Neuartige Oberflächenfunktionalitäten mittels Laserinterferenz

Wo kommt die Technologie her?

Abb. 1: Einzigartige Oberflächenstrukturen durch LaserinterferenzDie Technik ist das erste Mal 2020 durch die Ausgründung SurFunction kommerzialisiert worden. Die Geschichte ist aber länger. Die beiden Mitgründer Mücklich und Lasagni, die Erfinder der Technologie, haben vor über 20 Jahren damit begonnen, an der gezielten Überlagerung von Laserstrahlen zu forschen. Das ging immer weiter bis Lasagni 2014 am Fraunhofer IWS die erste kompakte Optik entwickelt hat, mit der es möglich ist, das Laborexperiment in die industrielle Anwendung zu übertragen. Nachdem verschiedene Preise damit gewonnen wurden – u. a. der Berthold Leibinger Preis für die beste Laserinnovation 2016 – erfolgte die Ausgründung von SurFunction mit Sitz in Saarbrücken und Dresden. Es werden nicht nur Oberflächen bearbeitet, sondern auch entsprechende Materialcharakterisierungen und mechanisch-elektrische Prüfungen durchgeführt.

Die SurFunction-Technologie heißt xDLIP für Extended Direct Laser Interference Patterning.

Wie sehen Laserstrukturierungen aus und wie funktionieren sie?

Mit kurzen Lichtpulsen durch Nano-, Piko- oder Femtosekundenlaser werden gezielt mindestens zwei Teilstrahlen genutzt, um sie zur Interferenz zu bringen. Im einfachsten Falle, bei zwei Teilstrahlen, haben diese Linienstrukturen in der Größenordnung von einigen wenigen Mikrometern bis zu maximal 15 bis 20 Mikrometern, nach unten, je nach Laserquelle, zu einer Linienstruktur von nur ein paar hundert Nanometern. Mit der entsprechenden Wellenlänge des Lasers, mit den entsprechenden Pulsenergien, können quasi alle Materialien bearbeitet werden und sind dabei auch nicht auf Linienmuster beschränkt. Mit mehr Teilstrahlen sind alle periodischen Muster realisierbar.

Vorteil der Laserinterferenz-Technologie

Laserbearbeitung gibt es schon lange und auch das Laserschreiben ist bereits etabliert z. B. für Werkzeuge. Was passiert beim Laserschreiben? Es gibt immer eine fokussierende Optik und einen Fokuspunkt, auf dem gearbeitet werden kann. Das heißt, es werden im besten Fall seriell Strukturen in das Material geschossen – es gibt inzwischen auch andere Verfahren, um das zu parallelisieren.

Mittels Interferenz ist im gesamten Bereich dieser überlagernden Strahlen die periodische Information gespeichert. Das heißt, nicht eine Linie oder ein Feature wird mit einem Schuss in die Oberfläche geschossen, sondern hunderte bis tausende einzelner Features. So ist schnelles, sehr oberflächensensitives aber auch sehr schonendes Agieren bei z. B. dünnen Oberflächen möglich. Bei SurFunction wird der Prozess in Kombination mit werkstofftechnischem Know-how genau auf die Anwendung angepasst. Mit einem Nanosekundenlaser kann die Interferenzstrukturierung thermisch erreicht werden. Das Material wird an den Stellen mit konstruktiver Intereferenz an der Oberfläche lokal aufgeschmolzen, während es dazwischen kalt bleibt. Die Schmelze fließt dort zusammen, weil es im Verfahren eine Gleichzeitigkeit gibt – so können einzigartige Oberflächenstrukturen erzeugt werden (Abb. 1). Das Ganze ist ein thermisch induzierter Prozess, d. h. es gibt eine Schmelze. Die Wärmeeindringzone ist im Bereich von wenigen Mikrometern.

Wenn es jetzt noch kleiner werden soll und noch präzisere Strukturen erzeugt werden sollen, wird im Bereich < 10 Pikosekunden bzw. Femtosekunden gearbeitet. Es gibt dann die Möglichkeit, das Material zu ablatieren. Damit existiert kein Umschmelzvorgang mehr, sondern das Material wird an der Oberfläche evaporiert. Damit sind noch kleinere Strukturen und weitere Features möglich.

Anwendung in der Oberflächentechnik

Abb. 2: Pilotanlage zur Strukturierung elektrischer SteckverbinderJede periodische Struktur kann auf das Material appliziert werden. Je mehr Teilstrahlen, desto komplexer wird es zwar, bleibt aber machbar. Durch das Parallelisieren ist diese Technik sehr schnell, es können im Minutentakt Quadratmeter strukturiert werden. Eine chemische Beschichtung ist anschließend nicht mehr nötig. Durch kompakte Optiken der neuen Generation ist das Verfahren noch verlässlicher und für die Automatisierung prädestiniert.

