.

(39)

13 Spajanje kompozitov z lasersko gravirano kovinsko površino

Slabe lastnosti pa so:

 visoki stroški nakupa orodja,

 obratovalni stroški so lahko visoki,

 oblika izdelkov mora biti taka, da se jih lahko vbrizga v orodje [8].

Veliko je raziskav o strukturiranju kovinskih površin, a nobena tehnologija ni bila prenesena na proces injekcijskega brizganja in pomen graviranja v tem procesu na spajanje kovine in polimera.

V povzeti raziskavi so bile strukture izvedene s kontinuirnim laserjem (angl. continious wave - CW) in pulznim laserjem (angl. pulsed wave - PW) na preizkušance iz aluminijaste zlitine z namenom, da bi ugotovili vpliv le teh na moč spoja brizganih kovinsko-plastičnih hibridov (angl. metal-plastic hybrids – MPL). Na spojenih preizkušancih je bil opravljen natezni preizkus, pregledali so topografijo strukture in natančnost brizganja [2].

Preizkušanci so bili iz aluminijaste zlitine (AW6082T6), velikosti 120 mm x 50 mm x 2 mm.

Pred laserskim graviranjem so bili obdelovanci očiščeni z etanolom. Za brizganje so uporabili polimer PA6.6 (Polyamid 6.6). Material so izbrali zaradi široke uporabnosti v industriji in dobre obdelovalnosti [2].

.

Slika 3.1 – Skica procesa brizganja [8].

(40)

14

Preglednica 2 – Lastnosti materiala [2].

Youngov modul elastičnosti

(GPa)

Natezna trdnost

(MPa)

Raztezek pred zlomom

(%)

Temperatura taljenja (℃)

Temperatura razpadanja

(℃)

AW6082 70 295 –310 7 – –

PA6.6 A3K 3,1 85 30 260 400

Pri graviranju kovinske površine so uporabili dva različna laserska procesa. CW laser je deloval pri valovni dolžini 1070 nm, z maksimalno močjo 1,5 kW; dvakrat je bil premaknjen čez površino obdelovanca z uporabo skenirne glave s hitrostjo 10 m/s. Vgravirana struktura je imela obliko utora, z razmikom 150 µm. Uporabljeni PW laser je imel pulze dolžine 20 pikosekund.

Ultra kratki laser deluje s povprečno močjo 20 W in frekvenco 200 kHz z valovno dolžino 1064 nm. S PW laserjem prav tako nastanejo strukture utora, z razmakom 100 µm. Nastali so s 50- kratnim prehodom laserja prek površine obdelovanca. Pri obeh metodah so bile dimenzije strukturiranega dela 25 mm x 12,5 mm.

Strukturirane pločevine so bile postavljene v kalup za proces brizganja. Na strukturo je bil brizgan trak s premerom 22 mm [2].

Parametri brizganja:

 Temperatura taljenja – 285 ℃

 Temperatura kalupa – 80 ℃

 Volumski tok – 15 ^𝑐𝑚³

𝑠

 Čas stiskanja 12 s

Površina aluminijaste zlitine je bila predgreta na temperaturo kalupa (80 ℃), da bi dosegli najboljše razmere za zapolnitev laserskih mikrostruktur.

(41)

Za pregled topografije površine in natančnosti brizganja so uporabili 3D konfokalni mikroskop (angl. confocal microscope – CM) in električno mikroskopijo (angl. scanning electron microscopy – SEM). Moč spoja je bila ocenjena z nateznim preizkusom, s hitrostjo 1 mm/min [2].

3.1.1 Analiza strukture in natančnosti brizganja

V prvi fazi eksperimentov, so bile pločevine iz aluminijaste zlitine strukturirane s CW in PW laserjem. Topografije so vidne na sliki 3.3 , posnete s konfokalnim in SEM mikroskopom.

Utor, izdelan s CW laserjem doseže globino okoli 158 µm z odstopanjem do 17 µm. Prisotni so tudi robovi po obdelavi, zaradi količine materiala, ki je staljen. Taki robovi so značilni pri obdelavi kovin s CW laserjem. Za razliko pri uporabi pulznega laserja (PW) pride do manjših globin in debeline strukture, na površini pa ni robov iz staljenega materiala, saj je odstranjevanje le tega narejeno z odparevanjem. Globina utora je bila kar 75 % nižja kot pri laserju z neprekinjenim žarkom, in sicer 40 µm. Hrapavost neobdelane površine Sa (aritmetična sredina) je bila 0,8 µm. Hrapavost površine obdelane z neprekinjenim žarkom je bila 41,8 µm, s prekinjenim pa 9,8 µm [2].

Slika 3.2 – (a) Lasersko strukturiranje pločevine iz aluminijaste zlitine, (b) brizganje na lasersko mikrostrukturo, (c) končni izdelek [2].

(42)

16

Z ozirom na natančnost brizganja mikroskopske topografije obeh površin so opravili predhodni test injekcijskega brizganja. Kot je opaziti na sliki 3.4 , je nastala dobra replikacija površine pri obeh mikrostrukturah. Globina utorov na aluminijasti zlitini, je skoraj enaka višini strukture na poliamidu [2].

