Ahora es posible incorporar nano y microestructuras a superficies en un abrir y cerrar de ojos mediante láser. Esta tecnología la desarrolla y comercializa la joven empresa Fusion Bionic, con sede en Dresde, una spin-off del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos IWS. La estructuración por láser no tiene límites para la imaginación. Su ventaja: es rápida y mucho más versátil que los recubrimientos.
Efectos de loto láser
Las modernas tecnologías de interferencia de luz de Dresde permiten transferir rápidamente otros sofisticados trucos estructurales de la naturaleza a superficies técnicas como componentes de baterías, implantes o aviones Las superficies de los productos pueden mejorarse con muchos efectos diferentes. Con el efecto loto, por ejemplo, una microestructura garantiza que la suciedad no se adhiera, sino que simplemente se elimine la próxima vez que llueva. Por otro lado, las finas ondulaciones de la piel de tiburón mejoran el flujo de aire en el exterior de aviones y barcos, lo que ahorra combustible. Hasta ahora, muchos de estos efectos inspirados en la naturaleza se creaban recubriendo la superficie o aplicando películas con microestructuras grabadas en relieve. Sin embargo, los revestimientos y las películas pueden desgastarse, de modo que el efecto deseado disminuye con el tiempo. En los últimos años, investigadores del Fraunhofer IWS y de la Universidad Técnica de Dresde han puesto a punto un método alternativo que permite aplicar nano y microestructuras a las superficies de forma permanente: el DLIP (Direct Laser Interference Patterning). En este proceso, la nano o microestructura se inscribe directamente en la superficie mediante láser para crear efectos biomiméticos. Destaca la alta velocidad del proceso, que actualmente puede procesar una superficie de hasta un metro cuadrado por minuto. La nueva tecnología es tan prometedora que la empresa Fusion Bionic se escindió del Fraunhofer IWS este año. Fusion Bionic desarrolla y vende soluciones de sistemas DLIP para el acabado biomimético de superficies, pero también lleva a cabo funcionalizaciones de superficies por encargo de sus clientes.
Suficientemente rápido para grandes superficies
"En comparación con el revestimiento o el pegado, el láser se ha considerado durante mucho tiempo demasiado lento para el acabado de grandes superficies", afirma el Dr. Tim Kunze, Director General de Fusion Bionic, que fundó la empresa junto con tres socios. "Con el proceso DLIP, sin embargo, hemos dado el paso hacia el procesamiento rápido de grandes superficies". Tradicionalmente, un rayo láser se concibe como un único haz fino. Si se quisiera utilizar para tallar un patrón en una superficie como una aguja, se perdería demasiado tiempo. El proceso DLIP funciona de otra manera. Un rayo láser se divide primero en varios haces. Para crear un patrón en la superficie, los numerosos haces láser se superponen de forma controlada para crear lo que se conoce como patrón de interferencia. Este patrón puede distribuirse en una superficie mayor, lo que permite un procesamiento rápido y a gran escala.
El principio de la interferencia se explica rápidamente: la luz se propaga en ondas. Si se superponen dos haces de luz, los valles y los picos de sus ondas pueden anularse o intensificarse mutuamente. Allí donde la luz incide en la superficie, la energía láser elimina o modifica el material. Las zonas oscuras permanecen intactas. "Podemos crear casi cualquier estructura imaginable", explica Tim Kunze. "Efecto loto, piel de tiburón, ojo de polilla y mucho más".
Los procesos láser también pueden crear biocompatibilidad o propiedades antibacterianas en prótesis de cadera, por ejemplo
Cuando aún estaba en el Fraunhofer IWS, su equipo colaboró estrechamente con el profesor Andrés Lasagni, de la Universidad Técnica de Dresde, y con Airbus para desarrollar una microestructura que impide que se acumule hielo en las alas durante el vuelo. En los reactores convencionales, esto se evita canalizando el aire caliente de escape de los motores hacia las alas. Sin embargo, esto hace que los motores pierdan energía. El proyecto ha demostrado que el consumo de energía de un sistema de protección contra el hielo se reduce en un 80% si el ala también tiene una microestructura DLIP. "Esto sería una solución sobre todo para los futuros aviones propulsados eléctricamente, ya que no se dispone del calor residual de los motores", afirma Tim Kunze. En otros proyectos se han procesado implantes como prótesis de cadera e implantes dentales para que sus superficies sean especialmente biocompatibles o tengan un efecto antibacteriano.
Financiación del programa Fraunhofer Ahead
Si el ala de un avión tiene una microestructura aplicada por láser, el sistema de protección contra el hielo del ala ahorra alrededor de un 80% de energía El impulso para el desarrollo de DLIP surgió hace unos diez años, cuando el profesor Andrés Fabián Lasagni, experto en láser, se trasladó de la Universidad de Saarbrücken al Fraunhofer IWS y se centró en esta tecnología. Por aquel entonces, la DLIP era más bien un tema académico básico. Sin embargo, Lasagni, que ahora ocupa la cátedra de estructuración láser de grandes superficies en la Universidad Técnica de Dresde, se dio cuenta de que tenía un gran potencial. Creó un potente equipo en el Fraunhofer IWS, que siguió creciendo bajo su sucesor Tim Kunze a partir de 2017. Basándose en el trabajo preliminar pionero de Lasagni, ambos trabajaron juntos para desarrollar ópticas DLIP de calidad industrial, que desde entonces se han instalado en numerosos clientes piloto de todo el mundo. En 2020, quedó claro que era necesario llevar la comercialización de la tecnología DLIP a un nuevo nivel. "Nuestras soluciones ofrecen un grado de libertad completamente nuevo en el diseño de superficies a una velocidad sin precedentes, lo que permite nuevos tipos de productos y procesos", explica Tim Kunze.
Fusion Bionic se ha fundado ahora con financiación del programa Ahead, con el que la Fraunhofer-Gesellschaft posibilita la creación de empresas derivadas. "Hay una gran necesidad de funcionalización de superficies", resume Lasagni. "Cada industria tiene sus propios retos, ya sea la adherencia del helado a las paredes de los contenedores o la reducción de la fricción. En este sentido, no nos quedaremos sin trabajo en breve".
Para acelerar el desarrollo de superficies innovadoras, Fusion Bionic está trabajando en una plataforma de predicción basada en inteligencia artificial con el apoyo de su inversor Avantgarde Labs Ventures. Se utilizará para realizar funcionalidades láser avanzadas. Paralelamente, se está creando en el Fraunhofer IWS un "banco de pruebas de IA", un banco de pruebas multisensor para el procesamiento láser en el que se puede predecir y generar rápidamente la estructura de superficie óptima para cada problema con ayuda de la inteligencia artificial.
Vídeo: Superficies superhidrofóbicas:
