SCIENTIFIC PAPER
Z V E Z A
RAZVOJ LASERSKO POVZROČENIH PERIODIČNIH POVRŠINSKIH STRUKTUR NA POVRŠINI TITANA PRI OBSEVANJU S PIKOSEKUNDNIMI LASERSKIMI BLISKI FORMATION OF LASER-INDUCED PERIODIC SURFACE STRUCTURES ON TITANIUM SURFACE DUE TO IRRADIATION BY PICOSECOND-LASER PULSES Matej Senegačnika, Matej Hočevarb, Peter Gregorčiča
a
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija
*Korespondenčni avtor: Peter Gregorčič Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Slovenija
S T R O J N I H
b
Mechanical Engineering World – 15 Journal homepage: www.zveza-zsis.si/
Tel.: +386 1 477 1 172 E-pošta: peter.gregorcic@fs.uni-lj.si
I N Ž E N I R J E V
Article info Article history: Received: 1st December 2017 Received in revise from 15th December 2017 Accepted 27th December 2017 Available online 28th December 2017
Abstract
Z lasersko povzročenimi periodičnimi površinskimi strukturami (LIPSS) je mogoče pomembno izboljšati funkcionalnost površin. V eksperimentih smo titan obdelovali z linearno polariziranimi pikosekundnimi laserskimi bliski z valovno dolžino λ = 1064 nm. Preučevali smo nastanek, obliko in razvoj LIPSS v odvisnosti od celokupnega števila bliskov, ki so obsevali površino. Rezultati kažejo, da pri majhnem številu bliskov na nastanek in orientacijo LIPSS vplivajo predhodne poškodbe površine. Pokazali smo, da pri večjih fluencah v osrednjem delu obdelovanega območja nastanejo LIPSS z nizko prostorsko fluenco (LSFL). Perioda struktur je znašala 0,8 λ – 1 λ, orientacija pa je bila pravokotna na polarizacijo svetlobe. Nasprotno so na robu območja laserske pike, kjer je fluenca nižja od mejne fluence za ablacijo, po obsevanju s posameznim bliskom nastale LIPSS z visoko prostorsko fluenco (HSFL); njihova perioda je znašala 0,15 λ – 0,5 λ, orientacija pa je bila lahko pravokotna ali vzporedna s polarizacijo svetlobe. Meritve kažejo, da se perioda LSFL s številom bliskov manjša; po obdelavi s petstotimi bliski se je zmanjšala za 20%.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) can significantly improve the surface functionality. In the experiments, we irradiated titanium surfaces by linearly polarized picosecond-laser pulses with a wavelength of λ =1064 nm. We studied the formation and growth of LIPSS with increasing the number of pulses irradiating the surface. Results show, that existing defects on the non-treated surface affect the LIPSS formation and orientation. We have shown that higher fluences in the center of the laser spot lead to formation of low spatial frequency LIPSS (LSFL) with period 0.8 λ – 1 λ, and orientation perpendicular to light polarization. On the contrary, at the edge of the laser spot, where fluence is below the single-pulse ablation threshold, high spatial frequency LIPSS (HSFL) appear with period 0.15 λ – 0.5 λ and orientation perpendicular or parallel to pulse polarization. Measurements reveal that the LSFL period decreases with number of pulses and is about 20% smaller when five hundred pulses have irradiated the surface.
Ključne besede: funkcionalizacija površin; laserski inženiring površin; lasersko povzročene periodične površinske strukture; pikosekundni laser
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
Povzetek
S L O V E N I J E
Kratki znanstveni prispevek / Short scientific paper
Keywoards: surface functionalization; laser surface engineering; laser-induced periodic surface structures; picosecond laser 15
SCIENTIFIC PAPER vodijo do sledečih pomembnih ugotovitev: •
•
Zahvala Delo je nastalo v okviru Programov št. P2-0392 in P2-0132, ki ju financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz državnega proračuna.
Literatura [1] A. Borowiec, H.K. Haugen, Subwavelength ripple formation on the surfaces of compound semiconductors irradiated with femtosecond laser pulses, Applied Physics Letters 82 (2003) 44624464.
