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20.06.2017
Mikrometergroße Strukturen für technische Oberflächen (Heinz Schmitz)

Das Funktionalisieren technischer Oberflächen mit bioinspirierten Strukturen aus der Natur ist ein Innovationsträger des 21. Jahrhunderts. Das effiziente Herstellen von nano- und mikrometergroßen Strukturen stellt heutzutage eine der größten technischen Herausforderungen beim Erschließen neuer maßgeschneiderter Oberflächenfunktionalitäten dar. Forscher haben jetzt die weltweit kompakteste Anlage zum Oberflächenfunktionalisieren mit Scanner- basierter Laserinterferenz vorgestellt.

Das Funktionalisieren technischer Oberflächen mit bioinspirierten Strukturen aus der Natur ist ein Innovationsträger des 21. Jahrhunderts. Die erzielbaren Funktionalitäten finden viele Einsatzgebiete u. a. zur Verbesserung der Biokompatibilität im medizinischen und biotechnologischen Bereich, für tribologische Anwendungen in der Automobilindustrie oder auch für optische Anwendungen wie dem Produkt- und Markenschutz. Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt modular aufgebaute Lösungen zur Oberflächenfunktionalisierung durch gezieltes und flexibles Aufbringen von Mikrometer- und Submikrometerstrukturen.

Das effiziente Herstellen von nano- und mikrometergroßen Strukturen stellt heutzutage eine der größten technischen Herausforderungen beim Erschließen neuer maßgeschneiderter Oberflächenfunktionalitäten dar. Etablierte Herstellungsverfahren wie Elektronenstrahllithographie oder direktschreibende Laserverfahren sind entweder zu kosten- und zeitintensiv oder erlauben nur geringe Strukturauflösungen. Dem gegenüber stellt das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (engl. Direct Laser Interference Patterning - DLIP) ein flexibles und industrienahes Werkzeug zum Herstellen gezielter Oberflächentopographien für eine Vielzahl von Anwendungen bereit.

Beim direkten Laserinterferenzstrukturieren wird ein kohärenter Laserstrahl in zwei oder mehr Strahlen geteilt und auf der Bauteiloberfläche kontrolliert überlagert. Der aus der Überlagerung resultierende Interferenzeffekt (d.h. periodische Modulation der
Laserintensität) erlaubt das Aufbringen definierter Strukturen auf 3D-Bauteilen. Gleichbleibende Strukturgeometrien können mit Hilfe des DLIP-Verfahrens bereits großflächig mit Flächenraten von bis nahezu 1 m² min-1 hergestellt werden. Das Generieren variabler Strukturgeometrien mit hohen Prozessgeschwindigkeiten ist hingegen eine technische Herausforderung, welche die Entwicklung moderner Lösungskonzepte erfordert.

Erstmalig ist es dem Fraunhofer IWS gelungen, einen Strukturierungsprozess innerhalb einer sehr kompakten Anlage zu entwickeln, mit dem diese variablen Strukturen in kurzen Prozesszeiten realisiert werden können. Die Lösung ist die Kombination eines DLIP-Bearbeitungskopfes mit einem Galvanometer-Scannersystem. Mit dem System sind Mikrometerstrukturen in einem Bereich zwischen 2 µm und 5 µm nahezu stufenlos herstellbar. Damit können beispielsweise Produktschutzhologramme „on-the-fly“ direkt auf Oberflächen von Metallen, Polymeren, Keramiken und Beschichtungen aufgebracht werden.

Kommt ein DLIP-Galvanometer-Scannersystem zur Anwendung, wird eine Vervielfachung der Prozessgeschwindigkeit im Vergleich zu linearachsbasierten Strukturierungssystemen realisiert, die geringere Systemträgheit macht es möglich. Dies gestattet deutlich kürzere Prozesszeiten, eine höhere Flexibilität in der Strukturerzeugung und damit einen deutlichen Zugewinn an Wettbewerbsfähigkeit – eine Revolution im Bereich der Oberflächenfunktionalisierung.

Siehe auch:
http://www.iws.fraunhofer.de/
http://www.heinz-schmitz.org



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