Témata
Zdroj: ÚFP AV ČR

Laserové texturování nejen pro nástřiky

Povrch součástí určených k žárovému stříkání je třeba předem připravit a tradiční metodou takové předpřípravy je tryskání. Tato metoda je sice dobře dostupná, ale trpí řadou neduhů, například postupnou degradací abraziva, kontaminací povrchu součásti a nemožností řídit povrchovou morfologii na mikroskopické úrovni. Všechny tyto problémy je možné překonat laserovým texturováním povrchu, které se díky svému bouřlivému vývoji stává průmyslově relevantním.

doc. Radek Mušálek

Absolvoval katedru materiálů FJFI, ČVUT v Praze. Je vedoucím oddělení materiálového inženýrství na Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, kde se věnuje jak základnímu, tak aplikovanému výzkumu materiálů pro extrémní prostředí. 

doc. Šárka Houdková

Je absolventkou Západočeské Univerzity v Plzni.  V současné době působí ve Výzkumném a zkušebním ústavu Plzeň na pozici vědecké ředitelky. Dlouhodobě se věnuje aplikovanému výzkumu a vývoji v oblasti technologií žárového nástřiku a podpoře inovační spolupráce výzkumu a vývoje s aplikační sférou.

doc. Jiří Martan

Vedoucí týmu Termodiagnostika a laserové mikrozpracování ve výzkumném centru Nové technologie na Západočeské univerzitě v Plzni.

Reklama

Laserové texturování je inovativní technologie opracování povrchu součástí a má velký potenciál v různých průmyslových aplikacích včetně žárového stříkání.

Obr. 1. Vysokorychlostní laserové texturování niklové superslitiny Hastelloy X. (Zdroj: Hochschule Mittweida)

Žárové stříkání

Principem žárového stříkání je depozice materiálu pomocí vhodného zdroje tepla a kinetické energie (např. plazmatu, plamene, elektrického oblouku nebo vysokorychlostního plynu). Deponovaný materiál může být ve formě suchého prášku, drátu, suspenze nebo roztoku. Typicky je materiál během letové fáze roztaven a urychlen k povrchu součásti (substrátu), kde po dopadu tuhne a tvoří charakteristickou lamelární strukturu nástřiku. S ohledem na extrémní rychlost dopadu a chlazení taveniny není čas na vznik chemické vazby mezi nástřikem a substrátem, takže přilnavost vrstvy je dána zejména tzv. mechanickým zakotvením dopadnuvších částic. Z tohoto důvodu je žádoucí, aby byl povrch součásti před nástřikem zdrsněn tak, aby povrchové útvary byly geometricky srovnatelné s velikostí dopadajících částic. Typické hodnoty povrchové drsnosti Ra jsou tedy v řádu jednotek mikrometrů. Takové povrchové drsnosti se tradičně dosahuje tryskáním abrazivním médiem (např. ostrohrannou korundovou drtí), které se však může do povrchu součásti zabodávat (což má za následek vznik potenciálních iniciátorů únavových trhlin), případně jej může drolit. Kvůli zlepšení ekonomičnosti procesu a snížení množství odpadu je navíc tryskací médium většinou používáno opakovaně, což vede k jeho postupné degradaci. Nežádoucím důsledkem je postupně se zmenšující střední velikost částic, vedoucí k problémům s prašností a ekologií výroby (je nutné zajistit efektivní filtraci a separaci) a opakovatelností výsledků. Problémem při tryskání tvarově složitých komponent bývá také maskování oblastí, které nemají být opatřeny nástřikem, což vyžaduje velké množství kvalifikované ruční práce a tryskání velmi prodražuje.

Reklama
Reklama
Reklama

Laserové texturování

Jako alternativa klasického tryskání se již nějakou dobu vyvíjí laserové texturování, při němž je povrch součásti lokálně obráběn dopadem laserového svazku, který se řízeným způsobem pohybuje po povrchu součásti. Kontinuální lasery za sebou nechávají souvislou drážku, pulzní lasery pak rastr bodů. V případě použití dodatečné softwarové masky je pak možné vytvořit prakticky libovolný povrchový reliéf. Dle hustoty energie laseru a doby interakce pak dochází k odtavení materiálu nebo jeho odpaření.

