Suurten pinta-alojen laserstrukturointi

Abstract

Kandidaatintyöni tarkoituksena on muodostaa yhteenveto nykyään laserstrukturoinnissa käytettävistä laitteista ja laserstrukturoinnin sovelluskohteista. Lisäksi kandidaatintyössäni on tarkoituksena tutkia laserstrukturointitekniikoiden soveltuvuutta teollisuuden tarpeisiin. Laserstrukturoinnin laitteistojen käsittelyä painotetaan työssäni, joten sovelluskohteita on käsitelty suhteessa vähemmän kuin laitteistoja. Myös laserstrukturoinnin fysikaalista pohjaa ja laserstrukturoinnin mallintamista on tarkasteltu suppeasti työssäni. Tutkimuskysymyksiin on vastattu kirjallisuusselvityksen avulla, minkä vuoksi kokeellista osuutta ei ole. Kirjallisuusselvityksen lähdekirjallisuutena on käytetty viime vuosina julkaistuja tutkimusartikkeleita ja yritysten dokumentteja.

Laserstrukturointimenetelmät perustuvat fysikaalisesti laserablaatioon, jossa lasersäteilyn avulla muokataan materiaalia. Työssäni tarkastellaan suurten pinta-alojen käsittelyä, ja suureksi pinta-alaksi kirjallisuudessa katsotaan ympyrä, jonka säde on 10mm. Kirjallisuudessa laserstrukturointimenetelmät on jaettu kolmeen päämenetelmään: suorat työstömenetelmät, laserinterferenssi ja maskitekniikat. Suoriin työstömenetelmiin kuuluvat tavallinen suoratyöstö, galvanometrinen skannaus ja polygoniskannaus. Työstömenetelmistä kaikkein joustavimpia ja nopeimpia ovat galvanometrinen skannaus ja polygoniskannaus, minkä takia ne ovat parhaiten teollisuuden tarpeisiin soveltuvia tekniikoita. Tavallinen suoratyöstömenetelmä taas on menetelmistä hitain, eikä se sellaisenaan sovellu teolliseen käyttöön. Tavallista suoratyöstömenetelmää on kuitenkin mahdollista nopeuttaa huomattavasti kasvattamalla järjestelmän laserlähteiden määrää tai lisäämällä järjestelmään painatussylinteri. Nopeutensa vuoksi useita laserlähteitä sisältävät järjestelmät ja painatussylinterin sisältävät järjestelmät soveltuvat hyvin teollisuuteen. Painatussylinterin sisältävät järjestelmät soveltuvat varsinkin käyttötilanteisiin, joissa työstetään suuria määriä samaa pinnan mikrorakennetta kappaleen pintaan.

Maskitekniikat soveltuvat teollisuuden tarpeisiin huonoiten niiden monimutkaisuuden ja rajoitettujen käyttökohteiden vuoksi. Interferenssimenetelmä taas on osoittautunut parhaaksi menetelmäksi käyttökohteisiin, joissa halutaan työstää jaksollisesti toistuvia pintarakenteita. Laserstrukturointi on monimutkainen prosessi, jonka ymmärtämiseen ja optimoimiseen voidaan käyttää mallintamista. Mallinnuksessa voidaan käyttää joko analyyttisiä, kokeellisia tai tekoälyyn perustuvia malleja. Laserstrukturoinnilla on useita sovelluskohteita, joihin kuuluvat vettä hylkivät pinnat, tribologia, lääketiede ja optiikka.