Manufacturing and properties of femtosecond pulse width laser (FPWL) micromachined hydrophobic Ni-Mn-Ga surfaces : development of a 3D model tool for evaluation and prediction of ablation pattern features
Pöllänen, Pessi (2025)
Diplomityö
2025
School of Engineering Science, Laskennallinen tekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202501174330
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202501174330
Tiivistelmä
Magnetic shape memory (MSM) alloys, such as Ni-Mn-Ga, can strain in response to external magnetic field. Metasurfaces with controllable hydrophobicity can potentially be created by successfully combining these strains with femtosecond pulse width laser (FPWL) generated microstructures. Utilization of such surfaces could lead to significant technological advancements in MSM-based micromechanical devices and healthcare appliances.
In this paper, five-layered modulated (10 M) martensite crystal lattice Ni_49.89 Mn_28.02 Ga_22.09 surface was converted hydrophobic by micromachining the surface using a green, λ = 515 nm, laser. Grid-like ablation patterns were manufactured on the sample and the effects of feature height, groove width, groove spacing and feature shape on hydrophobic behavior were evaluated. Additionally, a 3D modeling tool was created to allow prediction of feature properties.
The feature height was found to be a crucial parameter highly affecting the hydrophobic behavior of the micropatterned surface. The feature heights of the sample patterns increased with more laser repetitions applied on the pattern. However, this development showed saturation around 150 laser passes after which the feature height did not increase significantly. The laser induced periodic surface structures (LIPSS) were found the most prominent in the micropatterns that had the highest number of laser repetitions ablated on them. The most significant hydrophobic behavior was also observed from these patterns.
The created 3D modeling tool was found to predict and illustrate the sample patterns with good accuracy. However, the tool’s applicability is limited to the laser and laser parameters used in this work. Further development ideas for the model are suggested. Lastly, the model was used to simulate what type of micropattern would maximize the factors that proved to create the best hydrophobic behavior in this research. Suggestion for the optimal micropattern is presented. Magneettiset muistimetallit, kuten Ni-Mn-Ga, kykenevät venymään ja muuttamaan muotoaan ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta. Ni-Mn-Ga:n magneettisten erityisominaisuuksien yhdistäminen hydrophobisuuteen voi mahdollistaa uudentyyppisten metapintojen valmistuksen. Tämän kaltaisilla metapinnoilla kyettäisiin todennäköisesti tuottamaan hallittavissa olevaa hydrophobisuutta. Hydrophobisten metapintojen onnistunut kehittäminen luultavasti johtaisi merkittävään teknologiseen harppaukseen magneettisia muistimetalleja hyödyntävien mikromekaanisten laitteiden sekä terveydenhuollon sovellusten saralla.
Tässä työssä viisikerroksinen moduloitu (10M) Ni_49.89 Mn_28.02 Ga_22.09 martensiittipinta muutettiin hydrophobiseksi lasermikrotyöstöä hyödyntäen. Työstössä käytettiin vihreää laseria, jonka aallonpituus oli 515 nm. Näytekappaleen pintaan valmistettiin ruudukkomaisia pintakuviointeja. Kuvioista arvioitiin pinnan kohomuotojen korkeuden, kuvioinnin uraleveyden, urien välisen etäisyyden sekä kohomuotojen muodon vaikutuksia pinnan hydrophobiseen käyttäytymiseen. Lisäksi työssä valmistettiin 3D-työkalu, jolla voidaan ennustaa ja arvioida lasermikrotyöstettyjä pintakuvioita ja niiden geometrisiä ominaisuuksia.
Kuvioinnin kohomuotojen korkeuden havaittiin vaikuttavan merkittävästi mikrotyöstetyn pinnan hydrophobiseen käyttäytymiseen. Kohomuotojen korkeus kasvoi nostettaessa kuvioinnin urakohtaisten lasertoistojen lukumäärää. Korkeuden kasvun kuitenkin huomattiin hidastuvan huomattavasti noin 150 lasertoiston jälkeen. Käytettäessä yli 150 lasertoistoa kuvioinnin työstössä kohokuviointien korkeus ei enää kasvanut merkittävästi. Laserin vaikutuksesta syntyneitä säännöllisiä nanokokoluokan pinnan muotoja (LIPSS) havaittiin olevan eniten kuvioinneissa, joiden työstössä hyödynnettiin suurinta määrää lasertoistoja. Näiden kuviointien hydrophobinen käyttäytyminen oli myös voimakkainta.