Obr. 2. Příklady periodických mikrotextur připravených kontinuálním laserem na oceli (drážky) a pulzním laserem na YSZ keramice (důlky a pilířky). (Zdroj: ÚFP AV ČR)

Efektivní příprava povrchové textury nicméně vyžaduje použití laserů s vysokým průměrným výkonem a přesný a zároveň extrémně rychlý pohyb (v řádu stovek m.s–1) stopy laseru po povrchu součásti. Pokud je navíc potřeba připravovat textury s větší hloubkou, je výhodné obrábět povrch nikoli jedním průchodem, ale opakovaně, aby se zabránilo nežádoucímu přehřátí povrchu a vzniku defektů. To vše znamená extrémní požadavky na přesnost zaměření svazku v celém pracovním poli při typickém průměru stopy laseru v řádu desítek mikrometrů. Z dalších procesních parametrů je dále možno pro daný materiál a požadovanou texturu optimalizovat například vlnovou délku laseru, trvání pulzů a jejich frekvenci. V současnosti se texturování neomezuje jen na kovy, ale je možné texturovat i jiné typy materiálů – keramiku či cermety. Výsledkem texturování je pak povrch, který poskytuje velkou kontaktní plochu, čímž se zlepšuje adheze nástřiku k podložce. Mezi další potenciální výhody patří příprava vysoce periodických textur, odstranění povrchových oxidů a nečistot, aktivace povrchu a záměrné lokální přetavení povrchu.

Obr. 3. Trubka z korozivzdorné oceli (průměr 88 mm, výška 150 mm, tloušťka stěny 1,8 mm) opatřená drážkovou mikrotexturou (kontinuální laser s nominálním výkonem 1 kW, hloubka drážek 20 µm a jejich rozteč 100 µm). Doba texturování pláště trubky byla 82 s, což odpovídá rychlosti texturování 500 mm2.s–1. U okrajů trubky je patrný původní, tedy netexturovaný povrch. Vpravo tatáž trubka po plazmovém nástřiku za použití YSZ (práškovou keramikou). V oblasti původního, hladkého povrchu docházelo k delaminaci nástřiku. (Zdroj: ÚFP AV ČR)

Laserové texturování s vysokým výkonem

Nedávným průlomem v laserových technologiích bylo nahrazení galvanických zrcátek, nutných k rastrování laserového svazku, rotačním polygonálním skenerem, což umožňuje extrémně rychlé texturování povrchů při zachování geometrické přesnosti a opakovatelnosti. Limity této nové technologie byly testovány v rámci mezinárodního projektu Adventure (TAČR TH75020001), na kterém spolupracovaly ZČU v Plzni (vývoj kontroly procesu), německá Hochschule Mittweida (vývoj laserových technologií), ÚFP AV ČR a VZÚ Plzeň (testování různých metod žárového stříkání na texturované povrchy).

Reklama

Experimenty s kontinuálními, femtosekundovými a nanosekundovými lasery jednoznačně ukázaly, že je možné velmi vysokými rychlostmi texturovat jak klasické konstrukční kovy a slitiny, tak houževnaté technické keramiky. Pro některé kombinace laseru, parametrů textury (zejména hloubky a vzdálenosti struktur) a texturovaného materiálu bylo dosaženo rychlosti procesu až 500 mm2.s–1, což je pro praktické aplikace naprosto dostačující. Nejen že taková rychlost často překračuje možnosti konvenčního tryskání abrazivním médiem, ale laserem obrobené povrchy byly vysoce periodické a bez významného ovlivnění či kontaminace. Použitelná šířka pracovního pole přitom byla až cca 15 cm. V některých případech, například v důsledku odhalení vnitřní struktury materiálů, navíc došlo ke vzniku ultrajemného reliéfu a to, jak se později potvrdilo, vedlo ke zvýšení adheze nástřiku k substrátu. V případě plazmového stříkání suspenzí s ultrajemnými primárními částicemi se navíc periodicita textury připravené na substrátu přímo propsala do periodicity deponovaného nástřiku, kdy vrcholky textury sloužily jako zárodky pro růst sloupcovitých struktur nástřiku. Lze očekávat, že další optimalizace texturování povede k dalšímu zvýšení užitných vlastností deponovaných vrstev a otevře nové možnosti, pokud jde o cílenou manipulaci jejich mikrostruktur.

