Udostępnij artykuł:

Powierzchnie niskorefleksyjne – LTBC i inne opcje

Powierzchnie odblaskowe mogą powodować nieprawidłowe działanie w niektórych zastosowaniach, a nawet wpływać na wyniki, np. w kontroli jakości lub w pomiarach wspomaganych optycznie. Należy wziąć to pod uwagę przy wyborze powierzchni. Jak można zminimalizować refleksje? W tym artykule przedstawiono różne opcje obróbki powierzchni i powlekania powierzchni. Niskotemperaturowe czarne chromowanie, LTBC lub również proces czarnego chromowania, jest wyjaśnione w szczególności.

Terminy - Odbicie w fizyce i w fizyce

Odbicie (refleksja) pochodzi od łacińskiego słowa „reflexio”, co oznacza „odwracanie się”. Ogólnie rzecz biorąc, odbicie oznacza, że na przykład fale, światło lub dźwięk uderzają, a następnie są wyrzucane z powrotem przez powierzchnię. W fizyce odbicie odnosi się nieco bardziej konkretnie do zmiany kierunku propagacji fali. Prawo odbicia ma zastosowanie w tym przypadku (od łacińskiego reflectere: zawrócić). Prawo odbicia stwierdza, że incydent i odbite wiązki, a także oś zapadalności tworzą wspólną płaszczyznę lub leżą na wspólnej płaszczyźnie. Kąty padania i odbicia są równe.

\alpha =\alpha’

Propagacja światła może być pokazana w uproszczony sposób w kształcie fali:

t - Jednostka czasu
x - Interwały na czas = częstotliwość
a - Szczyt amplitudy. Im wyższy maksymalny szczyt amplitudy, tym bardziej intensywne - czyli jaśniejsze - pojawia się światło.
Im wyższa wartość szczytowa amplitudy i im krótsze interwały, tym większa transportowana energia.

Ścieżka światła jest również odwracalna, tzn. gdy światło pada z kierunku wiązki odbitej, odbija się w kierunku wiązki padającej.

Zamiast odbijania, światło, fale i inne promienie mogą być również absorbowane i przekazywane. Absorpcja występuje, gdy materiał dotknięty wiązką całkowicie pochłania ten ostatni i przekształca go w inną formę energii, taką jak ciepło. Przekładnia występuje, gdy wiązka przechodzi całkowicie przez medium bez odbicia lub wchłonięcia.

Celowe zastosowanie w inżynierii

Inżynierowie mogą celowo wykorzystywać odbicie, transmisję i absorpcję. Na przykład następujące technologie wykorzystują refleksję:

Urządzenia optyczne: Światło odbite przez lustro, np. w aparacie, może być zatem sterowane celowo.
Technologia komunikacyjna: Na przykład lustra paraboliczne odbijają fale elektromagnetyczne. Umożliwia to wysyłanie i odbieranie sygnałów.
Technologia słoneczna: Lustra są również używane tutaj, które koncentrują światło słoneczne, generując w ten sposób więcej ciepła.

Na przykład transmisja odbywa się za pomocą ultradźwięków. Fale ultradźwiękowe penetrują materiały stałe i dostarczają obrazów struktury wewnętrznej.

Absorpcja jest stosowana w optyce: Rozproszone światło może być absorbowane, a tym samym minimalizowane przez pochłanianie powierzchni, takich jak czarne powierzchnie.

Odbite światło jako współczynnik hałasu? Znaczenie powierzchni o niskiej refleksyjności

Refleksje nie są pożądane wszędzie tam, gdzie się pojawiają. W niektórych zastosowaniach odbicia mogą mieć nawet negatywny wpływ. Na przykład odbicia mogą zniekształcać obrazy używane do kontroli jakości. Przykładem jest pomiar i wyrównanie komponentów. Oba zastosowania wykorzystują lasery. Jeśli wiązka lasera zostanie odbita lub zniekształcona, odbite wiązki lasera będą zakłócać dokładność pomiaru. W systemach optycznych, takich jak mikroskopy, odbicia mogą również negatywnie wpływać na jakość obrazu i utrudniać ocenę obrazów.