Työssä luotu 3D-työkalu onnistui ennustamaan ja mallintamaan luotuja pintakuviointeja kohtuullisen tarkasti. Työkalun käyttökelpoisuus rajoittuu kuitenkin tässä teoksessa käytettyyn laseriin ja käytettyihin laserparametreihin. Työssä tarjotaan parannusehdotuksia 3D-työkalun jatkokehittämiseen sen käyttökelpoisuuden laajentamiseksi. 3D-työkalun avulla simuloitiin ja mallinnettiin kuviointi, joka maksimoi tutkimuksen aikana tunnistetut hydrophobisuutta parantavat pintakuvioinnin tekijät. Tämän simulaation ja mallinnuksen pohjalta tutkimuksessa ehdotetaan optimaalista mikrokuviointia parhaan mahdollisen hydrophobisen käyttäytymisen saavuttamiseksi.
In this paper, five-layered modulated (10 M) martensite crystal lattice Ni_49.89 Mn_28.02 Ga_22.09 surface was converted hydrophobic by micromachining the surface using a green, λ = 515 nm, laser. Grid-like ablation patterns were manufactured on the sample and the effects of feature height, groove width, groove spacing and feature shape on hydrophobic behavior were evaluated. Additionally, a 3D modeling tool was created to allow prediction of feature properties.
The feature height was found to be a crucial parameter highly affecting the hydrophobic behavior of the micropatterned surface. The feature heights of the sample patterns increased with more laser repetitions applied on the pattern. However, this development showed saturation around 150 laser passes after which the feature height did not increase significantly. The laser induced periodic surface structures (LIPSS) were found the most prominent in the micropatterns that had the highest number of laser repetitions ablated on them. The most significant hydrophobic behavior was also observed from these patterns.
The created 3D modeling tool was found to predict and illustrate the sample patterns with good accuracy. However, the tool’s applicability is limited to the laser and laser parameters used in this work. Further development ideas for the model are suggested. Lastly, the model was used to simulate what type of micropattern would maximize the factors that proved to create the best hydrophobic behavior in this research. Suggestion for the optimal micropattern is presented.
Tässä työssä viisikerroksinen moduloitu (10M) Ni_49.89 Mn_28.02 Ga_22.09 martensiittipinta muutettiin hydrophobiseksi lasermikrotyöstöä hyödyntäen. Työstössä käytettiin vihreää laseria, jonka aallonpituus oli 515 nm. Näytekappaleen pintaan valmistettiin ruudukkomaisia pintakuviointeja. Kuvioista arvioitiin pinnan kohomuotojen korkeuden, kuvioinnin uraleveyden, urien välisen etäisyyden sekä kohomuotojen muodon vaikutuksia pinnan hydrophobiseen käyttäytymiseen. Lisäksi työssä valmistettiin 3D-työkalu, jolla voidaan ennustaa ja arvioida lasermikrotyöstettyjä pintakuvioita ja niiden geometrisiä ominaisuuksia.
Kuvioinnin kohomuotojen korkeuden havaittiin vaikuttavan merkittävästi mikrotyöstetyn pinnan hydrophobiseen käyttäytymiseen. Kohomuotojen korkeus kasvoi nostettaessa kuvioinnin urakohtaisten lasertoistojen lukumäärää. Korkeuden kasvun kuitenkin huomattiin hidastuvan huomattavasti noin 150 lasertoiston jälkeen. Käytettäessä yli 150 lasertoistoa kuvioinnin työstössä kohokuviointien korkeus ei enää kasvanut merkittävästi. Laserin vaikutuksesta syntyneitä säännöllisiä nanokokoluokan pinnan muotoja (LIPSS) havaittiin olevan eniten kuvioinneissa, joiden työstössä hyödynnettiin suurinta määrää lasertoistoja. Näiden kuviointien hydrophobinen käyttäytyminen oli myös voimakkainta.
Työssä luotu 3D-työkalu onnistui ennustamaan ja mallintamaan luotuja pintakuviointeja kohtuullisen tarkasti. Työkalun käyttökelpoisuus rajoittuu kuitenkin tässä teoksessa käytettyyn laseriin ja käytettyihin laserparametreihin. Työssä tarjotaan parannusehdotuksia 3D-työkalun jatkokehittämiseen sen käyttökelpoisuuden laajentamiseksi. 3D-työkalun avulla simuloitiin ja mallinnettiin kuviointi, joka maksimoi tutkimuksen aikana tunnistetut hydrophobisuutta parantavat pintakuvioinnin tekijät. Tämän simulaation ja mallinnuksen pohjalta tutkimuksessa ehdotetaan optimaalista mikrokuviointia parhaan mahdollisen hydrophobisen käyttäytymisen saavuttamiseksi.