Ingegneria delle superfici: influenza dei microdimples sull’attrito

Dai primi anni ’90 del secolo scorso l’ingegneria delle superfici ha iniziato a studiare nuovi metodi per ridurre l’attrito e migliorare le prestazioni degli organi meccanici. Per mezzo del micro-texturing è possibile incrementare o ridurre il coefficiente di attrito, soprattutto in condizioni di lubrificazione mista o idrodinamica. L’avvento di sistemi di lavorazione superficiale laser ha reso queste soluzioni più accessibili, nonostante il costo sia ancora piuttosto impegnativo, anche nel settore oleodinamico.

Molti fenomeni fisici che hanno a che fare con lo scambio di energia avvengono attraverso le superfici. La trasmissione del calore, la trasmissione delle forze, così come il movimento di un corpo immerso in un fluido sono tutti fenomeni che coinvolgono lo studio delle superfici. Negli ultimi decenni, la comprensione dei fenomeni superficiali, in particolare su scala micro e nanometrica, ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo di molti settori avanzati, quali: elettronica, informatica, energia, ottica, tribologia, biologia, biomimetica, ecc. Inoltre, la corsa alla miniaturizzazione ha avuto come conseguenza lo sviluppo della micro fabbricazione, ossia delle tecnologie in grado di poter gestire processi su scala micro o nano. Le relazioni tra le tecnologie per strutturare le superfici, le loro proprietà funzionali e le applicazioni che sfruttano la funzionalità delle superfici sono comune denominatore della ricerca svolta negli ultimi anni.

Nel lontano 1999 è apparso un primo studio complessivo sull’ingegneria delle superfici, da cui è possibile apprendere le prime definizioni basilari (Evans CJ, Bryan JB: “Structured, Textured or Engineered Surfaces“). Una superficie strutturata (structured surface), ad esempio, è una superficie che viene progettata al fine di garantire una specifica performance funzionale. Un esempio può essere la parte riflettente dei segnali stradali o dei fanali delle auto, i così detti catadiottri. In questo caso, il disegno della superficie viene deliberatamente scelto con l’obiettivo di ottenere una funzione ben specifica (la riflessione dei raggi luminosi). L’ingegneria delle superfici è invece quella scienza che lavora sulle metodologie di produzione delle superfici strutturate al fine di raggiungere le proprietà funzionali richieste: ad esempio mediante la disposizione degli strati (layer) successivi di un coating. Di conseguenza, una superficie ingegnerizzata è stata ottenuta mediante una serie di processi che sono stati ottimizzati proprio per garantire l’ottenimento di una forma prestabilita, come mostrato in Figura 1.

Perfino il grande Leonardo da Vinci si è cimentato con l’ingegneria delle strutture, realizzando una macchina che periodicamente realizzava dei bozzi su una lastra metallica. Il fine ultimo di tale strumento è rimasto però a tutt’oggi sconosciuto.

Non ha però senso, realizzare una superficie particolare senza pensare all’impiego che se ne dovrà fare. Quindi l’interrelazione tra proprietà che si vogliono ottenere, ingegneria delle superfici e applicazione è molto stretta. Per esempio, le proprietà che si instaurano tra una superficie e un liquido (wettability) sono funzione sia della geometria della superficie, sia dei legami chimici che si instaurano tra il fluido e la superficie.

Figura 1 – Esempio di ingegneria delle superfici. La struttura superficiale ottenuta è frutto di una serie di passaggi produttivi volti ad ottenere la particolare forma a “petalo di rosa”.

Come ti riduco l’attrito

Negli ultimi venti o trent’anni si sono compiuti passi da gigante nel settore dell’ingegneria delle superfici. Le tecniche di PVD (Phisical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition) e TS (Thermal Spraying) hanno reso possibile l’applicazione di coating superficiali in grado di migliorare notevolmente il comportamento tribologico delle superfici. Lo spessore di questi rivestimenti spazia nel range compreso dal micrometro, fino ad alcuni millimetri.