Obr. 4. Vlevo řez nástřikem z obr. 3. Vpravo plazmový nástřik wolframu na texturu s menší roztečí drážek. (Zdroj: ÚFP AV ČR)

Na přiložených obrázcích je uvedeno několik příkladů depozice plazmových nástřiků za použití YSZ (oxidu zirkoničitého stabilizovaného oxidem yttritým) a wolframu, pro které je typický relativně pomalý (vyšší desítky m.s–1) dopad plně roztavených částic. Nástřiky provedené těmito materiály jsou potenciálně vhodné pro termální bariéry v plynových turbínách, resp. pro první stěnu fúzního reaktoru. Bylo nicméně prokázáno, že laserové texturování je funkční i pro vysokorychlostní nástřiky metodami HVOF nebo cold spray, u kterých jsou dopadající částice během dopadu více abrazivní, aniž by došlo k významnému poškození samotné textury.

Obr. 5. Ukázka plazmového nástřiku za použití YSZ keramiky na laserově texturovaný keramický substrát (opět YSZ keramika). V detailu je vidět ultrajemná povrchová morfologie, zajišťující dobré kotvení nástřiku k podložce. (Zdroj: ÚFP AV ČR)

Výhled do budoucna

Lze očekávat, že laserové texturování bude v procesech žárového stříkání hrát stále důležitější roli. Tato technologie se navíc neustále vyvíjí, zdokonaluje a stává dostupnější pro širší spektrum materiálů a to umožňuje její širší aplikaci v různých odvětvích, jako je např. letecký průmysl, energetika, automobilový průmysl nebo výroba elektroniky. Variabilita textur povrchu a opakovatelnost procesu navíc dělá z laserového texturování univerzální nástroj i pro řadu jiných náročných aplikací, kde je třeba morfologii povrchu modifikovat na mikroskopické úrovni, a to například s cílem změnit optické vlastnosti povrchů či jejich měrný povrch.

Vydání #1,2
Firmy
Ústav fyziky plazmatu AV ČR

Ústav je jedním z 55 výzkumných ústavů Akademie věd ČR. Provádí výzkum v následujících oblastech:
- neindukční proudový pohon a ohřev v tokamacích nižšími hybridními vlnami;
- okrajová turbulence plazmatu u tokamaků;
- diagnostika plazmatu;
- vysokoproudý kapilární výboj;
- generování rázových vln plazmovým výbojem ve vodě;
- generování chemicky aktivní nerovnovážné plazma v plynech za atmosférického tlaku a v kapalinách;
- generování rovnovážných vodou stabilizovaných obloukových výbojů;
- interakce termálního plazmatu s materiály: plazmový nástřik a zpracování odpadů;
- materiálový výzkum spojený s plazmovými technologiemi;
- generování horkého hustého plazmatu subnanosekundovým jodovým laserem;
- laserové plazma jako zdroj intenzivního koherentního i nekoherentního rentgenového záření a vícenabitých iontů;
- speciální optika a optomechanické systémy, nejmodernější přesnost, včetně konzultačních, poradenských a expertizních služeb, simulace, analýzy, aplikační výzkum, precizní výroba, prototypování a měření.

Ústav od roku 1999 koordinuje českou účast v programu Euratom S&T ve fúzi (Asociace Euratom/IPP.CR)

Číst dál
Výzkumný a zkušební ústav Plzeň

Společnost VZÚ Plzeň navazuje na více než stopatnáctiletou tradici výzkumu, vývoje a inovací strojírenského podniku Škoda, do roku 2011 vystupovala pod jménem Škoda Výzkum. Zaměřuje se na sektor energetiky, výroby dopravních prostředků, přesné strojírenství a letectví. Mezi hlavní poskytované služby patří výzkum a vývoj moderních průmyslových povlaků aplikovaných kombinací technologií žárového nástřiku a tepelného zpracování, komplexní materiálová diagnostika a zkušebnictví, pokročilá datová věda v kombinaci s pevnostními a termodynamickými výpočty a dalšími specifickými materiálově orientovanými službami.