Anwendungsfelder, mit denen sich SurFunction in den letzten Jahren erfolgreich auch in der industriellen Umsetzung beschäftigt hat, sind z. B. elektrische Kontakte. Die Anforderung aus der Industrie ist die, immer mehr einzelne Steckerpins in einen Stecker zu stecken. Das ist jedoch über die sogenannten Steckkräfte limitiert. Gleichzeitig wird sehr hohe Verlässlichkeit erwartet und es sollen im besten Fall auch die Kontaktübergangswiderstände reduziert werden. Der Laserinterferenz-Prozess ist hierzu in der Lage und hat bereits Serienanwendungen realisiert. Durch die kleine Skala und die Präzision ist das Vorgehen auch für die tribologische Anwendung extrem interessant – nicht nur für geschmierte Reibung, sondern auch für trockene Reibung.

Durch die Wechselwirkung mit dem sichtbaren Licht sind die Strukturen darüber hinaus sehr schön. Daraus ergeben sich ganz neue Möglichkeiten des Plagiatsschutzes, des Markenschutzes und optisch sehr hochwertige Oberflächen.

Das Thema Benetzung ist ebenfalls spannend. Strukturen von superhydrophoben bis hin zu hydrophilen Oberflächen können erzeugt werden. Gegebenenfalls kommt auch noch die zusätzliche Stabilisierung der Oberflächen in den Fokus. Das Thema Benetzung spielt direkt für das Thema medizinische und hygienische Anwendung eine Rolle. Die Größenordnung der Strukturen entspricht der von Bakterien. In Kombination mit Kupfer oder Silber können z. B. aktiv keimtötende Oberflächen gestaltet und teilweise bis zu 15-fach höhere Abtötungsraten erzielt werden, wenn es um die Vermeidung von Biofilm geht. Die Biofilmreduzierung liegt bei über 80 %.

Weiteres Anwendungsgebiet ist der Bereich der Solarenergie. Über eine Strukturierung von Folie mit unserer Technologie kann die Lichtbrechung genauso eingestellt werden, dass die Absorption um bis zu 35 % erhöht wird. Das gibt neue, nachhaltige Möglichkeiten, um Solarzellen effizienter zu gestalten.

In Abbildung 2 ist die erste Pilotanlage zu sehen, auf der elektrische Steckverbinder strukturiert werden. Die Einzelpins sind auf Bandmaterial aufgewickelt und werden mit xDLIP Optiken (schwarze Kästen im Vordergrund und im Hintergrund) vollflächig im Funktionsbereich strukturiert. Das passiert im laufenden Prozess und dadurch, dass ein sehr stabiles Interferenzvolumen vorliegt. So können Tiefen von bis zu 7 mm erreicht werden. Das heißt, die Anwendung ist sehr schnell und in keiner Weise limitiert. Mit einem Proof-of-Concept werden seit drei Jahren große industrielle Anwendungen erschlossen.

Strategische Partner sind unter anderen das Material Engineering Center Saarland (MECS) sowie die Technische Universität Dresden, die vor allem in Bezug auf Laser- und Optikkompetenz führend ist. Auto-matisierungspartner, insbesondere im Bereich der Steckverbinder, ist die Firma Noxon Automation, die den kompletten Prozess in der Produktion umsetzen kann.

Mit Matthias Maurer (Abb. 3) wurden mehrere Projekte auf der Weltraumstation ISS durchgeführt. Es ging einerseits um das Thema Biofilmvermeidung, denn im All kann man schlecht durchlüften. Das heißt, man muss sich vorher Gedanken machen, wie man aktiv gegen die Biofilmbildung vorgehen kann. Das zweite ist das Thema antimikrobielle Oberflächen, insbesondere im Experiment „Touching Surfaces“ zur aktiven Keimtötung, was auch für irdische Probleme relevant ist. Dieses Experiment wurde von Matthias Maurer zu seinem persönlichen Experiment auf der ISS ausgewählt. Demnächst sollen auch Versuche am Südpol durchgeführt werden.

Der sogenannte „Space-Spoon” ist der Löffel, mit dem Matthias Maurer oben auf der ISS seine saarländische Sterneküche verzehrt hat. Auf dem Löffel, mit dem er gegessen hat, sind Strukturen, die mittels Laserinterferenz-Technologie erzeugt wurden. So kann im Rasterelektronenmikroskop betrachtet werden, was auf der Oberfläche passiert ist.

Der Artikel geht auf einen Vortrag auf der Surface Technology im Juni 2022 in Stuttgart zurück. Auch beim Impulsvortrag von Dr. Frank Mücklich am Eröffnungstag der ZVO-Oberflächentage in Leipzig wurden SurFunctions antimikrobielle Oberflächen auf der ISS vorgestellt.