Povrchy s nízkou odrazivostí – LTBC a další možnosti

Reflexní povrchy mohou v určitých případech použití způsobit poruchy a dokonce ovlivnit výsledky, např. při kontrole kvality nebo u opticky podporovaných měření. To je třeba vzít v úvahu při výběru povrchu. Jak však lze odrazy minimalizovat? Tento článek představuje různé možnosti povrchových úprav a nátěrů. Obzvláště je vysvětleno nízkoteplotní pokovování černým chromem, LTBC nebo také proces s černým chromem.

Pojmy – odrazy obecně a ve fyzice

Slovo odraz je odvozeno z latinského slova „reflexio“, což znamená „návrat“. Odraz obecně znamená odraz vln, světla nebo zvuku od povrchu, na který dopadají. Ve fyzice se odraz poněkud konkrétněji vztahuje ke změně směru šíření vlny. V tomto případě platí zákon odrazu (z latinského slova reflectere: vrátit se zpět). Zákon odrazu uvádí, že dopad a odražené paprsky, stejně jako osa dopadu, tvoří společnou rovinu nebo leží ve společné rovině. Úhly dopadu a odrazu jsou stejné.

Šíření světla může být zobrazeno zjednodušeně ve tvaru křivky:

• t - Časová jednotka
• x - Intervaly za čas = frekvence
• a - Špička amplitudy. Čím vyšší je maximální špička amplitudy, tím intenzivnější, tedy jasnější, je světlo.
• Čím vyšší je špička amplitudy a čím kratší jsou intervaly, tím větší je přepravovaná energie.

Světelná cesta je také vratná, tj. když dopadá světlo ze směru odraženého paprsku, odráží se ve směru dopadajícího paprsku.

Namísto odrazu lze světlo, vlny a další paprsky také absorbovat a přenášet. K absorpci dochází, když materiál zasažený paprskem zcela absorbuje paprsek a přemění jej na jinou formu energie, jako je teplo. K přenosu dochází, když paprsek zcela prochází médiem, aniž by byl odrážen nebo absorbován.

Účelné použití ve strojírenství

Inženýři mohou odrazivost, přenos a absorpci cíleně využívat. Výhod odrazů využívají například následující technologie:

• Optická zařízení: Světlo odražené zrcadlem, např. fotoaparátem, lze tedy účelně ovládat.
• Komunikační technologie: Například parabolická zrcadla odrážejí elektromagnetické vlny. To umožňuje odesílat a přijímat signály.
• Solární technologie: Zde se také používají zrcadla, která specificky koncentrují sluneční světlo, čímž vytvářejí více tepla.

K přenosu dochází například při ultrazvuku. Ultrazvukové vlny pronikají pevnými materiály a poskytují obraz vnitřní struktury.

Absorpce se používá v optice: Difuzní světlo může být absorbováno a tím minimalizováno absorpčními povrchy, jako jsou černé povrchy.

Odražené světlo jako hlukový faktor? Význam nízkoodrazových povrchů

Odrazy nejsou žádoucí všude, kde se objevují. V některých aplikacích mohou mít odrazy dokonce negativní vliv. Například odrazy mohou zkreslit snímky používané pro kontrolu kvality. Příkladem je měření a zarovnání součástí. Obě aplikace využívají lasery. Pokud je laserový paprsek odražený nebo zkreslený, odražené laserové paprsky budou narušovat přesnost měření. V optických systémech, jako jsou mikroskopy, mohou odrazy negativně ovlivnit kvalitu obrazu a znesnadnit vyhodnocení snímků.

Povrchy s nízkou odrazivostí jsou proto důležitou součástí mnoha systémů.

Vliv různých povrchů na odraz

Stupeň odrazu se liší v závislosti na barvě materiálu, povrchové úpravě a předchozí povrchové úpravě. Světlo se odráží, rozptyluje a absorbuje v různé míře.

* Zde uvedený obrázek je velmi zjednodušený a neřeší všechny jevy, které vstupují do hry.

Tmavé povrchy obecně absorbují více světla než jasné povrchy a odrážejí mnohem méně viditelného světla pro oko. Čím méně světla je odráženo, tím tmavší je povrch.

Například lesklý a jasný materiál (1a) bude přímo odrážet světlo. Protože jasné materiály neabsorbují světlo obzvláště silně, je dopadající množství světla téměř tak velké, jako je odražené množství; rozptyl je malý. To je trochu jiné u lesklého tmavého povrchu (1b): Světlo se také odráží přímo, ale část světla je již absorbována tmavým povrchem. To znamená, že je také snížena hustota energie odraženého světla. Úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.

Na světlých a tmavých pololesklých površích (2a a 2b) se odehrává kombinace přímého a difuzního odrazu: V obou případech je hustota energie rozptýleného retroreflexního záření nižší. Tmavý povrch však výrazně zeslabuje retroreflexní záření díky zvýšené absorpci. I zde se úhel dopadu rovná úhlu odrazu.