Číst dál
Západočeská univerzita v Plzni

Západočeská univerzita v Plzni (ZČU) poskytuje vzdělání na devíti fakultách v Plzni, z nichž dvě působí rovněž v Chebu. Její součástí jsou také dva vysokoškolské ústavy. ZČU vyrostla na tradici technických oborů, které postupně doplnily obory humanitní, ekonomické, umělecké a zdravotnické. Pestré zaměření fakult a zároveň jejich blízkost tak univerzitě poskytuje podmínky pro rozvoj interdisciplinárních studijních programů.
V akademickém roce 2021/22 studovalo na ZČU v bakalářských, magisterských a doktorských studijních programech celkem 11 800 studentů.
Úspěchy na poli vědy a výzkumu univerzitě přinášejí její výzkumná centra – Nové technologie – výzkumné centrum (NTC), Nové technologie pro informační společnost (NTIS) Fakulty aplikovaných věd, Regionální technologický institut (RTI) Fakulty strojní a výzkumné centrum RICE Fakulty elektrotechnické.
V roce 2019 udělil Národní akreditační úřad pro vysoké školství Západočeské univerzitě institucionální akreditaci, která jí umožňuje autonomně schvalovat studijní programy. Osm součástí ZČU je nositelem známky HR Award, kterou uděluje Evropská komise za péči o lidské zdroje v oblasti vědy a výzkumu. V akademickém roce 2021/22 oslavila ZČU 30. výročí existence.

Číst dál
Související články
Významný posun v oblasti strojírenství

Ve dnech 7.-9. února proběhl "pod taktovkou" Katedry technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. Podrobnostem jejího průběhu se v tomto vydání našeho časopisu věnuje nejen naše reportáž, ale i tento rozhovor s doc. Miroslavem Zetkem, hlavním organizátorem konference.

Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

Fotonika - klíč k technologickému rozvoji

Vynález laseru, optických vláken a polovodičových optických součástek výrazně zvýšil význam využití optiky pro moderní technologie. Byl to také impulz pro rozvoj mladého vědního oboru – fotoniky –, který se zabývá vlastnostmi a metodami využití fotonů. Místem, kde si odborníci z těchto tří na sobě závislých oborů – optika, elektronika a fotonika – sdělují svá know-how a sdílejí své úspěchy, se každoročně stává nejvýznamnější světový veletrh optických a laserových technologií Laser World of Photonics. I letos jej koncem června na mnichovském výstavišti doprovázel světový kongres World of Photonics congress.

Související články
Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Pokročilé mazání pro úspornost a spolehlivost

Věda a výzkum přinášejí zcela unikátní řešení i pro procesy zdánlivě zavedené a v oblastech, kde by inovace laik neočekával. Každý pozitivní a použitelný krok ke zlepšení klimatické situace naší planety je přínosem a jednou z nesmírně efektivních, užitečných, a vlastně poměrně snadných a finančně nenáročných záležitostí. Takovými by mohly být aplikace pokročilých tribologických řešení především pro dopravu, průmysl a výrobu energií.

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Lasery ve strojírenství

Před 20 lety vstoupily na komerční trh moderní vláknové, diskové a diodové lasery s výkonem nad jeden kilowatt, tedy nástroje použitelné ve strojírenské výrobě. To se projevilo v řadě současných technologií, od svařování přes povrchové úpravy až k aditivní výrobě. Podívejme se podrobněji, kam směřuje vývoj v této oblasti.

Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Zvýšení odolnosti polymerních nátěrů pomocí nano/mikrogelů

Polymerní nátěrové hmoty aplikované na výrobcích plní různé funkce, nejčastěji estetickou a ochrannou. Moderní typy nátěrových hmot by měly tyto funkce kombinovat a rovněž i vyhovovat stále se zpřísňující chemické legislativě a požadavkům kladeným na ochranu životního prostředí a pracovních potřeb. Přirozeným důsledkem je neustálá potřeba vyvíjet a zavádět nové sofistikované formulace nátěrových hmot, a to jak v oblasti rozpouštědlových, tak i vodouředitelných nátěrových hmot.

Funkční materiály pomocí depozice atomových vrstev

Depozice atomových vrstev (ALD – Atomic Layer Deposition) je technologie využívající depozice tenkých vrstev na povrch substrátu s přesností v atomovém měřítku, založená na řadě reakcí výchozí látky v plynném stavu s povrchem substrátu. Většina ALD reakcí používá dvě chemické látky, které se nazývají prekurzory.

Nátěry pro hezčí vzhled i lepší funkčnost

Nátěrové hmoty se běžně používají k dosažení dekoračních, ochranných a dalších funkčních účinků na určitém povrchu. Své o tom ví i společnost Synpo, která se již od padesátých let minulého století zabývá výzkumem a vývojem syntetických pryskyřic a laků. Jejich nátěrové hmoty používají např. výrobci dopravních prostředků, zemědělských strojů a jiných strojních zařízení.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit