Skip to main content
main-content

10.04.2018 | Oberflächentechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Winzige Oberflächenstrukturen zeigen große Wirkung

Autor:
Dieter Beste

Materialwissenschaftlern der Universität Jena gelang es, die Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern mit einem Femtosekundenlaser sehr fein zu strukturieren. Die Technik eröffnet vielfältige neue Möglichkeiten für die Praxis.

Die Oberfläche von Materialien kann einen enormen Einfluss auf deren Funktion haben. Verändert man deren äußere Beschaffenheit, so erweitert sich in der Regel auch die Bandbreite der Verwendungsmöglichkeiten. Dieses Ziel verfolgen Materialwissenschaftler der Universität Jena, indem sie die Oberfläche verschiedener Werkstoffe mit Laserlicht verändern.

Empfehlung der Redaktion

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Ultrakurzzeitlasertypen

Der erste Laser blitzte am 15. Mai 1960 in einem Labor der Hughes Air-craft Corporation auf. Die Konstruktion aus einem Rubinstab als Lasermedium und einer ihn umgebenden gewendelten Blitzröhre als Pumpquelle stammte von Theodore Maiman. Die Enden …


Sie konzentrieren sich dabei vor allem auf laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen, also laser induced periodic surface structures (LIPSS). Mit dieser Methode lassen sich besonders feine Strukturen erzeugen. Über einen ganz besonderen Erfolg auf diesem Gebiet berichten sie aktuell in der Zeitschrift "Carbon": "Bestrahlt man eine Oberfläche mit einem Femtosekundenlaser – also einem Laser mit sehr kurzen Lichtpulsen –, so bilden sich an dem Punkt, an dem der Laserstrahl auf die Oberfläche trifft, charakteristische Strukturen aus", sagt Stephan Gräf vom Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Universität Jena. 

Ultrakurze Lichtpulse können über Multifotonenabsorption mit Werkstoffen wechselwirken und dadurch eine "kalte Bearbeitung" ermöglichen. Die optischen Technologien werden in der nächsten Dekade, wie von Analysten vorhergesagt wird, weltweit auf ein Marktvolumen von etwa 800 Mrd. € anwachsen und viele sichere Arbeitsplätze schaffen." Klemens Jesse, Femtosekundenlaser, Einführung in die Technologie der ultrakurzen Lichtimpulse, Seite V.

"Interferenzeffekte in diesem Fokuspunkt rufen die LIPSS hervor", erklärt Gräf, die besondere Wirkung der Oberflächenbearbeitung mit einem Femtosekundenlaser. Die erzeugten Strukturen seien viel kleiner als die, die man durch normale Laserstrukturierung erreiche, da sich ein Laserstrahl nicht beliebig klein fokussieren lässt. Die Größe der Strukturen hänge unter anderem von der Laserintensität und der verwendeten Laserwellenlänge ab. Verändert man also die Parameter der Laserstrahlung, lassen sich die Strukturen nahezu maßgeschneidert aufbringen. Durch das Abrastern der gesamten Oberfläche mit dem Laserstrahl wird sie vollständig mit dem periodischen "Muster" versehen. 

Muster auf gekrümmten Oberflächen

Generell funktioniert die Methode auf vielen verschiedenen Materialklassen – bisher allerdings konnte sie nur auf ebenen Flächen angewendet werden. Den Jenaer Forschern ist es nun gelungen, auch gekrümmte Oberflächen mit den laserinduzierten periodischen Strukturen zu versehen. "Wir haben LIPSS auf der Oberfläche etwa zehn Mikrometer dünner Kohlenstofffasern aufgetragen – deren Durchmesser ist dabei kaum größer als die aufgebrachten Strukturen selbst", berichtet Gräf. "Außerdem konnten wir verschiedene Strukturtypen übereinanderlegen und somit die Oberfläche hierarchisch gestalten." 

Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Praxis. So werden etwa die Kohlenstofffasern bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen in andere Materialien eingebettet. Um die Festigkeit der Verbundwerkstoffe zu verbessern, werden sie bisher beispielsweise chemisch behandelt. Durch die LIPSS lässt sich nun ihre Oberflächentopographie gezielt derart verändern, dass sich die Fasern etwa in einer Polymermatrix gut verankern können.

Niedriger Reibungsquotient

Zudem wirken die Strukturen wie ein optisches Gitter. Mit ihnen lässt sich das Reflexions- und Absorptionsverhalten von Licht auf den Oberflächen gezielt verändern. Gleiches gilt auch für die Beugung von Licht, wodurch sich über sogenannte Strukturfarben Oberflächen selektiv farblich gestalten lassen. Somit qualifizieren sich die laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen zunehmend auch für optische Anwendungen. 

Und auch die Haltbarkeit von Materialien beeinflussen LIPSS positiv: "Durch die Veränderung der Oberflächentopografie kann man den Reibungsquotienten verringern und somit Verschleiß vorbeugen", gibt Gräf zu bedenken. Beispielsweise könnten so langlebigere Implantate entwickelt werden. Außerdem ließen sich die Benetzungseigenschaften von Materialien auf diese Weise verändern. Sie könnten auf diese Weise zum Beispiel wasserabweisender gestaltet werden.

 

Weiterführende Themen

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Ultrakurzzeitlasertypen

Quelle:
Femtosekundenlaser

2015 | OriginalPaper | Buchkapitel

Tribologie in der Produktionstechnik

Quelle:
Tribologie-Handbuch

2013 | OriginalPaper | Buchkapitel

Grundlagen

Quelle:
Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites

01.11.2016 | Fertigung | Ausgabe 6/2016

Laser ermöglicht direktes Fügen von Organoblech mit Metall

Das könnte Sie auch interessieren

Premium Partner

in-adhesivesMKVSNeuer Inhalt

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Whitepaper

- ANZEIGE -

Künstliche Intelligenz und die Potenziale des maschinellen Lernens für die Industrie

Maschinelles Lernen ist die Schlüsseltechnologie für intelligente Systeme. Besonders erfolgreich ist in den letzten Jahren das Lernen tiefer Modelle aus großen Datenmengen – „Deep Learning“. Mit dem Internet der Dinge rollt die nächste, noch größere Datenwelle auf uns zu. Hier bietet die Künstliche Intelligenz besondere Chancen für die deutsche Industrie, wenn sie schnell genug in die Digitalisierung einsteigt.
Jetzt gratis downloaden!

Marktübersichten

Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen. 

Bildnachweise