U matných povrchů (3a a 3b) již nelze jasně určit směr odraženého světla; úhel dopadu a úhel odrazu se liší. Bez účelného zarovnání může světlo opět ovlivnit povrch komponenty a může na ní být také opětovně absorbováno. Zvláště na tmavých matných površích (3b) je světlo, které se částečně několikrát odráží, značně oslabeno absorpcí a velká část světla je v důsledku toho absorbována.

Jak lze minimalizovat odrazy?

Odrazy lze nejlépe minimalizovat pomocí různých typů povrchové úpravy. Povrch lze upravit například zvýšením hrubosti. Dopadající světlo je rozptýleno a difuzně odraženo zvýšenou drsností. Metody například zahrnují: Leptání a broušení.

Další možností je na povrch nanést potah. Tyto potahy se rozlišují na vrstvy depozic nebo na konverzní vrstvy. K tomu existují různé metody, které jsou podrobně uvedeny níže.

Metoda LTBC

Nátěry LTBC se používají zejména ke zlepšení ochrany proti korozi a ke snížení oděru. Nabízejí však další výhodu: Díky černé barvě součásti natřené nátěrem LTBC také minimalizují odrazy. Pokovení LTBC zahrnuje difúzi přibližně 5 μm silné anodizované vrstvy fluoropolymeru při teplotách pod 0 °C, čímž se vytvoří trvalá vazba na materiál. To vytváří slitinový černý povrch, který díky své pevnosti materiálu neovlivňuje původní vlastnosti základního materiálu. Poskytuje však dlouhodobou ochranu proti korozi a díky černé barvě je také málo reflexní. V mnoha nátěrech způsobuje mechanické opotřebení v průběhu času minutové delaminace. Přesně tomuto problému se předchází pomocí černého chromování při nízké teplotě (LTBC).

Další metody snižování odrazu

Následuje přehled dalších ošetření kovových povrchů, která mohou ovlivnit schopnost odrážet:

• Černé chromování: Potah z černého chromu se skládá z chromových depozic v různých fázích oxidace. Struktura amorfní vrstvy způsobuje, že povrch vypadá tmavě černý a absorbuje tak spoustu světla.
• Černý chromátování: Kovový povrch se přemění na chromátující vrstvu, která vytváří rovnoměrně černý povrch. Zlepšuje absorpční chování a ochranu proti korozi.
• Poniklování: Poniklování může být uloženo buď galvanicky, nebo chemicky. Galvanické poniklování se primárně používá pro optiku a ochranu kovu proti korozi. V obou variantách je nikl nanesen na materiál jako další vrstva. Na jednu stranu může být vytvořen hladký, jasný povrch, který má za následek kontrolovaný odraz. Na druhou stranu lze také vytvořit matný povrch, kterého lze dosáhnout v kombinaci s zdrsnělým povrchem, který světlo odráží difuzně.
• Smaltování: Odrazy lze výrazně minimalizovat, například lakováním kovu. Tuto metodu lze snadno implementovat a dodatečně zlepšit optiku komponenty.
• Metoda leptání: Povrch materiálu je zdrsněn použitím chemikálií. Světlo je následně rozptýleno v různých směrech a odraz je snížen.
• Texturování: Cílem texturování je také dále rozptylovat světlo a tím snižovat odrazivost. V tomto případě je na povrch aplikována textura.
• Povrchová úprava: Podobně jako u texturování mohou být na kovový povrch naneseny různé vrstvy, např. antireflexní vrstvy, nano vrstvy nebo specializované absorpční vrstvy.
• Leštění: Na ocelový povrch je nanesena vrstva oxidu železitého. Ten je nepropustný, černý a trvale spojený. Povrch je navíc ponořen do oleje, aby se dosáhlo jasného povrchu. I když je to vizuálně přitažlivé, zvyšuje to odrazy a má to omezený ochranný účinek. V kombinaci s jinými metodami, jako je texturování, lze leštěním dosáhnout významného snížení odrazů (černé zbarvení).
• Černé eloxování: Hliníkový povrch je oxidován elektrolýzou. Tato metoda ukládá černé barevné pigmenty, které inhibují téměř všechny odrazy světla.

MISUMI nabízí řadu možností povrchové úpravy, viz následující tabulka:

Na součást lze také použít různé nátěry, viz obrázek:

Různé povrchové úpravy na přesném polohovacím stole

• Základní tělo, levé: chemické niklování
• Základní tělo, pravé: Pokovení LTBC
• Seřizovací šrouby: čisté eloxované

Zde uvedené metody představují pouze část metod a možností zpracování možných pro dosažení nízkoreflexního povrchu. Jaká metoda může být použita, závisí nejen na použitém materiálu, ale také na zamýšleném použití, aktuálních provozních podmínkách a typu použití. Pro širokou škálu aplikací jsou k dispozici komponenty se sníženým odrazem, jako jsou základny, držáky pro konstrukční profily nebo upínací kroužky.