Powierzchnie niskorefleksyjne są zatem ważnym elementem w wielu systemach.

Wpływ różnych powierzchni na refleksję

Stopień odbicia różni się w zależności od koloru materiału, wykończenia powierzchni i poprzedniej obróbki powierzchni. Światło jest odbijane, rozpraszane i pochłaniane w różnym stopniu.

* Przedstawiona tutaj ilustracja jest bardzo uproszczona i nie odnosi się do wszystkich zjawisk, które wchodzą w grę.

Ciemne powierzchnie zazwyczaj pochłaniają więcej światła niż jasne powierzchnie i odbijają znacznie mniej światła widzialnego dla oka. Im mniej światła jest odbijane, tym ciemniejsza powierzchnia.

Na przykład lśniący, jasny materiał (1a) będzie odbijał światło bezpośrednio. Ponieważ jasne materiały nie absorbują światła szczególnie mocno, ilość światła padającego jest prawie tak duża, jak ilość odbita; jest mało rozproszenia. Jest to nieco inne dla błyszczącej ciemnej powierzchni (1b): Światło jest również odbijane bezpośrednio, ale część światła jest już absorbowana przez ciemną powierzchnię. Oznacza to, że gęstość energii odbitego światła jest również zmniejszona. Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Połączenie bezpośredniego i rozproszonego odbicia ma miejsce dla jasnych i ciemnych półbłyszczących powierzchni (2a i 2b): W obu przypadkach gęstość energii rozproszonego promieniowania odblaskowego jest niższa. Jednak ciemna powierzchnia znacznie tłumi promieniowanie odblaskowe ze względu na zwiększoną absorpcję. Tutaj również kąt padania jest równy kątowi odbicia.

W przypadku matowych powierzchni (3a i 3b) kierunek odbitego światła nie może być już wyraźnie określony; kąt padania i kąt odbicia różnią się. Bez celowego wyrównania światło może ponownie uderzyć w powierzchnię elementu i może być tam ponownie wchłonięte. Zwłaszcza na ciemnych matowych powierzchniach (3b), światło, które jest częściowo odbijane wielokrotnie, jest znacznie tłumione przez absorpcję, a w rezultacie duża część światła jest pochłaniana.

Jak można zminimalizować odbicia?

Odbicia można najlepiej zminimalizować za pomocą różnych rodzajów obróbki powierzchni. Powierzchnia może być modyfikowana, na przykład przez zwiększenie chropowatości. Światło padające jest rozpraszane i rozpraszane przez zwiększoną chropowatość. Na przykład metody obejmują: Wytrawianie i szlifowanie.

Inną opcją jest pokrycie powierzchni. Powłoki te są różnicowane w warstwy osadzania lub warstwy konwersji. Istnieją różne metody, które zostały szczegółowo przedstawione poniżej.

Metoda LTBC

Powłoki LTBC są stosowane głównie w celu poprawy ochrony przed korozją i zmniejszenia ścierania. Mają one jednak kolejną zaletę: Ze względu na czarny kolor, elementy pokryte powłoką LTBC również zminimalizowały zachowanie odbicia. Powłoka LTBC obejmuje dyfuzję warstwy anodowanego fluoropolimeru o grubości ok. 5 μm w temperaturach poniżej 0°C, tworząc w ten sposób trwałe wiązanie z materiałem. Tworzy to stopową czarną powierzchnię, która - ze względu na wytrzymałość materiału - nie wpływa na pierwotne właściwości materiału bazowego. Zapewnia jednak długotrwałą ochronę przed korozją, a także jest mało odblaskowy ze względu na czarny kolor. W wielu powłokach zużycie mechaniczne powoduje z czasem drobne rozwarstwienia. Właśnie tego problemu unika się dzięki niskotemperaturowej czarnej chromowanej galwanizacji (LTBC).