[7] M. Birnbaum, Semiconductor Surface Damage Produced by Ruby Lasers, Journal of Applied Physics 36 (1965) 3688-3689. [8] B. Dusser, Z. Sagan, H. Soder, N. Faure, J.P. Colombier, M. Jourlin, E. Audouard, Controlled nanostructrures formation by ultra fast laser pulses for color marking, Opt. Express 18 (2010) 2913-2924. [9] X. Wang, C. Li, C. Ma, J. Feng, W. Hong, Z. Zhang, Formation of laser induced periodic structures on stainless steel using multiburst picosecond pulses, Opt. Express 26 (2018) 6325-6330. [10] M.Ž. Gregorčič P., Hočevar M., Lasersko povzročene periodične površinske strukture pri teksturiranju z nanosekundnimi laserskimi bliski, Svet strojništva 03 (2017) 18-25. [11] M. Hörstmann-Jungemann, Nano- and Microstructuring of SiO2 and Sapphire with Fs-laser Induced Selective Etching, 2009.
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
Doseženi rezultati so pomembni z vidika nadaljnjih raziskav na področju laserske funkcionalizacije površin z LIPSS z uporabo pikosekundnih laserskih bliskov. Tovrstni razvoj bo omogočil izboljšane lastnosti površin in njihovih interakcij z okolico, s tem pa pomembno pripomogel k tehnološkemu napredku.
[6] J. Bonse, S. Höhm, S.V. Kirner, A. Rosenfeld, J. Krüger, LaserInduced Periodic Surface Structures - A Scientific Evergreen, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 23 (2017) 1.
S L O V E N I J E
Perioda LSFL je odvisna tako od fluence, kot tudi od števila bliskov, s katerimi površino obsevamo. Z večanjem števila bliskov se ta konsistentno manjša, kar smo zabeležili v dveh različnih področjih. Pri obdelavi s petstotimi bliski se perioda nastalih LSFL, v primerjavi z obdelavo s tremi bliski, v obeh področjih zmanjša za 20%.
[5] Y. Vorobyev Anatoliy, C. Guo, Direct femtosecond laser surface nano/microstructuring and its applications, Laser & Photonics Reviews 7 (2012) 385-407.
I N Ž E N I R J E V
Na robu obdelovanega območja, kjer fluenca pade pod mejno vrednost za ablacijo z enim bliskom, nastanejo LIPSS z visoko prostorsko frekvenco (HSFL), katerih perioda znaša od 0,15 λ do 0,5 λ, orientacija pa je lahko pravokotna, lahko pa tudi vzporedna s polarizacijo obdelovalnih bliskov. Z večanjem števila bliskov HSFL ponekod spremenijo orientacijo in periodo, postanejo manj izrazite in prekrite s pretaljenim materialom, ali pa celo izginejo.
[4] P. Gregorčič, M. Sedlaček, B. Podgornik, J. Reif, Formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) on tool steel by multiple picosecond laser pulses of different polarizations, Applied Surface Science 387 (2016) 698-706.
S T R O J N I H
•
Razlika v fluenci na mestu obdelave povzroča nastanek LIPSS z različnimi periodami. V osrednjem delu obdelovanega območja, kjer so fluence višje, nastanejo LIPSS z nizko prostorsko fluenco (LSFL), katerih perioda se giblje med 0,7 λ in λ, orientacija pa je pravokotna na polarizacijo bliskov. Pri večjem številu bliskov se omenjene strukture poglobijo in formirajo t.i. utore.
[3] X.-F. Li, C.-Y. Zhang, H. Li, Q.-F. Dai, S. Lan, S.-L. Tie, Formation of 100-nm periodic structures on a titanium surface by exploiting the oxidation and third harmonic generation induced by femtosecond laser pulses, Opt. Express 22 (2014) 28086-28099.
Z V E Z A
•
LIPSS se prvotno formirajo v okolici poškodb površine (raz, udrtin), ki na tej stopnji tudi vplivajo na njihovo periodo in orientacijo.
[2] J. Reif, O. Varlamova, S. Uhlig, S. Varlamov, M. Bestehorn, On the physics of self-organized nanostructure formation upon femtosecond laser ablation, Applied Physics A 117 (2014) 179-184.
