Weltrekord in der Oberflächenstrukturierung

Künstlich hergestellte Mikro- und Submikrometerstrukturen auf Bauteil­oberflächen können anwendungs­spezifisch mechanische, biologische oder auch optische Eigenschaften vorteilhaft beeinflussen. Seit Jahren stellt die Applikation solcher Strukturen ein schnell wachsendes Anwendungs­feld dar. Das Fraunhofer-IWS Dresden entwickelt für die “high-speed“-Laser­struktu­rierung modular aufgebaute Lasersysteme und hat damit einen neuen Weltrekord aufgestellt: Die Mikro­strukturierung einer Polymer­oberfläche erreichte erstmals effektive Strukturierungs­geschwindigkeiten von 0,7 m²/min.

Die Herstellung von Mikro- und Submikrometer­strukturen auf Oberflächen wird mit unterschiedlichen Technologien verfolgt. Bislang waren diese Techniken jedoch sehr aufwendig, nicht auf 3D-Bauteilgeometrien übertragbar oder die erzielbaren Strukturgrößen und Struktu­rierungs­geschwindigkeiten entsprachen nicht den industriellen Anforderungen. Signifikant kürzere Prozesszeiten bei höheren Auflösungen und geringeren Anlage- und Produktionskosten können durch die Verwendung der Technik der direkten Laser­strahl­interferenz­strukturierung (DLIP: Direct Laser Interference Patterning) erzielt werden. Bei dieser Technologie wird ein Laserstrahl in zwei oder mehr Laserstrahlen aufgespalten und anschließend auf der Werkstück­oberfläche wieder überlagert. Dadurch kommt es zu einer periodischen Modulation der Laser­intensität, welche die Strukturierung der Bauteiloberflächen ermöglicht.

Am Fraunhofer IWS ist die Umsetzung der DLIP-Technologie hin zu industriell nutzbaren „high-speed“-Bearbeitungsoptiken und -Anlagen ein wesentliches Forschungsziel. Mit einem auf Prozess­geschwindigkeit optimierten Aufbau können mittlerweile Werte von 0,7 m²/min auf Polycarbonat und 0,36 m²/min. auf Metall­substrat realisiert werden. Bereits demonstriert wurden diese Flächen­raten an Linien und Punkt­strukturen mit Perioden zwischen 5 und 22 µm. Mit dem Einsatz leistungs­stärkerer Lasersysteme ist eine Steigerung der Prozess­geschwindigkeit auf mehrere m²/min denkbar. Neue Anwendungen, etwa in der Automobil­industrie oder der Medizin­technik, werden damit realisier- und bezahlbar.

Das IWS bietet sowohl die Technologieentwicklung als auch anwendungs­spezifische Bearbeitungs­optiken und komplette DLIP-Bearbeitungs­anlagen inklusive der entsprechenden Laser­strahl­quellen. Diese Anlagen haben einen hohen Automatisierungsgrad, sind intuitiv bedienbar und durch ihren modularen Aufbau bestmöglich an diverse Anwendung anpassbar. Es können sowohl unter­schiedliche Laserquellen implementiert als auch verschiedene CNC-Achs­systeme oder hochpräzise Granit­aufbauten verwendet werden. Damit sind selbst anspruchs­volle hochaufgelöste Strukturierungen < 500 nm und Bearbeitungs­geschwindigkeiten von 1 m²/min realisierbar. Darüber hinaus ist die Adaption der DLIP-Komponenten an eine Rolle-zu-Rolle-Bearbeitungs­anlage in der Vorbereitung. Damit wird das Strukturieren im Durchlauf­verfahren für die Bearbeitung von Flächen größer als ein Quadratmeter wirtschaftlich möglich.

Fraunhofer IWS / CT