超快激光器在發動機上生成微結構以減少燃料消耗

超短激光脈衝可用於在車輛發動機中的活塞環上產生微圖案，以減少它們的摩擦並最終減少車輛的燃料消耗。（圖片Fraunhofer IWS）

位於德國德累斯頓的弗勞恩霍夫材料與光束技術研究所的工程師們正致力於使用超快激光器在車輛內燃機的部件上生成微結構，以減少其摩擦，從而降低車輛的整體燃料消耗超過10％。

當汽車發動機中的活塞每分鐘上下移動幾千次時，它們會摩擦汽缸的內壁。這種摩擦會減慢它們的速度，浪費動能並最終加速燃料。此外，隨著時間的推移，小的材料損失和變形會損壞發動機。

因此，IWS工程師使用500飛秒超快激光脈衝在發動機的活塞環上產生精細結構 - 跨越幾微米的小孔，以減少它們的摩擦。這種環將活塞封裝成密封件，以使潤滑油遠離燃燒室。雖然看不見，但在顯微鏡下，結構化的孔看起來像排水通道或魚骨。

根據Fraunhofer IWS的Udo Klotzbach博士的說法，這些骨骼模式有兩個功能：「一方面，它們減少了可以摩擦氣缸壁的區域。另一方面，通道將發動機油引導到通常發生最大摩擦損失的區域。從某種意義上說，如果我們堅持魚骨[類比]，它的脊柱就是新油在需要時流過的通道。

當發動機運轉時，微結構使得保護油膜始終在環和氣缸內壁之間浮動，因此減少了系統內的摩擦。

Klotzbach估計，如果內燃機中選定的單個零件採用這種工藝處理，汽車可以減少汽油或柴油的百分之幾。他補充說：「如果我們也用它來加工滑動軸承，滾動軸承和其他移動車輛部件，並計算整個汽車，我們甚至可以節省兩位數的百分比。」

在許多其他機械系統中出現類似的摩擦問題，例如在機車或銑床中。 即使是現代電動汽車也會因電動機和其他運動部件的摩擦而浪費部分電池電量。根據Fraunhofer IWS的預測，預測顯示這種摩擦和相關磨損每年消耗德國經濟產出的2-7％左右。根據Klotzbach的說法，微結構因此可以顯著減少這些摩擦損失 - 以及相關的支出 - 同時使系統的組件平均延長約30％。

弗勞恩霍夫工程師開發了新工藝，使其可用於大規模生產，現在正與汽車行業的合作夥伴一起進行測試。IWS科學家們還在探索其微型魚骨的其他應用，例如機械工程和運動器材。

來源：激光製造網

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