[12] J. Bonse, J. Krüger, S. Höhm, A. Rosenfeld, Femtosecond laserinduced periodic surface structures, Journal of Laser Applications 24 (2012) 042006. [13] A. M. Kietzig, S.G. Hatzikiriakos, P. Englezos, Patterned Superhydrophobic Metallic Surfaces, Langmuir 25 (2009) 48214827. [14] F.A. Müller, C. Kunz, S. Gräf, Bio-Inspired Functional Surfaces Based on Laser-Induced Periodic Surface Structures, Materials 9 (2016) 476. [15] J. Reif, O. Varlamova, F. Costache, Femtosecond laser induced nanostructure formation: self-organization control parameters, Applied Physics A 92 (2008) 1019-1024. [16] O. Varlamova, J. Reif, S. Varlamov, M. Bestehorn, Selforganized surface patterns originating from laser-induced instability, in: Progress in nonlinear nano-optics, Springer, 2015, pp. 3-29. [17] O. Varlamova, F. Costache, J. Reif, M. Bestehorn, Self-organized pattern formation upon femtosecond laser ablation by circularly polarized light, Applied Surface Science 252 (2006) 4702-4706.
21
ALUMNI KLUB
Z V E Z A
S T R O J N I H
I N Ž E N I R J E V
S L O V E N I J E
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
23
OLJŠEM TIMU
www.brinox.eu
Z V E Z A S T R O J N I H I N Ž E N I R J E V S L O V E N I J E W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
Spoštovani študenti Fakultete za strojništvo! Podjetje Brinox je eden največjih slovenskih zaposlovalcev strojnega kadra. Skupina Brinox trenutno zaposluje okoli 250 oseb, od tega okoli 100 inženirjev z višjo stopnjo izobrazbe. Področje farmacije in prehrane, na katerem delujemo, je tradicionalno poznano kot zanesljivo in vedno rastoče področje z visoko dodano vrednostjo. Skladno s temi trendi v prihodnjih letih pričakujemo stabilno in zanesljivo rast podjetja, s posebej poudarjeno rastjo našega visoko strokovnega inženirskega kadra.
BRINOX d.o.o., Sora 21, SI-1215 Medvode tel:+386 1 361 97 30, info@brinox.si
Tehnologija, ki uresničuje
27
Z V E Z A
S T R O J N I H
I N Ž E N I R J E V
S L O V E N I J E
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
INTERVJU:
MARKO GORJUP, DIREKTOR - PREDSEDNIK POSLOVODSTVA TPV D.O.O.
izzivov. Nepogrešljivi so na področju raziskav novih materialov in tehnologij ter razvoja izdelkov in tehnoloških procesov. Pri tem sodelujejo z razvojnimi timi največjih proizvajalcev vozil že v predrazvojnih fazah. Izdelke konstruirajo v 3D virtualnem okolju z najboljšimi tehnologijami na trgu, pri čemer poleg programov za risanje uporabljajo tudi različne programe za validacijo izdelkov - trdnosti, vzdržljivosti, vibracij, kinematike, kolizije. Izdelujejo prototipe, pri katerih se vse več poslužujemo 3D tiska. Svoje izzive lahko najdejo tudi na področju strojegradnje in avtomatizacije procesov. Pomembni so pri razvoju avtomatsko vodenih vozil in projektiranju ter programiranju avtonomnih proizvodno-logističnih sistemov. Strojniki pri nas uspešno prevzemajo tudi številne druge, manj tipično strojniške funkcije. 6. Kako v TPV-ju skrbite za razvoj kadrov V Skupini TPV imamo skrbno voden sistem razvoja kadrov, s katerim mnogokrat pričnemo že pred samo zaposlitvijo, saj dijakom in študentom že v času izobraževalnega procesa na stežaj odpiramo vrata in jim omogočamo praktično usposabljanje, pripravo zaključnih nalog ter jim nudimo štipendije. Ob pričetku zaposlitve se za vsakega novega sodelavca pripravi program usposabljanja in določi mentorja, ki ga spremlja in skrbi za realizacijo programa. V sklopu aktivnosti prepoznavanja talentov in potencialov uporabljamo metodo profiliranja osebnosti, na podlagi česar pripravimo karierni načrt posameznika in plan nasledstev za vodstveno strukturo in strokovne specialiste. Redno izvajamo