Oberflächenstrukturierung Neuartige Oberflächen mittels Laserinterferenzstrukturierung

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Mithilfe vom Laser lassen sich heute schnell und einfach Oberflächen funktionalisieren. Die Natur steht dabei Pate, denn die erzielten Strukturen orientieren sich an bekannten Naturphänomenen mit dem Ziel, die Funktionalität existierender Produkte zu verbessern. Zum Einsatz kommt hierbei die sogenannte Laserinterferenzstrukturierung (DLIP), die es sogar bis in den Weltraum auf die ISS geschafft hat.

Vor knapp 20 Jahren erkannte Prof. Dr. Frank Mücklich, Institutsleiter des Lehrstuhls für Funktionswerkstoffe an der Universität des Saarlandes und des Material Engineering Center Saarland (MECS), das Potenzial eines vermeintlich einfachen physikalischen Effektes zur Erzeugung mikroskopisch kleiner Oberflächenstrukturen, basierend auf der Interaktion elektromagnetischer Wellen (Interferenz): Die Laserinterferenzstrukturierung, kurz DLIP (Direct Laser Interference Patterning). In den folgenden Jahren entwickelte sein ehemaliger Doktorand Prof. Dr. Andrés Lasagni an der Technischen Universität Dresden und am Fraunhofer-IWS ein kompaktes optisches System, das die wirtschaftliche und schnelle Anwendung dieses Effektes ermöglichte.

Oberflächen in Mikrodimensionen strukturieren

Der oftmals in Deutschland beklagte mangelnde Transfer aus der Forschung in die industrielle Umsetzung ist den beiden Professoren mit ihren Instituten in diesem Fall als Mitgründer der 2020 entstandenen Surfunction GmbH (Saarbrücken) jedoch gelungen. Das Unternehmen bedient sich verschiedener laserbasierter Verfahren auf Basis von patentierten Interferenztechnologien der neusten Generation (xDLIP - extented Direct Laser Interference Patterning), die inzwischen in serienreife Industrieanwendungen umgesetzt werden konnten.

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Ein aktuelles Anwendungsszenario greift die „Megathemen“ Mobilität und Kommunikation auf, die nicht nur die allgegenwärtige Verfügbarkeit elektrischer Systeme, sondern auch deren stetige Weiterentwicklung und Verbesserung verlangen. Aus dem Blickwinkel der Hardware bedeutet dies, dass die dafür notwendigen elementaren Einheiten, nämlich die zahllosen elektrischen Kontakte in derartigen Systemen, unter allen äußerlich einwirkenden Bedingungen (zum Beispiel Temperatur, mechanische Vibration, Feuchtigkeit et cetera) den sicheren und unterbrechungsfreien Strom- und Signaltransport garantieren, sowie gleichzeitig allen fertigungs-, material- und insbesondere montagebedingten Anforderungen gerecht werden müssen. Jährlich werden bereits heute hunderte Milliarden dieser elektrischen Kontakte in Form elektrischer Steckverbinder verbaut. Verschiedene, optimierte Materialsysteme und Kontaktgeometrien werden für unterschiedlichste Anwendungen in der Konsum-, Daten-, Kfz- und Industrieelektronik verwendet.

Neue Generation elektrischer Steckverbinder

Die Elektrifizierung, neue Sicherheitssysteme, höhere Ansprüche an das Infotainment System und autonomes Fahren lassen die Anzahl benötigter elektrischer Kontakte rasant steigen. Insbesondere bei hochpoligen Steckverbindern besteht ein Ziel darin, möglichst viele elektrische Kontakte in einem Steckverbindergehäuse unterzubringen und gleichzeitig die maximal erlaubte Steckkraft zum Stecken des Bauteils nicht zu überschreiten bzw. so gering wie möglich zu halten. Bei anderen Steckverbindungen spielt die Optimierung des elektrischen Kontaktwiderstandes eine wichtige Rolle.

Mit der patentierten xDLIP-Lasertechnologie werden messbare Verbesserungseffekte bei elektrischen Kontakten in allen genannten Bereichen erzielt. Die Steckkraft kann um bis zu 40% und der elektrische Kontaktwiderstand um bis zu 80% reduziert werden, und das bei gleichzeitig erhöhter Zuverlässigkeit des Systems.

Durch gezielte Manipulation der realen Kontaktfläche auf Basis der Laser-Oberflächenstrukturierung durch xDLIP sinkt der Reibkoeffizient und steigt somit gleichermaßen die zulässige elektrische Kontaktanzahl pro Steckverbinder um bis zu 40 %. Durch die hochpoligeren Steckverbinder werden in der Automobilindustrie so beispielsweise weniger Steckverbindungen bei einer gleichzeitig erhöhten Anzahl verbauter elektrischer Einzelkontakte benötigt, was mit geringeren Taktzeiten in der Montage und reduzierten Kosten einhergeht. Mit der neuen Generation elektrischer Kontakte wird die Automobilproduktion also noch wirtschaftlicher, produktiver und dank der reduzierten Anzahl benötigter Kunststoffgehäuse auch umweltfreundlicher.

Auf Basis des beschriebenen physikalischen Effektes (siehe Infokasten) kann fast jedes periodische Muster auf nahezu jedem Material erzeugt werden, und zwar mit hunderten bis tausenden Strukturartefakten pro Laserpuls. Dies schafft einen enormen Geschwindigkeits- und Präzisionsvorteil gegenüber herkömmlichen Laserverfahren, wie beispielsweise dem Laserschreiben. Zur konkreten Integration der xDLIP-Technologien im Bereich von Steckkontakten in industrielle Produktionsprozesse haben der Maschinenbauhersteller Noxon Automation und Surfunction eine weltweite strategische Partnerschaft vereinbart.

Auf Weltraummission: Technologie für keimabtötende Oberflächen

Aber nicht nur irdische Probleme können dank xDLIP gelöst werden. Mit Hilfe der xDLIP-Technologieplattform lassen sich neben dem dargestellten Beispiel auch Produktlösungen für Medizin- und Hygieneanforderungen umsetzen. Dabei handelt es sich zum Beispiel um aktiv keimtötende sowie keimabweisende Oberflächen auf Metallen, die derzeit auf der internationalen Raumstation ISS geprüft werden. Eine Zukunftsvision der Surfunction ist die Herstellung von Oberflächen, die zur gezielten, aktiven Keimabtötung und damit zur Bekämpfung der Ausbreitung bakterieller und viraler Krankheiten, wie Covid-19, in Bereichen der öffentlichen Infrastruktur eingesetzt werden können. Die xDLIP-Technologie ermöglicht es, in diesem Zusammenhang Oberflächenstrukturen in der Größenordnung der Keime herzustellen. So kann die tatsächliche, mikroskopisch kleine Kontaktfläche zwischen Keim und Oberfläche gezielt angepasst werden.

Mit Blick auf die vielfältigen Herausforderungen in Themenfeldern wie beispielsweise Umwelt, Gesundheit und Sicherheit zählt die xDLIP-Technologie aktuell zu einem der am vielversprechendsten Deep-Tech Ansätze: Nicht nur an der Universität des Saarlandes blickt man gespannt gen Himmel, um zu erfahren, wie sich die Schwerelosigkeit auf die besondere Testreihe auswirken wird.

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