Inne metody redukcji odbicia

Poniżej przedstawiono przegląd innych metod obróbki powierzchni metalowych, które mogą wpływać na zdolność odbijania:

Czarne chromowanie: Powłoki chromowane czarne składają się z osadów chromowych w różnych etapach utleniania. Amorficzna struktura warstwy powoduje, że powierzchnia wydaje się głęboka czarna, a tym samym pochłania dużo światła.
Chromowanie na czarno: Powierzchnia metalu jest przekształcana w warstwę chromującą, która tworzy jednolicie czarną powierzchnię. Poprawia zachowanie absorpcji i ochronę przed korozją.
Powłoka niklowa: Powłoka niklowa może być osadzana galwanicznie lub chemicznie. Powlekanie galwaniczne niklu jest przede wszystkim stosowane do optyki i ochrony antykorozyjnej metalu. W obu wariantach nikiel jest osadzany na materiale jako dodatkowa warstwa. Po pierwsze, można uzyskać gładką, jasną powierzchnię, która powoduje kontrolowane odbicie, ale odwrotnie, matową powłokę można również uzyskać w połączeniu z szorstką powierzchnią, która rozprasza światło.
Emalie: Odbicia można znacznie zminimalizować, na przykład malując metal. Ta metoda może być łatwo zaimplementowana i dodatkowo poprawia optykę komponentu.
Metoda wytrawiania: Powierzchnia materiału jest szorstkowana przy użyciu środków chemicznych. W konsekwencji światło jest rozpraszane w różnych kierunkach, odbicie jest zmniejszone.
Teksturowanie: Celem teksturowania jest również dalsze rozpraszanie światła, a tym samym zmniejszenie odbicia. W takim przypadku na powierzchnię nakładana jest tekstura.
Powlekanie powierzchniowe: Podobnie jak w przypadku teksturowania, różne warstwy mogą być również osadzane na powierzchni metalu, np. warstwy antyrefleksyjne, nanowarstwy lub specjalistyczne warstwy absorpcyjne.
Przypalanie: Warstwa tlenku żelaza jest osadzana na powierzchni stali. Jest on nieprzepuszczalny, czarny i trwale związany. Powierzchnia jest dodatkowo zanurzona w oleju, aby uzyskać jasną powierzchnię. Chociaż jest to atrakcyjne wizualnie, zwiększa refleksy i ma ograniczony efekt ochronny. W połączeniu z innymi metodami, takimi jak teksturowanie, znaczne zmniejszenie odbić można osiągnąć poprzez polerowanie (czarne zabarwienie).
Anodowanie na czarno: Aluminiowa powierzchnia jest utleniana przez elektrolizę. Ta metoda osadza pigmenty w kolorze czarnym, które hamują prawie wszystkie odbicia światła.

MISUMI oferuje różne opcje obróbki powierzchni, patrz w poniższej tabeli:

Przykładowe ilustracje – Różne metody obróbki powierzchni w MISUMI
Obróbka powierzchni	Materiały	Charakterystyka
Chemiczne niklowanie bezprądowe	wszystkie surowce metalowe, np. stal, stal nierdzewna, miedź, aluminium, mosiądz itp.	– wysoka odporność na korozję – dobra odporność na ścieranie, ale wrażliwa na zarysowania – jednolita grubość warstwy na całym konturze przedmiotu obrabianego (wierność kształtu) – wykończenie dostępne w zakresie od matowego do lekko błyszczącego – kolor wykończenia: białe srebro z możliwymi przebarwieniami – lekko błyszczące do matowego wykończenie powoduje częściowo rozproszone odbicie
Bezelektrodowy czarny nikiel	wszystkie surowce metalowe, np. stal, stal nierdzewna, miedź, aluminium, mosiądz itp.	– prawie żadna ochrona antykorozyjna bez wstępnej obróbki – wcześniejsze bezelektroniczne powlekanie niklowe znacznie poprawia ochronę przed korozją – kruche powlekanie o maksymalnej grubości warstwy do ok. 2 µm – wrażliwe na zarysowania – wykończenie dostępne w zakresie od czarnego matowego do lekko błyszczącego - lekko błyszczące do matowego ciemnego wykończenia powoduje wysoką absorpcję przy częściowo rozproszonym odbiciu
Czarna oksydacja	Stal	– cienka powłoka z tlenku żelaza – jednolita grubość warstwy, wykończenie z czarnego tlenku powoduje znikome nagromadzenie się warstwy – ochrona przed rdzą jest zapewniona tylko w połączeniu z olejem - kolor wykończenia: antracyt do czerni – gładkie tekstury stają się nieco matowe, tworzy się satynowy matowy efekt z dobrą adhezją oleju – efekt satynowo-matowy w połączeniu z ciemnym wykończeniem powoduje zwiększoną absorpcję – rozproszone odbicie w celu bezpośredniego odbicia z rozproszoną częścią, w zależności od wykończenia
Chromowany (klasa III), bezbarwny	Metale bazowe, takie jak stal, stopy aluminium, magnez itp.	– dobra odporność na korozję – atrakcyjne wizualnie wykończenie o matowym wyglądzie – jednolita grubość warstwy na całym konturze przedmiotu obrabianego (kształt-wierność) – metalowy charakter wykończenia jest w dużej mierze zachowany – matowe wykończenie powoduje rozproszone odbicie z niską częścią bezpośredniego odbicia
Czarny chromowany (klasa III)	Metale bazowe, takie jak stal, stopy aluminium, magnez itp.	– podobnie jak chromowane (klasa III), bezbarwne – czarne wykończenie – matowe wykończenie w połączeniu z ciemnym zabarwieniem powoduje zwiększoną absorpcję
Anodowane (bezbarwne)	Stopy aluminium (możliwe również w przypadku na przykład magnezu lub tytanu)	– dobra odporność na korozję – dobra odporność na ścieranie o odpowiedniej grubości warstwy – kolor aluminium – zmniejszone odbicie dzięki matowej, drobno teksturowanej powierzchni
Anodowany (czarny)	Stopy aluminium (możliwe również w przypadku na przykład magnezu lub tytanu)	– dobra odporność na korozję – dobra odporność na ścieranie o odpowiedniej grubości warstwy – czarne wykończenie – silniejsze zmniejszenie odbicia dzięki matowej, drobno teksturowanej powierzchni – ciemne wykończenie powoduje zwiększoną absorpcję
Czarny chromowany	Stal nierdzewna z miedzią stalową itp.	– wysoka odporność na korozję – wysoka odporność na ścieranie o odpowiedniej grubości warstwy, ale możliwe wykruszanie – możliwe bardzo cienkie grubości warstwy, dla części o wysokich wymaganiach precyzji – kolor wykończenia: antracyt do głębokiej czerni – możliwe błyszczące do matowania – wygląd i odbicie warstwy chromowej jest silnie zależne od tekstury materiału podstawowego i każdej warstwy pośredniej

Na komponentach można również stosować różne powłoki, patrz rysunek:

Różne metody obróbki powierzchni na precyzyjnym stole pozycjonującym

Korpus podstawowy, lewy: chemiczna powłoka niklowa
Korpus podstawy, prawy: powłoka LTBC
Śruby regulacyjne: bezbarwne anodowane

Wymienione tutaj metody reprezentują tylko część metod i opcji przetwarzania możliwych do uzyskania powierzchni niskorefleksyjnej. To, jaką metodę można zastosować, zależy nie tylko od użytego materiału, ale także od przeznaczenia, aktualnych warunków pracy i rodzaju zastosowania. Komponenty o zmniejszonym odbiciu, takie jak podstawy, wsporniki do profili konstrukcyjnych lub pierścienie zaciskowe do wałów, są dostępne w szerokim zakresie zastosowań.