Лазерный мир

Айнара Родригес — исследователь в области высокоточной лазерной обработки в CEIT, исследовательском институте в Сан-Себастьяне в Испании. Она рассказывает ESCI об экологических преимуществах лазерного структурирования, секретах испарения металла и дальнейших применениях технологии Laser4Surf.

Какова роль CEIT в проекте Laser4Surf?

Родригес: CEIT выполняет двойную роль в проекте Laser4Surf. Поскольку мы координируем и управляем всем проектом, мы несем ответственность за то, чтобы все партнеры достигли своих целей. И мы также разрабатываем один из модулей для интеграции в окончательный прототип. Поэтому у нас также есть техническая роль.

Над какими ключевыми приложениями работает Laser4Surf?

Родригес: Мы предназначались для трех разных приложений в самых разных областях. Одним из них является разработка новых аккумуляторов. Мы работаем над модификацией токосъемников аккумуляторов с целью повышения их производительности. Мы также работаем над модификацией поверхности биомедицинских имплантатов путем усиления адгезии и пролиферации клеток в этих типах трехмерных деталей. Мы также совершенствуем оптические датчики, чтобы их можно было легко интегрировать в станки с ЧПУ.

Вы используете ультракороткие импульсные лазеры для обработки поверхности металла. Можете ли вы объяснить, что на самом деле происходит на поверхности металла?

Родригес: Это очень сложно. Научное сообщество остается несколько разделенным по поводу того, что именно происходит с поверхностью материала. Однако общепризнанно, что, когда вы облучаете поверхность металла ультракоротким импульсом или с любой другой длительностью импульса лазера, вы можете вызвать образование на поверхности какие-то самоорганизующихся структур. Это происходит из-за интерференции света на образце и плазмонах, которые либо отражаются, либо генерируются на поверхности этих материалов. Следовательно, речь идет о периодических структурах, создающих помехи свету.

Структуры поверхности, которые вы создаете на металлах, не всегда одинаковы. Какие структуры необходимы для каких целей?

Айнара Родригес: Каждое приложение требует различных функций. Например, для имплантатов важно вызывать определенную шероховатость. Поэтому нам нужно иметь как горизонтальное , так и вертикальное измерение. В таких случаях ориентация кажется неактуальной. В других случаях, например, при создании решеток, направление является наиболее важным параметром. Это потому, что свет дифрагирует только в направлении, совпадающем с решеткой. В зависимости от применения свойства этих структур должны быть разными.

С начала проекта прошло два года: как идут дела? Есть ли какие-нибудь ожидаемые результаты?

Родригес: У нас отличные результаты в некоторых приложениях. Первоначальная идея этого предложения заключалась в улучшении производительности трех различных компонентов на 20%. Для одного из приложений мы получили увеличение производительности на 50% за год до окончания проекта. Так что теперь мы ожидаем, что результаты превзойдут наши оценки, по крайней мере, для этого приложения. Между тем у нас есть очень многообещающие результаты для двух других приложений. Кроме того, нам удалось разработать различные модели, чтобы сделать эту технологию доступной для массового производства. Для меня это выглядит как очень успешный проект.

В случае аккумуляторов: как может поверхность, обработанная лазером, улучшить характеристики?

Родригес: Мы в основном нацелены на токосъемники, начальную часть батареи. С помощью лазерного текстурирования этой поверхности, которая обычно представляет собой медную или алюминиевую фольгу, мы можем увеличить адгезию материалов, которые осаждаются на ней, и улучшить их сопротивление. Мы также можем удалить неустойчивые материалы, такие как углеродное покрытие, обычно используемое для улучшения этих предметов.

Как бы вы описали воздействие Laser4Surf на окружающую среду?

Родригес: Основное влияние проекта в этом отношении будет связано с применением для изготовления самой лазерной технологии, потому что это экологически чистая технология. Не требует никаких химикатов. Продукты просто необходимо облучать светом. Нет другого материала, взаимодействующего с поверхностью. Это может быть очень полезно для всех деталей, которые сейчас производятся  с использованием химических методов. Обычно методы образования шероховатости поверхности основаны либо на абразивах, либо на химической обработке, которая может привести к появлению нежелательных соединений и привести к загрязнению. Поэтому, если мы сможем заменить химические вещества лазерной абляцией или лазерным структурированием, это приведет к удалению из промышленности большого количества химических веществ. Для батарей это означает, что если мы сможем текстурировать поверхность токосъемника вместо использования коллекторов с углеродным покрытием, мы могли бы избежать использования химикатов, и мы могли бы использовать суспензии на водной основе, для обработки которых не требуется химический растворитель.

Есть ли у технологии Laser4Surf другие приложения?

Родригес: У этой техники много применений. Мы выбрали только три из них для этого проекта, потому что мы не можем охватить такой широкий диапазон в трехлетнем проекте. Интересным применением является, например, обработка полимерных, а не металлических деталей. Одним из недостатков лазерной обработки является то, что обычно при создании структур в полимерах поведение не такое, как в металлах, вы не можете определить структуры хорошего качества в полимерном материале с помощью лазера. Тем не менее, полимеры могут быть успешно обработаны с помощью косвенного процесса путем литья под давлением. Это включает использование наноструктурированной металлической формы вместо создания  LIPPS на полимерных деталях.

Таким образом, вам просто нужно обработать одну пресс-форму, чтобы создать тысячи или сотни тысяч копий одной и той же детали в полимерном материале. Это очень экономичный способ обработки.

Где можно использовать эти полимеры?

Родригес: Вы можете использовать эти наноструктуры, чтобы сделать поверхность водоотталкивающей для жидкостей. Или вы можете использовать их в декоративных целях, поскольку обработанные детали блестят в разных направлениях или показывают разные цвета.

Есть много деталей, которые изготавливаются с использованием этой технологии литья под давлением: например, крышки бутылок с водой или в маленьких зубных брекетах, например.

Теперь у вас есть еще один год, чтобы поработать в этом проекте. Что вы ожидаете в последующем? Где будут лежать новые проблемы?

Родригес: В течение этого последнего года мы будем искать дальнейшие применения для этой техники, чтобы разные производители могли улучшать свои продукты. Конечно, мы также будем работать над проверкой наших трех приложений. Предварительные результаты уже получены, но методика должна пройти много испытаний после завершения проекта. Биомедицинские имплантаты имеют много регуляторных аспектов, которые необходимо охватить, и многие вещи должны быть оптимизированы. С точки зрения прототипа, работы тоже много. У нас есть функциональный прототип, но он выглядит как прототип. Нам нужно сделать это визуально привлекательнее.

Источник: https://www.laser4surf.eu/a-green-technology-for-nanostructuring/