Slika 3.3 – (a) in (b) Posnetka konfokalnega mikroskopa, (c) in (d) SEM posnetki strukturirane površine aluminijaste zlitine, (a) in (c) mikrostrukture z neprekinjenim laserjem, (b) in (d)

mikrostrukture s pulznim laserjem [2].

(43)

3.1.2 Analiza obnašanja spoja po injekcijskem brizganju

Eksperimenti injekcijskega brizganja so pokazali zelo dobro procesno stabilnost brez vplivov različnih laserskih struktur. Pri brizganju negraviranega preizkušanca ni prišlo do spoja, ker površina ni bila primerna za spajanje (bila je pregladka – hrapavost površine 9,8 µm), kar je razvidno na sliki 3.4 [2].

Hibriden spoj med strukturo narejeno z neprekinjenim laserjem, ki jo zlahka vzamemo iz kalupa, je pokazal dober spoj med kovinskim preizkušancem in polimerom. Za razliko so imeli zabrizgani preizkušanci aluminijaste zlitine, gravirani s prekinjenim laserjem, slabo trdnost spoja. Ločeni so bili kmalu po procesu brizganja, zaradi termalnega krčenja polimera [2].

Ena glavnih karakteristik pri procesih taljenja polimera, je volumsko krčenje zaradi hlajenja.

Specifičen volumen je odvisen od tlaka in temperature pri injekcijskem brizganju. Za uporabljen polimer (PA6.6) znaša krčenje 1,5 – 1,8 % pri temperaturi taljenja 285 ℃ in tlaku 600 bar, če je ohlajen na zraku (23 ℃, 1 bar). Predvideno krčenje preizkušanca je za 0,35 mm v širino (25 mm) in 0,2 mm v dolžino (12,5 mm) pravokotno na poravnavo laserske strukture.

To krčenje je večje od krčenja aluminija, v katerem prevladuje nizkotoplotna ekspanzija [2].

Slika 3.4 – (a in c) – Struktura površine lasersko gravirane aluminijaste zlitine, (b in d) – površina brizganega polimera [2].

(44)

18

Strukture neprekinjenega laserja so dovolj globoke in dovolj hrapave, da preprečujejo krčenje polimera, blizu spoja z aluminijasto zlitino. To lahko vodi v notranje napetosti, saj se lahko ostali del polimera krči neovirano. Notranje napetosti se lahko zmanjšajo sčasoma zaradi relaksacije in lahko vplivajo na spoj. Krčenje, ki se pojavi, vodi do notranjih napetosti in posledično do razdružitve hibridne strukture pri preizkušancih strukturiranih s prekinjenim laserjem, ki imajo strukture z relativno plitko strukturo [2].

Slika 3.5 – Prečni prerez spojene strukture z neprekinjenim laserjem [2].

Slika 3.6 – Preizkušanec za natezni preizkus [3].

(45)

Za ocenitev trdnosti doseženih spojev z različnimi mikrostrukturami in procesi spajanja so naredili natezni preizkus, s hitrostjo 1 mm/min. Geometrija vzorca za preizkus je prikazana na sliki 3.6.

Največja natezna trdnost je izračunana z enačbo 3.1 [2].

𝜎_𝑚𝑎𝑥 = 𝐹_𝑚𝑎𝑥

𝐴 = 𝐹_𝑚𝑎𝑥 (𝑏 ∗ 𝑙)

(3.1)

Pri spoju ni prisotnih zračnih žepov. Določeni deli strukture imajo višino do 220 µm.

Opravili so natezni preizkus pri standardiziranih pogojih (23 ℃, 50 % vlažnost). Spoj med gravirano aluminijasto zlitino (s CW laserjem) in poliamidom je dosegel trdnost 11,9 z odstopanjem do 0,6 MPa. Na karakteristike poliamidov močno vpliva vlaga. Na sliki 3.7 je prikazan graf natezne trdnosti za tri preizkušance, z različnimi lomi. Pri nekaterih vzorcih je prišlo do loma polimera [2].

V eksperimentih niso raziskali, kako vnos toplote vpliva na togost površine aluminijaste zlitine.

Z uporabo pikosekundnega laserja namesto neprekinjenega laserskega žarka, nastanejo bolj natančne konture na preizkušancu. Kot posledica krajše izpostavljenosti laserskemu žarku se izognemo temperaturnim poškodbam [2].

Slika 3.7 – (a) Graf sila – raztezek treh preizkušancev, (b) preizkušanci [2].

(46)

20

3.2 Vpliv laserskega graviranja površine na trdnost spoja, izdelanega s toplotnim stiskanjem

Pred spajanjem so površino aluminijaste zlitine strukturirali z različnimi metodami. Kompoziti so bili pripravljeni iz aluminijaste zlitine EN-AW-6082 T6 in plastike ojačane s steklenimi vlakni (FRP) Durethan BKV30 (Lanxess) in z vsebnostjo steklenih vlaken 30 %.

Preglednica 3 – Specifikacije materialov [3].

