Oberflächenfunktionalisierung
Neue Oberflächeneigenschaften dank Laserstrukturierung
Änderung der Materialeigenschaften mit Hilfe des Ultrakurzpuls-Lasers
Die Eigenschaften von Oberflächen können durch eine Strukturierung mit Ultrakurzpuls-Lasern gezielt verändert werden. So kann mit lasergenerierten Strukturen eine Stahloberfläche wasserabweisend (hydrophob) gestaltet werden. Wasserabweisende Eigenschaften werden dabei durch selbstorganisierte Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich erreicht.
Die Vorteile des Oberflächenfunktionalisierens mit dem UKP-Laser sind:
Minimaler Wärmeeintrag.
Somit können auch sehr dünne (wenige 10 µm) und Wärme empfindliche Materialien funktionalisiert werden.
Freie Formgebung. Der Laser als flexibles Werkzeug erlaubt die Bearbeitung von Flächen beliebiger Form.
Strukturierung statt Beschichtung. Die Änderung der Eigenschaften der Oberflächen wird allein durch die Laserstrukturierung erreicht. Eine zusätzliche Beschichtung ist nicht notwendig.
Freie Formgebung. Der Laser als flexibles Werkzeug erlaubt die Bearbeitung von Flächen beliebiger Form.
Strukturierung statt Beschichtung. Die Änderung der Eigenschaften der Oberflächen wird allein durch die Laserstrukturierung erreicht. Eine zusätzliche Beschichtung ist nicht notwendig.
Die Technologie der Oberflächenfunktionalisierung
Mit dem Ultrakurzpuls-Laser ist es möglich, sich selbst organisierende Strukturen
auf einer Materialoberfläche zu induzieren. Dabei wird der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche bewegt, normalerweise mit einem Scannersystem. Welche Strukturen sich ausbilden, hängt von einer Vielzahl von Parametern ab, wobei die Energiedichte des Laserstrahls, der Puls- und Linienüberlapp sowie die Anzahl der insgesamt durchgeführten Bearbeitungsschritte die größten Einflussfaktoren sind. Bei einer geringen Energiedichte unterhalb der Abtragsschwelle bilden sich selbst organisierende, periodische Oberflächenstrukturen in der Größenordnung der Wellenlänge des Laserstrahls aus. Die Ausrichtung dieser Strukturen ist abhängig von der Polarisation des Laserstrahls. Werden Energiedichte, Puls- und Linienüberlapp sowie die Anzahl der Bearbeitungsschritte erhöht, entstehen Bumps mit Ausdehnungen von einigen Mikrometern. Bei zu hohem Energieeintrag entstehen stark ausgeprägte Vertiefungen und die Oberfläche wird stark aufgeraut. Diese drei Strukturarten sind in unten stehendem Bild exemplarisch dargestellt.
Die Struktur einer Oberfläche kann hinsichtlich verschiedenster Funktionalitäten
(Hydrophobie, Reibwiderstand, …) optimiert werden. Für eine Hydrophobie
(wasserabweisende Eigenschaft) einer Oberfläche haben sich Bumps mit Größen von einigen Mikrometern (> 5 µm) mit einer überlagerten Nanostruktur als optimal herausgestellt. Der Effekt einer solchen Struktur auf einen Wassertropfen ist im Folgenden Bild dargestellt. Das Grundmaterial ist Stahl. Unbehandelt ist die Stahloberfläche hydrophil und wird vom wassertropfen gut benetzt. Wird die Oberfläche mit dem Ultrakurzpuls-Laser passend strukturiert, wird diese wasserabweisend. So werden Kontaktwinkel zwischen Wassertropfen und Oberfläche >160°
möglich, womit der Wassertropfen von der Oberfläche abperlt. Eine solche Oberflächenstruktur ist als Ausschnitt im unten stehenden Bild dargestellt. Man erkennt die Kombination aus Bumps-Struktur und einer überlagerten Nanostruktur.
Die Oberflächenstruktur ist ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Funktionalität einer Oberfläche. Insbesondere wasserabweisende Eigenschaften werden allerdings erst durch eine Kombination aus der richtigen Oberflächenstruktur und passenden chemischen Eigenschaften der Oberfläche
erreicht. So ist in zahlreichen Publikationen belegt, dass eine laserstrukturierte Oberfläche erst mehrere Tage in der Umgebungsluft auslagern muss, bevor wasserabweisende Eigenschaften erreicht werden. Des Weiteren ist zu beachten, dass sich Verschmutzungen bzw. Beschädigungen
der Oberflächenstruktur negativ auf die wasserabweisenden Eigenschaften auswirken. Diese Besonderheiten gilt es zu beachten will man die Oberflächenfunktionalisierung mittels Ultrakurzpuls-Laser industriell umsetzen.
