PRODUCTION | SURFACE TECHNIQUE
การจัดการโครงสร้างไมโครช่วยลด การช�ำรุดสึกหรอในเครื่องยนต์สันดาป ภายในและปั้ม
สถาบัน Fraunhofer- IPT ได้พฒ ั นาโครงสร้าง ไมโครส�ำหรับพื้นผิว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการ สัมผัสและลดการเสียดทานของวัสดุทตี่ า่ งชนิดกัน โดยในโครงการนี้ มีการยืนยันเรื่องประสิทธิภาพ ของการจัดการโครงสร้างด้วยเลเซอร์ ด้วยการ ใช้ตัวอย่างจากปั้มลูกสูบตามแกน การท�ำงานร่วมกับบริษัทอุตสาหกรรมและ ศูนย์วิจัยพันธมิตรเป็นการศึกษาโครงสร้างพื้นผิว ของชิ้นส่วนต่างๆ ของปั๊มรับแรงสูงและทดสอบ ระบบตรวจสอบที่ออกแบบขึ้นมา โดยตัวอย่างที่ น่าสนใจก็คือ การวิเคราะห์หาประสิทธิภาพของ การลดการเสียดทานทีเ่ กิดขึน้ กับพืน้ ผิวสัมผัสของ ลูกสูบตามแกนที่มีโครงสร้างไมโคร มาตรฐาน DIN ของเยอรมนี ได้มกี ารระบุการ จัดการโครงสร้างด้วยเลเซอร์ไว้ในหมวดหมู่การ กัดเซาะด้วยความร้อนจากล�ำแสงเลเซอร์ ซึ่งใน กระบวนการนีจ้ ะใช้ลำ� แสงเลเซอร์ Pulse จนท�ำให้ เกิดการกัดเซาะ ส่วนการกัดเซาะออกที่เกิดขึ้น หลังจากการดูดซับล�ำแสงจะมีความแตกต่างกัน อย่างใดนั้นก็ขึ้นอยู่กับชนิดของ Pluse และระยะ เวลาที่ฉายล�ำแสงในหน่วยเฟมโตวินาที (Femtosecond, 1 fs = 10-15s)แต่ถ้าการฉายเลเซอร์ นั้นมีระยะเวลา 100 พิโกวินาที (Picosecond, 1 ps = 10-12s) หรือนานกว่านั้น มันจะท�ำให้ พลังงานส่วนใหญ่จากล�ำแสงถูกถ่ายทอดจากพื้น ผิวเข้าสู่ชิ้นงานจนน�ำไปสู่ความผิดพลาดได้ด้วย กรรมวิธีการน�ำความร้อน วัสดุของชิ้นงานที่ถูกฉายด้วยแสงเลเซอร์จะ มีความร้อนสูงขึ้นและเกิดการหลอมเหลว สาร หลอมเหลวจะถูกน�ำออกพืน้ ทีท่ ำ� งานของวัสดุ โดย ความดันไอทีม่ กี ารปรับไว้เพือ่ ไม่ให้สารหลอมเหลว นั้นเกิดการแข็งตัวและเกาะอยู่บนพื้นผิว ซึ่งการ แข็งตัวเหล่านี้จะท�ำให้คุณภาพโครงสร้างพื้นผิว ของชิ้นส่วนแย่ลง และท�ำให้จ�ำเป็นต้องมีการ เพิ่มกระบวนการผลิตเพื่อน�ำสารหลอมเหลวนั้น ออกมา จากการปฏิบัติแสดงให้เห็นว่า การฉายแสง เลเซอร์ Pluse ในช่วงระยะเวลาสั้น (t < 100 ps) จะท� ำ ให้ ไ ด้ คุ ณ ภาพและความเที่ ย งตรงของ โครงสร้างดีกว่าการฉายด้วยเลเซอร์ Pluse เป็น เวลานานกว่านี้ ปริมาตรที่น�ำออกต่อเลเซอร์ Pulse มีปริมาณน้อยกว่า เพราะพลังงานสูงสุด ของ Ultrashort pulse laser ในปัจจุบันจะอยู่ใน ระดับที่ต�่ำกว่า 100 ไมโครจูล เมื่อเปรียบเทียบ 66 MM
Short pulse laser
การดูดซึม การน�ำความร้อน การหลอมละลาย ท�ำให้ระเหย แสงเลเซอร์
1
วัสดุ
Ultra-Short pulse laser
2
ไอน�ำ้
พื้นที่ได้รับ ความร้อน
3 หลอมละลาย
ก�ำจัดออก
ไอน�ำ้
ไอน�้ำ
4 หลอมละลาย
5 หลอมละลาย ท�ำให้ระเหย
การดูดซึม แสงเลเซอร์ ร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว 1
วัสดุ
ไอน�้ำ 1
วัสดุ
รูปที่ 2 : กระบวนการเซาะออกที่เกิดขึ้นหลังจากการดูดซับล�ำแสงจะมีความแตกต่างกันตามชนิดของ Pulse และระยะเวลา กระท�ำเลเซอร์
ผลกระทบจากการเสียดทาน