letne osebne razgovore z zaposlenimi in definiramo plan izobraževanj za razvoj posameznikov. Spodbujamo tudi študij ob delu s povračilom stroškov študija. Zaposlenim podeljujemo interne strokovne kvalifikacije za strokovna znanja, ki so si jih pridobili skozi delovne izkušnje in izobraževanja. Vsako četrtletje izbiramo naj sodelavca in podeljujemo javne pohvale. V sklopu uveljavljene metode ciljnega vodenja oblikujemo nagrade za delovno uspešnost. Po metodi ocenjevanja 360 stopinj ocenjujemo vedenjske kompetence zaposlenih. Vsako leto merimo tudi zavzetost zaposlenih, na podlagi česar pripravljamo ciljno usmerjene aktivnosti za izboljševanje zavzetosti in konstruktivnih vedenj zaposlenih. 30
7. Dejali ste, da je trg danes že ves svet. S katerimi državami ste trenutno v najtesnejših povezavah in kam bi se še želeli razširiti? Najtesneje smo povezani z državami, ki so nosilci avtomobilske industrije in pa države, kjer imajo svoje proizvodnje naši kupci. V Evropi so to predvsem Nemčija, Francija, Velika Britanija ter Češka in Slovaška, kjer je vedno več proizvodnje avtomobilske industrije. Izven Evrope pa ZDA, Kitajska in Južna Afrika. Tesno smo povezani tudi s Srbijo, kjer imamo v Kragujevcu svojo tovarno. Na globalnem področju deluje tudi naša nabava. V prihodnje želimo izven meja razširiti tudi naše proizvodne zmogljivosti – poleg Srbije, kjer smo že prisotni, planiramo v prihodnjih letih vzpostaviti proizvodne lokacije tudi v ZDA in na Kitajskem. 8. Kakšni so vaši načrti za prihodnost? V naših obstoječih produktnih programih bomo še naprej utrjevali svojo prisotnost in tržno pozicijo. Pri tem želimo svojim kupcem postati še pomembnejši razvojni partner in jim z izkušnjami in inovativnimi pristopi zagotavljati najboljše rešitve, s katerimi bo njihov končni izdelek še konkurenčnejši in uspešnejši. Še naprej bomo širili našo globalno prisotnost. Na področju pametnih tovarn želimo postati eden pomembnejših tehnoloških kreatorjev. Ostajamo odprti za vse dobre ideje in povezovanja s parterji, s katerimi jih lahko uspešno udejanjimo in plasiramo na trg. Aktivno želimo soustvarjati mobilnost prihodnosti v najširšem smislu.
DRUŽUJE Na okrogli mizi so sodelovali:
S T R O J N I H
• •
Z V E Z A
Nagrado za življenjsko delo sta prejela:
1. Igor Berce, direktor podjetja Brinox d.o.o. 2. mag. Tomaž Berločnik, predsednik uprave družbe Petrol d.d. 3. Radovan Bolko, predsednik uprave Kolektor Group d.o.o. 4. dr. Hubert Kosler, direktor podjetij Yaskawa Slovenija in Yaskawa Ristro 5. prof. dr. Mitjan Kalin, dekan Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani 6. Ervin Strmčnik, doktorski študent strojništva 7. Matic Može, študent magistrskega študija strojništva
zasl. prof. dr. Adolf Šostar, Univerza v Mariboru izr. prof. dr. Ivan Bajsić, Univerza v Ljubljani
I N Ž E N I R J E V
Prejemniki priznanj:
•
mag. Peter Vogrič za dolgoletno in aktivno sodelovanje v Zvezi strojnih inženirjev Slovenije
•
izr. prof. dr. Janko Slavič za najboljši poster Akademije strojništva 2017 – znanstvena odličnost
•
- Teja Jereb za najboljši poster Akademije strojništva 2017 – aplikativna odličnost
Vez med inženirstvom in kulturno-zabavnim programom so stkali študenti Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani. Na prireditvi so se predstavili: Magični teater Serpentes in akrobatska skupina Dunking Devils. Dogodek je povezovala gospa Eva Longyka Marušič.
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
ekipa Edvard Rusjan Team za vrhunske dosežke na študentskih tekmovanjih
S L O V E N I J E
•
33
Z V E Z A
S T R O J N I H
I N Ž E N I R J E V
S L O V E N I J E
W W W . Z V E Z A - Z S I S . S I
35