Weltrekord in der Oberflächenstrukturierung mit Laser

2^nd Generation DLIP-Bearbeitungskopf / Bildquelle: Fraunhofer IWS Dresden

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: Bei der Mikrostrukturierung einer Polymeroberfläche konnten erstmals effektive Strukturierungsgeschwindigkeiten von 0,7 m²/min erreicht werden.

Strukturiertes Polycarbonat-Substrat / Bildquelle: Fraunhofer IWS Dresden

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 Dresden 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 µm und 22 µm. Mit dem Einsatz leistungsstärkerer Lasersysteme ist eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit auf mehrere m²/min denkbar. Neue Anwendungen sind beispielsweise in der Automobilindustrie oder der Medizintechnik. Sie werden damit realisier- und bezahlbar.

Das Fraunhofer IWS Dresden 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 1 m² wirtschaftlich möglich.

Die Ergebnisse entstanden im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes „High-Speed-f“ (FKZ 13N13113) und werden auf der LASER World of PHOTONICS vom 22. bis 25. Juni in München in Halle A3, Stand 121 (Fraunhofer-Gemeinschaftsstand) vorgestellt.

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