Лазерный мир

Ультракороткие лазерные импульсы генерируют микро-паттерны в деталях двигателя, таких как поршневые кольца и, следовательно, уменьшают трение. Технология IWS Fraunhofer предназначена для снижения износа и трения и экономии топлива.

Д-р Удо Клоцбах из Института технологии материалов и луча Fraunhofer (IWS) в Дрездене считает, что если отдельные детали двигателей внутреннего сгорания будут обработаны этим способом, автомобили могут сэкономить несколько процентов бензина или дизельного топлива. «Если мы также будем использовать метод для обработки подшипников скольжения, подшипников качения и других деталей движущихся автомобилей и рассчитать это для всего автомобиля, мы сможем даже добиться экономии в двузначном процентном диапазоне», — убежден он. Эта технология также может значительно снизить потери в электромобилях и других машинах. «Кроме того, компоненты в среднем на 30 процентов больше служат в среднем», — подчеркивает 52-летний инженер-электрик.

Когда поршни в двигателе автомобиля двигаются вверх и вниз несколько тысяч раз в минуту, они притираются к внутренней стенке цилиндра. Это трение замедляет их, расходует кинетическую энергию и, в конечном счете, также топливо. Кроме того, небольшие потери материала и деформации наносят вред двигателю со временем — вплоть до пресловутого «задира поршня».

Потери на  трение до семи процентов от объема производства в Германии

Аналогичные проблемы с трением возникают во многих машинах, например, в локомотивах и фрезерных станках. Даже современные электромобили теряют часть заряда батареи за счет трения в электродвигателе и других движущихся частях. Прогнозы показывают, что трение и связанный с этим износ потребляют от двух до семи процентов годового объема производства в Германии. Хотя трения нельзя полностью избежать, однако его можно уменьшить. В качестве примера специалисты IWS протестировали свои антифрикционные технологии на поршневых кольцах. Такие кольца охватывают поршни двигателя, действуя как уплотнение, чтобы изолировать смазывающее  масло от камеры сгорания.

Микроскопический поток масла дельта смазывает двигатель

Новая функция — фотонное структурирование: лазеры излучают очень короткие, но высокоэнергетические световые импульсы. Таким образом, ученые генерируют несколько небольших отверстий глубиной в несколько микрометров (тысячные доли миллиметра)  на поршневых кольцах. В результате создаются паттерны, которые едва заметны невооруженным глазом, но выглядят как дренажные каналы или рыбные кости под микроскопом. Эти кости имеют две функции, объясняет доктор Удо Клоцбах: «С одной стороны, они уменьшают площади, которые могут истираться об стенку цилиндра. С другой стороны, каналы направляют моторное масло в районы, где  обычно возникают наибольшие потери на трение. В каком-то смысле, если мы придерживаемся схемы рыбной кости, ее позвоночник является каналом, через который при необходимости поступает новое масло ». Это приводит к тому, что защитная масляная пленка плавает между кольцом и внутренней стенкой цилиндра в любое время, когда двигатель работает.

Чрезвычайно короткие лазерные импульсы выкапывают точные паттерны

Однако лазер должен генерировать костную структуру с высокой точностью без образования резких заусенцев. Вот почему ученые IWS также используют ультракороткие импульсные лазеры, упомянутые выше: эти лазеры излучают световые импульсы, которые часто имеют длительность только 500 фемтосекунд. Для сравнения, два триллиона таких импульсов необходимы, чтобы прошла целая секунда. «Поскольку эти импульсы настолько коротки, материал почти не нагревается», — объясняет доктор Клоцбах. «На материале практически нет нежелательных эффектов».

В то же время инженеры Fraunhofer также отработали лазерные скорости, которые позволяют использовать технологию в массовом производстве. Сейчас они тестируют этот процесс вместе с партнерами из автомобильной промышленности. Ученые IWS также изучают другие приложения для своих рыбных микрокосточек, например, в машиностроении и спортивном оборудовании.

Перевод: https://www.iws.fraunhofer.de/en/pressandmedia/press_releases/2018/presseinformation_2018-09.html