Winzige Strukturen mit großer Wirkung
Laserstrukturierung der Oberfläche gekrümmter Kohlenstofffasern gelungen.
Die Oberfläche von Materialien kann einen großen Einfluss auf ihre Funktion haben. Verändert man die äußere Beschaffenheit, so erweitert man auch die Bandbreite der Verwendungsmöglichkeiten. Deshalb untersuchen Wissenschaftler der Uni Jena, wie sie die Oberfläche verschiedener Werkstoffe mit Lasertechnik gestalten können. Sie konzentrieren sich dabei vor allem auf laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen, nach ihrer englischen Bezeichnung als „laser-
Abb.: Forschern gelang es erstmals, gekrümmte Oberflächen mit laserinduzierten periodischen Strukturen zu versehen, mit denen sich Oberflächen farblich gestalten lassen. (Bild: J.-P. Kasper, FSU)
„Bestrahlt man eine Oberfläche mit einem Femtosekundenlaser, so bilden sich an dem Punkt, an dem der Laserstrahl auf die Oberfläche trifft, charakteristische Strukturen aus“, erklärt Stephan Gräf von der Uni Jena. „Interferenzeffekte in diesem Fokuspunkt rufen die LIPSS hervor.“ Diese Strukturen sind viel kleiner als die, die man durch normale Laserstrukturierung erreicht, da sich ein Laserstrahl nicht beliebig klein fokussieren lässt. Die Größe der Strukturen hängt 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.
Generell funktioniert die Methode auf vielen verschiedenen Materialklassen. Bisher ließ sie sich allerdings nur auf ebenen Flächen anwenden. Den Forschern ist es jetzt 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“, sagt Gräf. „Außerdem konnten wir verschiedene Strukturtypen übereinanderlegen und somit die Oberfläche hierarchisch gestalten.“
Damit bieten sich ganz neue Möglichkeiten für die Praxis. So werden die Kohlenstofffasern bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen in andere Materialien eingebettet. Um die Festigkeit der Verbundwerkstoffe zu verbessern, werden sie bisher beispielsweise mit Chemikalien behandelt. Durch die LIPSS lässt sich nun ihre Oberflächentopographie gezielt verändern, so dass es zu einem Verankern zwischen Polymer und eingebetteten Fasern kommen kann. 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 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 Oberflächentopographie kann man den Reibungsquotienten verringern und somit Verschleiß vorbeugen“, erklärt Gräf. „Beispielsweise könnten so langlebigere Implantate entwickelt werden.“ Außerdem lassen sich die Benetzungseigenschaften von Materialien auf diese Weise verändern. Sie können etwa wasserabweisender gestaltet werden.
FSU / RK
