„Bisher war die Nachahmung der Natur schwierig, weil die verfügbaren Methoden zur gezielten Strukturierung von Oberflächen keinen ausreichend universellen Ansatz für eine mikroskopisch präzise und geometrisch flexible, sowie gleichzeitig schnelle und damit auch wirtschaftlich effiziente Gestaltung von Oberflächen bieten“, sagt Professor Frank Mücklich, Leiter des Lehrstuhls für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und des Steinbeis Forschungszentrums Material Engineering Center Saarland (MECS). Durch die Entwicklung des Direct Laser Interference Patterning, kurz DLIP, steht nun aber erstmals ein Herstellungsverfahren zur Verfügung, mit dem sich feinste periodische Oberflächenmuster auf nahezu jedem Material erzeugen lassen. Die DLIP-Technik erlaubt die Fertigung von mikro-, submikro- und sogar nanoskaligen Oberflächenstrukturen mit industriell relevanten Prozessgeschwindigkeiten.
Einen Überblick, welche Möglichkeiten DLIP eröffnet und welche Anwendungen sich daraus ergeben, hat Leander Reinert, Gruppenleiter „Surface Engineering“ am MECS, auf den ZVO-Oberflächentagen 2019 in Berlin gegeben. DLIP verbindet die Flexibilität des Lasers mit einer flächigen Bearbeitung. Dabei wird ein einfacher optischer Effekt genutzt: Bei der Überlagerung von zwei oder mehreren Laserstrahlen entstehen Interferenzmuster. Diese lassen sich berechnen und die Laserstrahlen entsprechend flexibel einstellen. Als Parameter stehen Wellenlänge, Strahldurchmesser und Strahlwinkel zueinander zur Verfügung. „Zudem bestimmt die Pulsdauer die Materialwechselwirkung. In Abhängigkeit vom Absorptionsverhalten ist nahezu jedes Material strukturierbar“, erklärt Reinert. Die kombinierten Laserstrahlen können so mit einem „Schuss“ innerhalb weniger Nanosekunden bis zu 100.000 kleine Strukturen auf einmal erzeugen. Das ist die Voraussetzung für einen industriellen Einsatz und eine wirtschaftliche Strukturierung mit Rekordgeschwindigkeit.
Derzeit stehen vor allem sechs Anwendungsfelder im Fokus. Dazu zählt die Photovoltaik, bei der die „Ausbeute“ an Sonnenenergie durch eine bis zu 35 % erhöhte Solarabsorption deutlich verbessert wird. Ein anderes Feld ist die Benetzung, die sich mit unterschiedlichen Strukturen zwischen superhydrophil bis superhydrophob steuern lässt. Ein besonders wichtiges Gebiet sind Reibung und Verschleiß, die bis zu 80 beziehungsweise sogar bis zu 99 % verringert werden können. Die Laserstrukturierung kann in Kombination mit einer reibungs- und verschleißreduzierenden Beschichtung von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) eingesetzt werden, um die Langlebigkeit der Beschichtung auf der Oberfläche durch „Schmierstofftaschen“ zu erhöhen und so einen Synergieeffekt zu erzeugen.
Beschichtung durch elektrophoretische Abscheidung (EPD)
Die Beschichtung erfolgt durch elektrophoretische Abscheidung (EPD). Entsprechende Beschichtungen dienen als „Nanolager“ für beispielsweise in Maschinenelementen eingesetzten Rollen oder Lagern unter extremen Bedingungen wie etwa hohen Temperaturen oder unter Vakuum. Die Strukturierung kann aber auch als eigenständige Lösung ohne CNT-Beschichtung im Bereich der geschmierten Reibung – etwa mit Ölen als Schmiermittel – verwendet werden und ist nicht zwangsläufig an den Einsatz zusammen mit CNT gebunden. Bei geschmierten tribologischen Systemen eröffnet DLIP aufgrund seiner Mikrostrukturen eine bessere Kontrolle der Ölfilmdicke und der Lebensdauer der Maschinenelemente.
Eine spannende Anwendung ist auch der Einsatz des Laserverfahrens für antimikrobielle Oberflächen. So kann beispielsweise auf dem antimikrobiellen Werkstoff Kupfer der auf mikroskopischer Skala stattfindende, direkte Kontakt eines anhaftenden Bakteriums zur Oberfläche durch das Laserverfahren maßgeschneidert und so die keimtötende Wirkung deutlich effizienter gestaltet werden.
Weitere Evaluierung erfährt die Technik derzeit auf der internationalen Raumstation (ISS) in Zusammenarbeit mit der NASA, um die Bildung von Biofilmen auf Oberflächen unter Schwerelosigkeit besser verstehen und kontrollieren zu können. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sind Interferenzfarben, die ebenso der Individualisierung wie dem optischen Design dienen.
Auch für elektrische Systeme bietet sich DLIP an: Ergebnisse zeigen hier, dass der elektrische Kontaktwiderstand um bis zu 80 % und die Steckkraft um bis zu 40 % reduziert werden können. Vor diesem Hintergrund hat das MECS in einer langjährigen Zusammenarbeit mit TE Connectivity Germany, einem Hersteller elektrischer Steckverbindungssysteme, eine neue Generation elektrischer Steckkontakte entwickelt. Zwei Aspekte spielen dabei eine enorme Rolle: Die immer zahlreicher werdenden Steckverbindungen – etwa in Autos – erfordern einerseits einen möglichst geringen elektrischen Kontaktübergangswiderstand und andererseits eine Verringerung der benötigten Steckkraft.
„Unsere Zusammenarbeit mit TE erstreckte sich von ersten Grundlagenarbeiten im Labor über die produktspezifische Optimierung bis hin zur Fertigstellung einer Pilotanlage zur Highspeed-Laserstrukturierung elektrischer Steckverbinderkontakte für die industrietaugliche Serienproduktion“, so Reinert. Beide Projektpartner wurden für diese Leistung mit dem Transferpreis der Steinbeis-Stiftung 2019 ausgezeichnet.
Basierend auf diesem Durchbruch der DLIP-Technologie hinsichtlich ihrer industriellen Anwendbarkeit erfolgte im ersten Quartal 2020 die Gründung eines Unternehmens mit dem Namen Surfunction, das sich mit der Vermarktung der DLIP-Lasertechnologie für die Industrie befasst. „Wir möchten Laseranlagen bauen und vertreiben, welche die automatisierte Behandlung von Industrieprodukten mittels dieser Lasertechnologie ermöglicht“, skizziert Reinert die Zukunft, der bei Surfunction die Geschäftsleitung übernimmt.
Surface Technology
Funktionale Oberflächen gehören zu den Themen, die auf der Surface Technology vom 16. bis 18. Juni 2020 auf dem Stuttgarter Messegelände gezeigt und diskutiert werden. Die Fachmesse adressiert das ganze Spektrum der Oberflächentechnik – von der Galvanotechnik über industrielle Plasma- und Oberflächentechnik bis hin zu Mikromaterialbearbeitung. Mit Beschichtungsverfahren für Metall, Kunststoff, Holz, Glas oder Keramik richtet sich die Messe an alle industriellen Anwenderbranchen.
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