Material Elastični modul [GPa]

Natezna trdnost [MPa]

Rm [MPa]

Raztezek pred zlomom [%]

Durethan BKV30

6,1 105 6

EN-AW-6082 T6

70 250 300 10

Za strukturiranje površine aluminijaste zlitine so uporabili nanosekundni laserski sistem z naslednjimi specifikacijami:

 Laser: ND:YVO4

 Valovna dolžina: 532 nm

 Čas pulza: 10 ns

 Povprečna moč: 13 W

 Premer fokusa: 15 µm

Med lasersko obdelavo je vedenje materiala odvisno od vnosa energije na površino. Da bi opredelili vedenje ablacije glede na intenzivnost I, so eksperimentirali s parametri frekvence pulza in lokacijo fokusa. V predhodnih eksperimentih s parametri je intenzivnost laserja nihala med 1 ^J

cm² do 100 ^J

cm².

(47)

Glede na širok spekter energijskih gostot, je opaziti raznoliko vedenje materiala. Ugotovili so, da so najboljši pogoji za nastanek struktur v razponu laserske intenzivnosti I med 3 in 6 ^J

cm². Izdelali so strukture v obliki zatičev z visokim razmerjem višina : širina [3].

Za primerjavo polnjenja mikrostruktur med spajanjem je bila kot drug pristop izbrana izdelava lukenj na kovinsko površino. Luknje so bile izdelane z dvema geometrijama. Manjše luknje so imele premer 10 µm, izdelane so bile z 10 pulzi laserja in dosegle globino 22 µm. Dimenzije druge luknje so bile povečane s faktorjem 10 na premer 100 µm, globina 120 µm pa je bila odvisna od števila prehodov laserja, ki je bila 10, tako kot pri manjših luknjah. Primerjava površin z mikrozatiči in luknjami je prikazana na sliki 3.8 [3].

Slika 3.8 – (a) Struktura mikrozatičev, I = 5,5 J/cm², (b) struktura mikrolukenj, d = 10 µm, h = 22 µm [3].

V obeh primerih je bilo strukturiranih 11 % površine celotnega preizkušanca. Referenca za trdnost spoja, doseženega z različnimi laserskimi strukturami, so bili peskani vzorci aluminijaste zlitine. Peskanje je že razširjen postopek pri spajanju kompozitov polimerov in kovin (angl. polimer metal hybrids – PMH). Vzorci aluminijaste zlitine so bili peskani z EK 024 (Wiwox), in sicer 10 sekund. Uporabili so tlak 0,2 MPa, abraziv je bil ustreljen pod kotom 70°, z razdalje 0,3 metra [3].

Plastika, ojačana s steklenimi vlakni (angl. fiber reinforced plastic – FRP) in aluminijasta zlitina sta bili združeni s postopkom vročega stiskanja pod stalnim tlakom 0,4 MPa med celotnim postopkom spajanja, ki je omogočal penetracijo staljenega polimera v mikrostrukture na kovinskem delu. Temperatura aluminijaste zlitine poleg cone spajanja je bila merjena s termoparom. Segrevanje je trajalo do izmerjene temperature 205 ℃. Po koncu segrevanja je

(48)

22

temperatura dosegla vrhunec – 230 ℃, nato pa so jo ohladili do 100 ℃ z zračnim hlajenjem.

Preizkušanca sta bila ohlajena na temperaturo okolice po standardu DIN EN ISO 1110, z namenom nadzora absorbiranja vlage poliamida pred nateznim preizkusom [3], [9].

S pomočjo posnetkov prereza je bil ocenjen potencial vsake strukture in toplotnega stiskanja za nastanek dobrega spoja. Strukture z mikrozatiči in peskane površine so bile popolnoma zalite in zapolnjene s polimerom. V spoju ni prisotnih žepov zraka. Ocenjena kakovost spojev obeh struktur je visoka. V nasprotju, je kakovost spoja s strukturama lukenj nižja. Večje luknje, s premerom 100 µm, so bile vse zalite, niso pa bile do konca zapolnjene. Med aluminijasto zlitino in polimerom je razpoka, ki je verjetno nastala kot posledica zračnih mehurčkov in neenakomernega termalnega krčenja. Najslabša kakovost spoja je pri strukturi lukenj s premerom 10 µm, saj polimer ni zalil vseh lukenj [3].

Predstavljene strukture so bile zasnovane za dosego trdnega hibridnega spoja. Peskani vzorec je ob nateznem preizkusu dosegel 12 MPa. Struktura mikrozatičev je dosegla 30 MPa.

Raziskava površine po nateznem preizkusu je pokazala, da je večina mikrozatičev ostala Slika 3.9 – (a) Prerezi termalno združene aluminijaste zlitine z FRP: mikrozatiči, (b) luknje s

premerom 10 µm, (c) luknje s premerom 100 µm, (d) peskana površina [3].

(49)

nepoškodovana, medtem ko je znotraj FRP nastal kohezivni zlom na mestu spajanja. Med mikrozatiči so vidni ostanki polimera.

