超快激光器在发动机上生成微结构以减少燃料消耗

超短激光脉冲可用于在车辆发动机中的活塞环上产生微图案，以减少它们的摩擦并最终减少车辆的燃料消耗。（图片Fraunhofer IWS）

位于德国德累斯顿的弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所的工程师们正致力于使用超快激光器在车辆内燃机的部件上生成微结构，以减少其摩擦，从而降低车辆的整体燃料消耗超过10％。

当汽车发动机中的活塞每分钟上下移动几千次时，它们会摩擦汽缸的内壁。这种摩擦会减慢它们的速度，浪费动能并最终加速燃料。此外，随着时间的推移，小的材料损失和变形会损坏发动机。

因此，IWS工程师使用500飞秒超快激光脉冲在发动机的活塞环上产生精细结构 - 跨越几微米的小孔，以减少它们的摩擦。这种环将活塞封装成密封件，以使润滑油远离燃烧室。虽然看不见，但在显微镜下，结构化的孔看起来像排水通道或鱼骨。

根据Fraunhofer IWS的Udo Klotzbach博士的说法，这些骨骼模式有两个功能：“一方面，它们减少了可以摩擦气缸壁的区域。另一方面，通道将发动机油引导到通常发生最大摩擦损失的区域。从某种意义上说，如果我们坚持鱼骨[类比]，它的脊柱就是新油在需要时流过的通道。

当发动机运转时，微结构使得保护油膜始终在环和气缸内壁之间浮动，因此减少了系统内的摩擦。

Klotzbach估计，如果内燃机中选定的单个零件采用这种工艺处理，汽车可以减少汽油或柴油的百分之几。他补充说：“如果我们也用它来加工滑动轴承，滚动轴承和其他移动车辆部件，并计算整个汽车，我们甚至可以节省两位数的百分比。”

在许多其他机械系统中出现类似的摩擦问题，例如在机车或铣床中。 即使是现代电动汽车也会因电动机和其他运动部件的摩擦而浪费部分电池电量。根据Fraunhofer IWS的预测，预测显示这种摩擦和相关磨损每年消耗德国经济产出的2-7％左右。根据Klotzbach的说法，微结构因此可以显著减少这些摩擦损失 - 以及相关的支出 - 同时使系统的组件平均延长约30％。

弗劳恩霍夫工程师开发了新工艺，使其可用于大规模生产，现在正与汽车行业的合作伙伴一起进行测试。IWS科学家们还在探索其微型鱼骨的其他应用，例如机械工程和运动器材。

来源：激光制造网