Tra le varie tipologie di coating esistenti, sicuramente i più interessanti sono quelli sottili (μm), perché in genere possono essere applicati sui componenti senza bisogno di modificare le tolleranze di accoppiamento. Alcuni di questi rivestimenti sono in grado di ridurre fino al 90% l’attrito in caso di strisciamento a secco e in un range tra il 10 e il 30% nel caso di superfici lubrificate. Anche il loro contributo in termini di aumento della resistenza a fatica è notevole: fino a 10 volte nel caso di moto di rotolamento (cuscinetti a sfera) e fino a tre volte nel caso degli ingranaggi.

Come si è accennato all’inizio di quest’articolo, la topografia delle superfici gioca un ruolo cruciale in merito alla riduzione dell’attrito. In passato si pensava che la rugosità della superficie (su scala micrometrica) fosse il parametro più importante da controllare per garantire una buona lubrificazione, e quindi una buona riduzione dell’attrito. Le superfici dovevano essere quanto più lisce possibile. Controllando in questo modo la finitura superficiale degli ingranaggi si è riusciti a ridurre anche del 30% le perdite per attrito (Britton RD, et al.: “Effect of surface finish on gear tooth friction”).

Una nuova tecnologia che si è affacciata negli ultimi anni prova a sovvertire il principio secondo cui più la superficie è liscia più si riduce il coefficiente di attrito, applicando l’ingegneria delle superfici in modo mirato e controllato. Si tratta del così detto texturing superficiale mediante micro e nano dimples. Le dimples (letteralmente “fossette”) non sono altro che dei micro solchi realizzati sulla superficie in modo determinato. Una prima applicazione è stata sviluppata in ambito sportivo, sulle palline da golf (Figura 4), per produrre un sottile strato d’aria turbolento che aderisce alla superficie della palla. Ciò porta ad un flusso d’aria regolare sulla superficie della palla che riduce la resistenza di avanzamento. Nell’ingegneria delle superfici e nei sistemi energetici, soluzioni tecnologiche di questa fattura sono riconosciute come promettenti tecniche passive, in grado di aumentare considerevolmente la scorrevolezza di un corpo, a prezzo di un ridotto aumento della perdita di carico nel circuito lubrificante.

Figura 4 – Esempio di dimples sulla pallina da golf.

Esistono diversi meccanismi con i quali le dimples contribuiscono alla riduzione dell’attrito e dell’usura. I quattro principali sono: capacità di trattenere i residui da usura delle superfici; capacità di modificare l’angolo di contatto tra il lubrificante e la superficie; fungere da micro-serbatoio di lubrificante. Bisogna chiarire che, quando si parla di dimples nell’ambito della riduzione dell’attrito su componenti di macchine, stiamo parlando di elementi aventi un diametro di circa 100 μm e una profondità di 10 μm.

Nell’ambito dell’ingegneria delle superfici, le attività di ricerca hanno mostrato la possibilità di poter affrontare il problema con approcci differenti. Le dimples posso essere fabbricate con metodi differenti, come la fresatura, la modifica dei nanocristalli superficali mediante ultrasuoni, laser YAG, microutensili, lavorazione fotochimica, macchine per incisione in miniatura, laser texturing, laser a femtosecondi e tornitura. Esistono anche molti studi in letteratura in merito alla fabbricazione delle dimples non solo su superfici piane, ma anche su componenti cilindriche (Ping Guo, Kornel F. Ehmann: “Development of a tertiary motion generator for elliptical vibration texturing“).

Molti studiosi concordano nel considerare la lavorazione mediante raggio laser come uno dei metodi più affidabili per la produzione delle dimples, grazie alla elevata controllabilità geometrica e precisione di lavorazione. Purtroppo, gli stessi studiosi che lodano la tecnologia laser, ne riconoscono i limiti, soprattutto in termini di costi e tempi: alti entrambi. Inoltre, in alcuni casi, si è potuto notare che la lavorazione laser ha provocato delle modifiche microstrutturali sulla superficie trattata, aumentando in certi casi la rigidezza del materiale.

 

 

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