Laser surface texturing and its application in automotive industry

One of the greatest concerns of Automotive industry like all other industries is energy consumption and conservation. Developing ever more fuel-efficient and compact automobile engines with reduced environmental impact is one of the biggest challenges that tribologists are facing in the era of global warming. Surface texturing as a means for enhancing Tribological properties of mechanical components is well known for many years. In this thesis project Laser surface texturing (LST) as a mean for enhancing surface Tribological properties , reduce friction and improve lubrication process in a shaft that is part of a heavy vehicle differential applied. Shaft material is Tool steel with Mn= 1.28% wt and W=1.15%wt. Before performing laser surface texturing on shaft surface; material properties, working conditions and dimple parameters requirements studied precisely. After finding the dimple parameters limit regarding to studied factors by means of Fiber laser (wave length=1064 nm , M2= 1.7) two different laser surface texturing methods are applied: point by point micro drilling and on the fly micro drilling. Dimples with different geometries are obtained with the combination of fixed and varied parameters and also different pulsing strategies. Textured dimples are measured precisely by means of 3D confocal microscope in metrology room of SITEC ( Alicona). Data statistical analysis is applied on dimples measured parameters to find out if dimples fulfill the texturing limits and to develop an illustrative analytical model for the phenomenon. Finally, measured dimples from two texturing strategies are compared together with also dimple parameters limitation,regarding to working conditions and material properties ;to find the best dimple parameters for designing surface which enhance Tribological properties and reduce friction. As future work, tribological tests to proof the validation of performed experiments are suggested.

Una delle maggiori preoccupazioni dell'industria automobilistica, come tutti gli altri settori è il consumo di energia e il suo risparmio. Il sempre maggior sviluppo di motori di automobili compatti a combustibile efficiente e con un ridotto impatto ambientale è una delle più grandi sfide che i tribologisti si trovano ad affrontare nell'era del riscaldamento globale. L’effetto positivo del texturing superficiale sulle proprietà tribologiche dei componenti meccanici è noto da anni. In questo progetto di tesi il laser texturing superficiale (LST) è utilizzato per migliorare le proprietà tribologiche superficiali, ridurre l'attrito e migliorare il processo di lubrificazione di un pozzo, parte di un differenziale di veicoli pesanti. Materiale dell'albero è acciaio per utensili con Mn = 1,28% wt e W = 1,15% wt. Prima di eseguire il laser texturing sulla superficie dell'albero sono stati ricercate con attenzione le proprietà del materiale, le condizioni di lavoro e i range accetabili per la geometria dei fori. Dopo aver trovato i limiti superiori e inferiori dei parametri geometrici dei fori, mediante laser in fibra (lunghezza d'onda = 1064 nm, 𝑀2= 1.7), sono state utilizzate due diverse tecniche di microforatura: point by point e on the fly. Sono stati ottenuti dimple con differenti geometrie grazie alla variazione della strategia di texturing e di alcuni parametri, mentre altri rimanevano fissi. I dimple ottenuti sono stati misurati con precisione mediante il microscopio confocale 3D nella sala metrologica del SITEC (Alicona). E stata sviluppata un’analisi statistica delle misure per scoprire se il processo di texturing ricadesse in un range accettabile e per sviluppare un modello analitico descrittivo del fenomeno. I risultati infine ottenuti dai due metodi di texturing sono stati confrontati tra loro e anche con le limitazioni imposte dalle condizione di lavoro e dalle proprietà dei materiali, per trovare il miglior compromesso tra i parametri di lavorazione per la progettazione di superfici che ottimizzino le proprietà tribologiche e riducano l'attrito. Prove tribologiche per validare la correttezza degli esperimenti eseguiti, sono suggerite come lavoro futuro.