Pri peskani strukturi po nateznem preizkusu ni videti ostankov polimera, saj je spoj odpovedal zaradi lokalne plastične deformacije. Trdnost spoja, dosežena z luknjasto strukturo, je bila v primerjavi s peskanim vzorcem relativno nizka, zaradi slabe penetracije polimera v luknje in tudi nizke koncentracije luknjastih struktur na površini. Če želimo doseči trdnejši spoj, moramo povečati gostoto struktur. Primerjavo vseh postopkov vidimo na sliki 3.10 [3].

3.3 Vpliv laserskega graviranja površine na trdnost spoja, izdelanega z ultrazvočnim spajanjem

Ultrazvočno varjenje je postopek spajanja materialov s pomočjo ultrazvočne energije. Varjenje poteka tako, da se mehansko nihanje osnovnega materiala spreminja v toplotno energijo. Vir zvoka je po meri izdelana jeklena sonotroda, ki prenese vibracije na enega od sestavnih delov, ta pa naprej do spoja obeh kosov. Trenje med obema komponentama povzroči, da se oba sestavna dela lokalno stalita in spojita. Spoj obeh komponent je trajen in zelo trden. Postopek se uporablja za spajanje večjih količin manjših kosov, kjer bi bila uporaba vijakov in lepila

Slika 3.10 – Primerjava nateznih trdnosti spojev doseženih z različnimi postopki spajanja [3].

(50)

24

neustrezna. Najpogosteje se uporablja za spajanje termoplastičnih materialov in barvnih kovin kot so:, zlato, srebro, medenina, in zlitin, kot so aluminijaste zlitine, bakrene zlitine [10], [11].

Vibracije so pravokotne na površino obdelovanca. Normalna sila deluje pravokotno na smer vibracij. Nakovalo podpira mesto spoja, sonotroda pa poskrbi za širjenje vibracij. Zaradi interakcij nihanj sistema v ultrazvočnem območju in normalne sile, nastane lokalen vnos toplote v mesto spoja. Postopek je zelo odvisen od kombinacije materiala, ki jo uporabimo in stanja površinske strukture kovinskega dela. Čas spajanja je bil 1,6 sekunde [3].

Parametri:

 Energija – 300 Ws

 Amplituda – 30 µm

 Tlak – 0,25 MPa

Z uporabo ultrazvočnega spajanja pride do lokalnega taljenja polimera in adhezivnega spoja med polimerno talino in kovinsko površino. S kombinacijo tlaka, ki deluje ob istem času na mesto spajanja, polimerna talina penetrira v votline mikrostruktur. Slika 3.12 prikazuje prečne prereze ultrazvočno spojenih hibridov. Videti je, da so mikrostrukture zapolnjene s polimerom, vendar vezava polimera na kovinski del ni popolna [3].

Prišlo je do zlomov mikrozatičev (slika 3.12 (a)), pri peskanju pa je prišlo do glajenja površine, kar je prav tako negativno vplivalo na trdnost spoja. Zaradi tega je prišlo do znatnega

Slika 3.11 – Princip ultrazvočnega spajanja kovin [3].

(51)

zmanjšanja natezne trdnosti, kar je vodilo do slabših rezultatov kot pa pri toplotno spojenih vzorcih z isto mikrostruktur [3].

Za popolno razumevanje kompleksnih mehanizmov pri strukturiranju mikrozatičev z laserskim sistemom bodo potrebne še dodatne raziskave. Z dodatnimi geometrijskimi izboljšavami mikrostruktur je možno dosegati še trdnejše spoje hibridov plastika – kovina.

3.4 Vpliv laserskega graviranja površine na trdnost spoja, izdelanega z lepljenjem

V velikih primerih spajanje kompozitov ni možno z varjenjem ali mehanskim spajanjem, zato jih spajamo z lepljenjem. Na spoj vpliva veliko faktorjev, najbolj pomembna sta površinska energija in površinska hrapavost.

Slika 3.12 – (a) Prečni prerezi ultrazvočno spojenih hibridov: z mikrozatiči, (b) s peskanjem [3].

(52)

26

3.4.1 Površinska energija

Površinsko energijo lahko definiramo kot energijsko razliko med glavnino materiala in površino materiala. Površinska energija je definirana kot površinska energija na enoto površine.

Površinska energija na enoto površine je enaka izmerjeni površinski napetosti. Enote površinske energije so J/m² [12]. Z drugimi besedami je stopnja privlačnosti ali odbojnosti, ki jo površina materiala prenese na drug material [13]. Površinska energija vpliva na omočljivost.

Omočljivost je sposobnost tekočine, da ohranja kontakt s površino. Omočljivost je pomemben faktor pri lepljenju. Če ima površina dobro omočljivost, se kapljica v tem primeru dobro razleze po površini [14]. Zaradi močnih interakcij med atomi je površinska energija trdnih snovi lahko mnogo višja kot pri tekočinah [15].

Poznamo 2 vrsti površin:

 Površine z nizko površinsko energijo – njihovo površinsko energijo je potrebno dvigniti s postopki površinske obdelave, če želimo izboljšati njihovo omočljivost.