เปลี่ยนแปลงกลไกทางกายภาพด้วยการจัดการโครงสร้าง กลไกทางกายภาพที่ช่วยลดผลกระทบ จากการเสียดทานและการสึกหรอมีมากมาย หลายปัจจัย ขึ้นอยู่กับรูปแบบและการระบุ ต� ำ แหน่ ง ของแรงที่ ก ระท� ำ ต่ อ โครงสร้ า งที่ ต้องการ โดยกลไกหลักๆ นั้นมีดังนี้ : ลดการช�ำรุดสึกหรอหรือกัดกร่อนได้ โดยลดส่วนของพืน้ ทีท่ ถี่ กู แรงกระท�ำ โดยอ้าง อิงจากทฤษฏีเกี่ยวกับการเคลือบผิวชิ้นส่วน ที่ต้องรับแรงสูงเพื่อป้องกันการสึกหรอ ซึ่ง จะถูกก�ำหนดขึ้นจากการวิเคราะห์ปัจจัยที่ส่ง ผลกระทบทั้งหมด จลนศาสตร์สารตัวกลางมีผลท�ำให้แรง โหลดกระท�ำถูกปรับให้กระจายลงไปบนพืน้ ผิว โดยสารตัวกลาง โดยเฉพาะกับสารตัวกลาง ของไหลเช่น เครื่องปั่นไฮดรอลิกและชิ้นส่วน ของมอเตอร์ที่ถูกหล่อลื่น จากการใช้งานจริงบางประการแสดง ให้เห็นว่า โครงสร้างไมโครสามารถท�ำหน้าที่ เป็น “debris trap” ชิ้นส่วนที่แตกออกมา จากการสึกหรอได้ ซึ่งภายใต้สภาวะความดัน สูงของระบบสามารถก่อให้เกิดความเสียหาย ต่อพื้นผิวที่รับแรง (เช่นพื้นผิวแบริ่ง) และยิ่ง กับพลังงาน Pluse ของแหล่งก�ำเนิดรังสีเลเซอร์ ทัว่ ไป ส่วน Nanosecond ทีม่ ากกว่า 100 มิลลิจลู อัตราการน�ำออกต่อ Laser Pulse ที่น้อยกว่าเมื่อ ก่อนสามารถชดเชยได้ โดยเพิ่มความถี่ Pluse ให้ สูงขึ้น แต่อย่างไรก็ดีในปัจจุบันนี้ส่วนใหญ่จะใช้ แหล่งก�ำเนิดเลเซอร์ Picosecond ส�ำหรับการ จัดการโครงสร้างเหล็ก ส่วนแหล่งก�ำเนิดเลเซอร์
จะท�ำให้เกิดการช�ำรุดเสียหายมากยิ่งขึ้นตาม ระยะเวลา แต่โครงสร้างไมโครจะท�ำหน้าที่ ดักชิ้นส่วนที่แตกหลุดออกมาเหล่านั้นเอาไว้ และน�ำออกไปจากระบบ ท�ำให้ได้ผลลัพธ์ที่ดี กับระบบที่มีการหล่อลื่น การออกแบบโครงสร้างไมโครของแต่ละ โมเดลจะส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลง ลั ก ษณะ tribology ของพื้ น ผิ ว สั ม ผั ส ทั้ ง เชิงบวกและลบ ดังนั้นจึงควรจะออกแบบ โครงสร้างให้มผี ลกับลักษณะ tribology ทีต่ รง ตามความต้องการ ซึ่งข้อดีของกรรมวิธีที่ใช้ เลเซอร์ที่เหนือกว่ากรรมวิธีจัดการโครงสร้าง ไมโครแบบทั่วๆ ไปก็คือ มันจะมีความยืดหยุ่น สูงกว่ามากและยังสามารถท�ำการผลิตชิน้ ส่วน ที่มีโครงสร้างซับซ้อนได้ นอกจากนั้นเทคโนโลยีระบบเครื่องจักร ประกอบกับโปรแกรมที่เหมาะสมก็จะยังช่วย ส่งเสริมข้อได้เปรียบของการจัดการโครงสร้าง พื้นผิวอิสระสามมิติด้วยเลเซอร์อีก รวมทั้ง ยังช่วยให้กระบวนการผลิตมีความมั่นคงเชิง เศรษฐกิจ ซึ่งเป็นผลมาจากการพัฒนาอย่าง ต่อเนื่องของระบบเลเซอร์และอุปกรณ์ Femtosecond จะเหมาะกับอุตสาหกรรมบางชนิด เท่านั้น และการพัฒนาเพื่อเพิ่มคุณภาพการน�ำ ออกให้มากยิ่งขึ้นในปัจจุบันก็ท�ำได้เพียงเล็กน้อย อีกทั้งยังสิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย มีการจัดหาและติด ตั้งที่ค่อนข้างยุ่งยาก MM ข้อมูลอ้างอิง http://www.gehring.de/technologie/laser-honen
Machine Market / January 2014
P64-66_Surface Technique.indd 66
12/9/2013 10:56:26 AM