Herstellen funktionalisierter Oberflächenstrukturen durch Laserbearbeitung

Bei der Bearbeitung von Materialoberflächen ermöglicht die Verkürzung der Einwirkdauer des Lasers eine Verbesserung der flächigen Strukturbildung und Funktionalisierung. Durch die variable Einstellung der Bearbeitungsgeschwindigkeit sind industriell relevante Taktzeiten erreichbar.

Fragestellung

Oberflächenstrukturierungen erlauben verschiedenste Funktionalitäten von Produkten, beispielsweise den Effekt der Selbstreinigung. Eine Möglichkeit für die Erzeugung dieser Oberflächen ist die Anwendung der Lasertechnik. Laser werden besonders zur punktuellen Bearbeitung von Oberflächen oder zum Schneiden verschiedener Materialien prozesstechnisch angewendet. Dagegen ist die Herstellung von Flächenstrukturen mittels Laser noch nicht weit verbreitet. Für die industrielle Verwendung fehlt bislang die Sicherstellung wirtschaftlicher Prozessgeschwindigkeiten. Weiterhin erfolgt bei der Laseranwendung ein Wärmeeintrag in die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials. Dies kann zu einer örtlich begrenzten Veränderung der Materialeigenschaften führen. Für die flächige Oberflächenbearbeitung mittels Laser wird deshalb ein kurzzeitiger Energieeintrag ohne Wärmeeinfluss benötigt.

Lösung

Ein kurzer Energieeintrag ermöglicht die Materialabtrennung ohne Wärmeeinfluss. Dazu wird ein Laser angewendet, dessen Pulslänge im Femtosekundenbereich (1 fs = 10^-15s) liegt. Abhängig von der Laserintensität und der Einwirkdauer werden die Eindringtiefe und die Oberflächenstruktur eingestellt. Dabei entstehen an der bearbeitenden Oberfläche gerichtete nadelförmige Strukturen, die sich durch den Eintrittswinkel des Lasers variabel ausrichten lassen. Gleichzeitig ist das Einbringen von Fremdbestandteilen aus dem Laserumgebenden Medium möglich. So können beispielsweise metallisierte Dünnschichten zur Funktionalisierung von Oberflächen erzeugt werden. Eine Oberflächenstrukturierung ist bei Metallen, wie Stahl, Aluminium, Kupfer, Nickel sowie bei Kunststoffen, beispielsweise PMMA (Plexiglas) realisierbar.

Entwicklungsstand

Anwendung und Optimierung des Laserprozesses zur Oberflächenstrukturierung mit Industrieanlagen in Abhängigkeit vom zu bearbeitenden Material

Vorteile

Der Hauptvorteil in der Anwendung des Femtosekundenlasers liegt in der wärmefreien Bearbeitung der Oberfläche. Dadurch kann eine thermische Schädigung des Materials vermieden werden, was die Voraussetzung für hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten ist. Gleichzeitig zur Strukturierung ist eine Funktionalisierung der bearbeiteten Oberfläche möglich.

Leistungsparameter

• Bearbeitbare Flächen bis 50 cm x 60 cm
• Spotgröße des Laserstrahls ab 10 μm möglich
• Höhe der erzeugten nadelförmigen Oberflächenstruktur zwischen 1 μm und 100 μm
• Ausrichtung der nadelförmigen Oberflächenstruktur ab 10° Neigung möglich
• Einstellbare Prozessgeschwindigkeiten bis zu 64 cm² pro Sekunde

Anwendungsmöglichkeiten

• Effizientere Wärmeübertragung bei Infrarotdetektoren und Wärmeplattentauschern
• Entblendung von LED-Leuchten
• Optimierung der Absorption von Sonnenlicht bei Solarzellen
• Beschichtung von Katalysatoren mit metallischen Dünnschichten
• Erzeugung hydrophober Oberflächen
• Strukturbildung bei transparenten Kunststoffen innerhalb des Materials
• Erzeugung metallisierter Kunststoffoberflächen
• Verbesserung der Wärmestrahlung an Satellitenbauteilen für eine passive Kühlung
• Funktionalisierung der Oberflächen von Formgebungswerkzeugen für die Kunststoffverarbeitung
• Oberflächenmodifizierung von Klebstoff-Fügeverbindungen

Schlagworte

Laser, Femtosekundenlaser, Oberflächenfunktionalisierung, Oberflächenstrukturierung, Dünnschichten, Metalle, Materialbearbeitung, Kunststoffe

03.05.2021