 Površine z visoko površinsko energijo – v to skupino spadajo predvsem kovine in keramike.

3.4.2 Kontaktni koti in omočljivost

Obstaja kar nekaj metod za izračun površinske energije materialov. Merjenje kontaktnih kotov je najbolj natančno in temelji na Youngovi enačbi 3.2 [13].

𝛾_𝑆𝑃∗ 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝛾_𝑇𝑃− 𝛾_𝑆𝑇 (3.2)

(53)

Slika 3.13 – Ravnovesje sil [16].

Količine 𝛾_𝑇𝑃, 𝛾_𝑆𝑇 in γ_SP predstavljajo specifične površinske energije med površinami tekočina – plin, trdnina – tekočina in trdnina – plin [13]. Trdno stanje ima indeks S zaradi lažje preglednosti. 𝜃 je Youngov kot – kontaktni kot. Tekočina ima dobro omočljivost, ko je kontaktni kot 𝜃 med kapljico in trdno površino manjši kot 90°. V nasprotju, kontaktni kot večji od 90° ne nudi dobre omočljivosti. Kot 0° nam da perfektno močenje (superhidrofilna površina), medtem ko kot 180° ne da močenja površine. Območje med tema dvema skrajnostma imenujemo območje delnega močenja. Za lepljenje je primeren čim manjši kontaktni kot 𝜃 [13].

(54)

28

Omočljivost lahko označimo tudi s µ in jo računamo po enačbi 3.3 [13].

cos 𝜃 = µ (3.3.)

Če je omočljivost pozitivna (µ > 0), je močenje dobro, če je omočljivost negativna (µ < 0), je močenje slabo. Površine s pozitivno omočljivostjo označimo za hidrofilne in tiste z

negativno omočljivostjo za hidrofobne [13].

Za nadzor predstavljenega stanja površin poznamo različne obdelave, kot so kemična in fizikalna obdelava. Kemična obdelava je splošno orodje za spreminjanje stanja površine, npr.

prevleka na osnovi fluora poveča kontaktni kot do 130 – 150°.

Slika 3.14 – Obnašanje omočljivosti na površini [13].

Slika 3.15 – Superhidrofilna površina [5].

(55)

Ideja, da bi lahko omočljivost kontrolirali s pomočjo laserskega graviranja, izhaja iz narave, in sicer iz lista lotosa. Kapljice vode na listu podpirajo zračne reže skozi vlaknat list lotosa [5].

Lotosov list ima ekstremno hidrofobno in samočistilno površino [15].

3.4.3 Tvorba superhidrofilne in hidrofobne površine

Z metodo LIPSS (angl. laser-induced surface structures) so iz nerjavečega jekla AISI304 oblikovali mikrostrukture z uporabo femtosekundnega laserskega graviranja. S tem postopkom lahko tvorimo hidrofilno in prav tako hidrofobno površino. LIPSS so ponavadi strukture v nanovelikosti, ki jih strukturiramo na površine [5].

Poleg nanoteksturiranja površine pride v poštev tudi mikroteksturirani kot. Plošče iz nerjavečega jekla ALSI304 velikosti 25 x25 x 3 mm³ so nanoteksturirane za raziskavo sprememb omočljivosti s tem procesom. Primerjali bomo odtekanje kapljic na vzorcu pred in po graviranju [5].

Slika 3.15 prikazuje omočljivost nanoteksturirane površine AISI304 s femtosekundnim laserskim graviranjem. Izmerjeni kontaktni kot doseže 8°, kar pomeni, da je površina superhidrofilna. To dokazuje, da klasična teorija pravilno opisuje vpliv nanoteksturiranja na kontaktni kot, kadar prostorska periodičnost nanotekstur deluje kot glavni geometrijski element kakovosti površine [5].

Slika 3.17 primerja odtekanje kapljic na vzorcu pred in po graviranju. Kontaktni kot čiste vode na golih nerjavečih jeklih je 70 – 75°, kar ustreza normalni omočljivosti kovin. Po graviranju se kontaktni kot poveča do 156°. To dokazuje, da nano/mikro lasersko graviranje omogoča spreminjanje omočljivosti nerjavečih kovin iz hidrofobnega do superhidrofobnega stanja [5].

(56)

30

Slika 3.17: Primerjava med graviranim in negraviranim AISI304 [5].

Slika 3.16 – LIPPS mikrostrukture [5].

(57)

Slika 3.19 – SEM slika površine lotosovega lista [21].

Slika 3.18 – Hidrofobnost lotosovega lista [15].

(58)

32

3.4.4 Optimizacija geometrijske konfiguracije površine

Na lastnost površine vplivata dve geometrijski spremenljivki – frakcijske dimenzije (kako komplicirana je oblika nanotekstur) in njihova razmerja stranic. Prva vpliva na kompleksnost geometrije površine, druga pa na lokalni kot geometrije. Trideset pločevin nerjavečega jekla AISI304 velikosti 10 x 10 x 0,1 mm je bilo lasersko graviranih za raziskovanje vpliva razmaka med posameznimi gravurami in višine mikroteksture na izmerjeno omočljivost. Primerjali bomo odvisnost med razmerjem širine in višine nanostrukture in kontaktnim kotom. Na ta način bomo izvedeli, katero razmerje je primerno za ustvarjanje superhidrofobne površine [5].

