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Oberflächenmodifikation mit Hochgeschwindigkeits-Laserprozessen - Direktlaserinterferenz- / Direktlaser-Mikrostrukturieren

 
: Klotzbach, Udo; Franke, Volker; Kunze, Tim; Lasagni, Andrés-Fabián

:

Liebel, J.:
Reibungsminimierung im Antriebsstrang 2017 : Systemverständnis eröffnet zukünftige Wege 6. ATZ-Fachtagung Tribologie 2017, 21. und 22. November 2017, Esslingen am Neckar
Berlin: Springer Vieweg, 2018 (Proceedings)
ISBN: 978-3-658-23146-0
ISBN: 3-658-23146-7
ISBN: 978-3-658-23147-7
S.29-32
ATZ-Fachtagung Tribologie <6, 2017, Esslingen/Neckar>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IWS ()

Abstract
Das direkte Laserstrukturieren und das direkte Laserinterferenzstrukturieren sind Verfahren zum Erzeugen von Nano- und Mikrostrukturen. Oberflächenfunktionalitäten, die in vielen Bereichen und für verschiedene Zwecke zum Einsatz kommen, können durch verschiedene Technologien und Prozesse wie das Honen, Prägen, Ätzen, Beschichten oder Elektronenstrahl-Lithographie erzeugt werden. Die meist biologisch inspirierten Strukturen, die größtenteils der Natur angepasst sind, bieten ein signifikantes Potenzial z.B. im Bereich Automotive in Form tribologischer Optimierungen zur Kraftstoffeinsparung sowie beim Verhindern von Produkt- und Markenpiraterie. Das effiziente Erzeugen von Oberflächenstrukturen gehört derzeit zu den größten technischen Herausforderungen bei der Entwicklung neuer kundenspezifischer Oberflächenfunktionalitäten. Das direkte Laserstrukturieren oder das direkte Laserinterferenzstrukturieren (Direct Laser Interferenz Patterning, DLIP) ist ein flexibles, industrienahes Werkzeug zum Herstellen maßgeschneiderter Oberflächentopographien für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Lasertechnologie profitiert nicht nur von den Fortschritten im Bereich der kommerziell erhältlichen Laserquellen, sondern auch von neuen innovativen Strahlführungslösungen und -ansätze. Bekannte Technologien des direkten Laserstrukturierens werden kombiniert mit neuen Strahlführungssystemen wie dem Polygonscanner oder den sogenannten "on the fly" Systemen um Mikrostrukturen auf Bauteile in möglichst sehr kurzen Prozesszeiten zu übertragen. Wird ein kohärenter, gepulster Laserstrahl mit Pulsdauern von Piko- bis Nanosekunden in zwei oder mehr Strahlen aufgespalten und anschließend kontrolliert auf eine Bauteiloberfläche übertragen, entspricht dies der Technologie des direkten Laserinterferenzstrukturieren. Durch Überlagerung der verschiedenen Teilstrahlen ergibt sich ein volumetrischer Interferenzeffekt, der als periodische Modulation der Laserintensität verstanden werden kann. Aus dem erzeugten Interferenzmuster lassen sich definierte Oberflächenstrukturen mit Strukturperioden von 180 nm bis 30µm auf 2D- und 3D-Bauteilen aus Metallen, Polymeren und Keramik sowie auf Beschichtungen erzeugen. Die funktionalen Oberflächentopographien werden in einem einzigen Prozessschritt ohne zusätzliche Prozessanforderungen wie Reinraumbedingungen oder Prozessgase hergestellt. Das direkte Laserstrahlstrukturieren wie auch die DLIP-Technologie ermöglicht dank ihrer vielfältigen Variationen von Mikro- und Nano-Strukturen sowohl das Herstellen von ein- als auch hierarchischen Oberflächentopographien. Die Kombination beider Technologien in einem Verfahren erlaubt das Erzeugen von hierarchischen Strukturen. Die DLIP-Technologie ermöglicht zwei anwendungsspezifische Ansätze zur direkten Erzeugung von Oberflächenstrukturen. In einem ersten Schritt werden Strukturen mit konstanten Strukturparametern (z. B. eine Linienstruktur mit 10 µm Strukturperiode) bei Flächenraten von aktuell bis zu 0,36 m²/min auf Metall und 0,9 m²/min auf Polymeren hergestellt. Die derzeit möglichen Prozessgeschwindigkeiten des DLIP-High- Speed-Ansatzes können in Zukunft durch den Einsatz von neuen Laserquellen mit sehr hohen Energien weiter gesteigert werden. Im zweiten Schritt können die strukturellen Parameter durch den Einsatz von optischen DLIP-Systemen variiert werden, die es ermöglichen, z. B. die Strukturperiode während des Prozesses automatisch "on the fly" zu ändern. Die Kombination von Interferenzoptik mit Galvanometerscannern lassen sich variable Strukturkombinationen bei perspektivischen Flächenleistungen von bis zu 300 cm²/min und mehr realisieren. Beide oben genannten Verfahren - DLIP-High-Speed und flexDLIP - eignen sich auch für die Verarbeitung von Prägestempeln, wie z. B. Rolle-zu-Rolle Sleeves. Die Lasertechnik zum Mikrostrukturieren von Oberflächen ist für den industriellen Einsatz durch seine kompakte und leicht integrierbare Bauform oder flexiblen Strahlführungsoptiken geeignet. Module der DLIP Technologie oder klassische Scanner mit Lichtleitkabel sind in bestehenden Produktionslinien leicht integrierbar. Die Laser- Technologie eröffnet eine Vielzahl von Oberflächenfunktionalitäten, die gegenüber unstrukturierten Oberflächen erhebliche Verbesserungen bedeuten und darüber hinaus die Möglichkeit bieten, Prozessschritte teilweise einzusparen. Kurze Prozesszeiten, hohe Flexibilität bei der Strukturierung, die einfache Integration in bestehende Anlagen bieten einen deutlichen Vorteil gegenüber konkurrierenden Lösungen. Damit lassen sich auch in Technologiebereichen, die bisher noch nicht von den bestehenden Oberflächenveredelungstechnologien profitieren konnten, neue und maßgeschneiderte Funktionalitäten entwickeln.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-531784.html