Slika 3.20 prikazuje odvisnost med razmerjem širine in višine nanoteksture in kontaktnim kotom. Če je to razmerje stranic manjše od 0,1 ali večje kot 0,3, so skoraj vsi izmerjeni kontaktni koti manjši od 155°, vzorci ALSI304 so samo hidrofobični. Pri razmerju med 0,1 in 0,3 se doseže večji kontaktni kot do 170°, in sicer pri uporabi mikrotekstur s širino 20 µm in njihovo višino med 2 – 6 µm. To pomeni, da lokalna kotnost površinske geometrije pomembno vpliva na hidrofobnost [5].

Slika 3.20 – Odvisnost med razmerjem stranic strukture in kontaktnim kotom [5].

(59)

33

4 Vpliv laserskega graviranja v enotočkovna rezalna orodja na

življenjsko dobo orodja in adhezijo materiala

Z namenom, da bi ugotovili vpliv laserskega graviranja na življenjsko dobo orodja in adhezijo odrezkov nanj, so bili na orodje gravirani trije različni tipi gravur na cepilni ploskvi in primerjani z ne graviranim orodjem (referenčno orodje). Spremljala so površinsko hrapavost obdelovanca, rezalne sile, koeficient trenja med orodjem in odrezki ter adhezijo odrezkov na referenčnem in graviranih orodjih.

4.1 Material

Rezalna orodja, uporabljena v študiji, ki jo bom predstavil so PCD – polikristalični diamant (angl. polycristalline diamond). Vstavki rezalnih orodij imajo diamantno kompozitno strukturo (povprečna velikost zrn 10 µm), ki je infiltrirana s kobaltovim vezivom (volumen cca. 10,3 %).

Vstavki so bili v obliki SPGN090308F z diamantno plastjo, debelo 0,5 mm direktno

(60)

34

Vpliv laserskega graviranja v enotočkovna rezalna orodja na življenjsko dobo orodja in adhezijo materiala

sintetizirano na podlago iz volframovega karbida (1,1 mm). Izbrani material za poizkuse je bila aluminijeva zlitina (6082) v obliki valjev s premerom 80 mm in dolžino 150 mm [4].

4.2 Izbira primernih parametrov

Vzorci so bili procesirani z vlakenskim (angl. fiber) laserjem z valovno dolžino λ = 1060 nm, trajanjem pulza 𝜏 = 260 ns in frekvenco f = 70 kHz. Premer žarka v žarišču je bil izmerjen približno na 30 µm, da se generirajo mikro/nanoutori (gravure).

Izvedeno je bilo nekaj eksperimentov za ugotovitev korelacije med energijo laserja in kinematičnimi parametri, na ta način pa eksperimentalno optimizirane geometrijske karakteristike (globina utorov in hrapavost površine – Ra). Prvi korak za optimizacijo laserskih parametrov je bil narejen zaradi pomanjkljivega znanja o kompozitih polikristaličnega diamanta (angl. polycrystalline diamond – PCD) v postopku laserske obdelave. Narejena je bila topografska analiza lasersko obdelanega rezalnega orodja in primerjalnih orodij pred in po preizkušanju, ki so jo opravili z uporabo 3D-interferometra z belo svetlobo (Alicona Infinite Focus) z vertikalno ločljivostjo 110 nm in bočno ločljivostjo 2,13 µm. Vsak vzorec je bil skeniran, trije profili so bili izvlečeni na vrhu, spodaj in na sredini vsakega območja [4].

Slika 4.1 – Rezalna orodja [19].

(61)

35 Vpliv laserskega graviranja v enotočkovna rezalna orodja na življenjsko dobo orodja in

adhezijo materiala

Začetna referenca za izbiro globine utorov je bila izbrana iz predlogov v prejšnjih raziskavah [17]. Po laserski obdelavi so na podlagi merjenja globine utorov/gravur ocenili vpliv parametrov obdelave (laserska moč, frekvenca laserskega žarka in hitrost podajanja). Izvedli so tudi preizkuse laserske ablacije, s spreminjanjem intenzivnosti laserske moči za razumevanje variacij globine in hrapavosti površine proizvedenih utorov [4].

Odvisnost globine je povezana s toplotno akumulacijo v volumen, ki ga je potrebno odstraniti.

Izbrane so bile vrednosti z majhno globino in gladko površino z ozirom na korelacijo med ablacijo materiala in termalno akumulacijo. Pri majhnih globinah material sublimira, termalna akumulacija na material je majhna, kar omogoča precizno odstranjevanje materiala brez toplotno vplivane cone (angl. heat affected zone – HAZ). Pri suhem rezanju z večjo globino gravur obstaja možnost zatiranja odrezkov, kar povečuje lepljenje aluminijaste zlitine na površino in rezalne sile. Končni izbrani parametri za izvedbo eksperimenta za lasersko obdelavo PCD orodij so bili: hitrost podajanja 900 mm/s, 20 % intenzivnost, tok atomov 3,38 J/cm² in frekvenca 70 Hz. Utori so bili globoki 260 nm, široki 7 µm in z razmakom 20 µm (od središča do središča utora). Na orodje so bili gravirani trije različni tipi gravur na cepilni ploskvi: gravure, pravokotne na smer odvajanja odrezkov (angl. chip flow direction – CFD), vzporedne na CFD, in gravure, vzporedne na glavni rezalni rob (angl. main cutting edge – MCE). Učinek vsakega orodja posebej je bil primerjan z negraviranim orodjem [4].

Za vsak vzorec so bili iz 3D-interferometra razbrani 2D-parametri hrapavosti, in sicer Ra, Rz, Rt, katerih povprečne vrednosti so bile izračunane. Na sliki 4.2 je prikazan primer metode, uporabljene za optimiziranje globine laserskega graviranja s pomočjo meritev z interferometrom [4].

(62)

36

Topografski profili so prikazani pri hitrosti podajanja 900 mm/s in frekvenci 70 kHz. Slika 4.2 (a) prikazuje variacijo intenzitete laserja v intervalih po 20 % na območju 1, do 100 % na območju 5. Slika 4.2 (b) prikazuje globino profila pri intenzivnosti 20 %, slika 4.2 (c) pa profil hrapavosti pri 20 % intenzivnosti [4].

Slika 4.2 – (a) Spreminjanje intenzitete laserja, (b) – globina profila pri 20 %, (c) – profil hrapavosti pri 20 % [4].

(63)

4.3 Opis testa obdelovalnosti

Za izvedbo preizkusov rezanja je bil uporabljen triosni obdelovalni center (Haas TL-1 CNC, največja hitrost vretena 1800 vrt/min, moč vretena 30 kW). Rezalne sile so bile pridobljene pri vzorčenju 10 kHz. Izdelan je bil posebej zasnovan sistem vpetja, ki je opremljen s triosnim dinamometrom (Kistler Kiag Swiss 9257A), povezanim s tremi ojačevalniki napetosti – po en za vsako os (Kistler 5015), nato pa še na ploščo za zajem podatkov (angl. data acquistion - DAQ), ki vzorči signale in jih pretvori v digitalno obliko, ki jo lahko upravljamo z računalnikom.. Merjene rezalne sile so bile: podajalna sila (Ff), glavna rezalna sila (Fc) in radialna (odrivna) sila (Fp). Njihove smeri in postavitev opisanega eksperimenta so prikazane na sliki 4.3 [4].

Rezalno orodje je bilo vstavljeno v držalo orodja s cepilno ploskvijo pod kotom 8°. Vsi longitudinalni rezi na aluminijevo zlitino 6082 so bili izvedeni pod pogoji za suho rezanje z globino reza 1 mm, podajanjem 0,1 mm/obrat in rezalno hitrostjo 250 m/min. Obdelovanje je bilo ustavljeno na vsakih 100 mm reza za ocenitev napredka obrabe. Merjenje rezalnih sil nam dovoljuje izračun povprečne in maksimalne sile iz toka v odvisnosti od časa iz PicoScope programske opreme. PicoScope je privzeto izmeril napetostne izhode in za izračun sil koeficienta trenja je bila potrebna še nadaljnja obdelava podatkov. Izhodna občutljivost je bila nastavljena na 200 N/V za radialno silo, 200 N/V za silo podajanja in 100 N/V za potisno silo na ustreznem ojačevalniku [4].

Slika 4.3 – Shema obdelovalnega testa [4].

(64)

38

Trenje med orodjem in odrezkom ima ključno vlogo pri obrabi orodja in rezalnih silah.

Razmerje med silami je odvisno od koeficienta trenja, zato imamo pri visokem trenju visoko stopnjo obrabe orodja. Povprečni koeficient trenja med orodjem in odrezki je bil izračunan s pomočjo enačbe 3.3 [4].

µ = ^𝐹^𝑐^{𝑠𝑖𝑛 ⍺+ 𝐹}^𝑓^{𝑐𝑜𝑠 ⍺}

𝐹_𝑐𝑐𝑜𝑠 ⍺+ 𝐹_𝑓𝑠𝑖𝑛 ⍺

(3.3)

Alfa je cepilni kot, Fc glavna rezalna sila, Ff sila podajanja. Diamant ima ponavadi nizek koeficient trenja in visoko odpornost proti obrabi in eroziji.

Slika 4.4 – Rezalne sile pri struženju [22].

(65)

4.4 Karakterizacija testiranih orodij in obdelovalnega materiala

Obraba vseh testiranih orodij je bila izmerjena pri specifičnih dolžinah rezanja, kar nam omogoča primerjavo med referenčnimi rezultati in graviranimi orodji. Bočna obraba in obraba kraterja je bila izmerjena s 3D-interferometrom in skenirno elektronsko mikroskopijo (ang.

scaning electron microscopy – SEM). SEM analiza in EDX kemična analiza sta bili uporabljeni za merjenje oprijema AL 6082 na cepilnih in bočnih ploskvah orodja. Aritmetično povprečno odstopanje profila hrapavosti (Ra), največja višina profila hrapavosti (Rz) in skupna višina profila hrapavosti (Rt), povprečeno za vsak obdelovanec, so bili pregledani po dolžini rezanja 2758 km z uporabo standardnih merilnih tehnik, npr. profilometer. To je kontaktna metoda, pri kateri vlečemo merilni pripomoček po površini, ki jo želimo izmeriti. V tem primeru je bil uporabljen inštrument FormTakysurf 50 [4].

4.5 Merjenje površinske hrapavosti

Površinska hrapavost graviranih orodij je bila izmerjena, da bi raziskali, kako je na njo vplivala sprememba intenzivnosti moči. Slika 4.6 prikazuje variacije globine in parametrov površinske

Slika 4.5 – Profilometer [20].

(66)

40

hrapavosti, in sicer aritmetično povprečno odstopanje profila hrapavosti (Ra), odstopanje koreninsko-kvadratnega odstopanja profila hrapavosti (Rt) in največje višine profila hrapavosti (Rz) glede na intenzivnost laserske moči pri hitrosti podajanja 900 mm/s in frekvenci 70 kHz.

Opažen je bil visok porast Ra in Rt pri povečanju intenzivnosti z 20 na 40 % (pri 70 W največji izhodni moči), medtem ko se zdi, da se razmerje stabilizira nad 40 %. Najboljši profil hrapavosti je bil dosežen z nizkoenergijsko ablacijo pri toku delcev 3,38 J/𝑐𝑚². Globina utorov se je povečala z 0,261 µm na 7,234 µm, ko se je intenzivnost povečala na 100 %, zraven pa se je povečala tudi toplotno vplivana cona (HAZ) [4].

Utori, nastali z uporabo laserskih intenzitet nad 40 %, so povzročili materialne poškodbe v obliki toplotno prizadetega območja (HAZ). Spreminjanje podajalne hitrosti je tudi vplivalo na hrapavost površine v skladu s prejšnjimi raziskavami, kjer je bilo ugotovljeno, da imajo materiali PCD daljši čas izpostavljenosti, da absorbirajo lasersko obsevanje pri počasnejših pogojih obdelave (70 mm/s), kar povzroči pretvorbo absorbirane energije v toplotno energijo, pretvorbo metastabilnega diamanta v stabilni grafit in ekspanzijo taljenega kobalta na zrna diamantov [4].

V tej raziskavi je izbrana hitrost (900 mm/s) omogočila, da se je zmanjšala absorbcija energije, hkrati je preprečila nastanek napetosti, značilnih za polikristalni diamant (prostornina veziva Co približno 10,3 %).

Slika 4.6 – Vpliv procesnih parametrov na površinsko topografijo rezalnega orodja, (a) – odvisnost površinske hrapavosti R_a 𝑖𝑛 R_𝑞 na intenzivnost, (b) – odvisnost največje višine profila hrapavosti

glede na intenzivnost [4].

(67)

adhezijo materiala Izvedena je bila optimizacija potrebne intenzitete laserja za doseganje gravur z razmakom 200 nm. Slika 4.7 prikazuje rezultate, dobljene z nanosekundim laserjem pri intenziteti 20 % (največja izhodna moč 70 W) v različnih smereh graviranih oblik na cepilni ploskvi rezalnega orodja. Za material PCD je potrebna nizko energijska ablacija (tok delcev = 3,38 J/cm²), da lahko dosežemo ponovljive utore z majhno globino in gladko površino [4].

Slika 4.7 – Usmerjenost gravur (a) – vzporedno na CFD, (b) – pravokotne na CFD, (c) – vzporedno na MCE [4].

(68)

42

4.6 Spremljanje rezalnih sil

Spremljanje podajalne, glavne rezalne in radialne sile je pokazalo homogen trend za vsakega od preizkušenih vzorcev, kar je omogočilo oceno obdelovanja graviranih in primerjalnih orodij.

Slika 4.8 prikazuje primerjavo nadzorovanih rezalnih sil za tri izvedbe in referenčna orodja do drsne razdalje 2758 km. Maksimalne in povprečne sile so bile izvožene s programsko opremo PicoScope iz shranjenih signalov. Vsaka prikazana vrednost je povprečje največjih in najmanjših sil, izmerjenih med celotnim procesom. Opaženo je bilo, da so radialne sile za orodje z gravurami, vzporednimi na CFD, nihale med 18 in 58 N. Nihanje radialne sile je v postopku rezanja z graviranimi orodji manjše kot pa pri referenčnih orodjih. Podobno kot z rezalnimi silami je tudi pri podajalnih in glavni rezalni sili. Le-te so se zmanjšale pri graviranih orodjih pri različnih dolžinah reza. Ugotovljeno je bilo, da so rezalne sile pri orodju z gravurami, vzporednimi na CFD, bolj stabilne, povprečne sile pa so bile nižje v primerjavi z referenčnim orodjem [4].