Surface Engineering

Ein Forschungsschwerpunkt der Gruppe ist die gezielte Bearbeitung von Oberflächen mit Hilfe der am Institut grundlegend erforschten und mittlerweile etablierten Laserinterferenzstrukturierung (Kurzform DLIP = direct laser interference patterning). Im Jahr 2016 hat die Gruppe den in der Laserforschung renommierten Berthold-Leibinger Innovationspreis für die innovative Anwendung von DLIP zur Verbesserung der Reibungs- und elektrischen Eigenschaften von industriell produzierten elektrischen Steckverbindern erhalten.
Bei DLIP werden hochenergetische, gepulste Laserstrahlen miteinander überlagert, um definierte Intensitätsverteilungen und damit Oberflächentopographien mit einer präzisen, lateralen Strukturgröße, der Strukturperiode P, zu erzeugen (vom oberen sub-µm bis zum zweistelligen µm Bereich). Die genaue Verteilung der Laserintensität kann durch die Anzahl der kombinierten Strahlen sowie deren Winkel untereinander definiert eingestellt werden. In Abbildung 1a ist schematisch das Prinzip der Laserinterferenz für eine Zweistrahlinterferenz dargestellt. Abbildung 1 zeigt weiterhin die Verteilung der Laserintensität bei Kombination von zwei (b) oder drei (c) Strahlen.

weitere Informationen:

Lasagni, A., D’Alessandria, M., Giovanelli, R. & Mücklich, F. Advanced design of periodical architectures in bulk metals by means of Laser Interference Metallurgy. Appl. Surf. Sci. 254, 930–936 (2007).
Mücklich, F., Lasagni, A. & Daniel, C. Laser Interference Metallurgy – using interference as a tool for micro / nano structuring. Int. J. Mat. Res. 97, 1337–1344 (2006).
Lasagni, A. F., Acevedo, D. F., Barbero, C. A. & Mücklich, F. One-step production of organized surface architectures on polymeric materials by direct laser interference patterning. Adv. Eng. Mater. 9, 99–104 (2007).

Mechanische Oberflächenbehandlungen stellen effektive Methoden zur Lebensdauersteigerung von Bauteilen bereit. Durch Einbringung von makroskopischen Druckeigenspannungen und mikroskopischen Defekten ist treten oberflächennahe Rissinitiierung und -wachstum verzögert auf. Forschungsschwerpunkte der Gruppe liegen in der Aufklärung der mikrostrukturellen Vorgänge bei den Verfahren Laser Peening und Kugelstrahlen. Besonders interessant sind dabei die Deformation des Gefüges auf mikroskopischer Skala sowie die eingebrachten Eigenspannungen1,2.

Beim Direct Laser Writing wird ein ultrakurzgepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich (10-15 s) über das zu strukturierende Substrat gerastert. Durch die extrem kurze Pulsdauer entsteht bei der Ablation des Materials nur ein sehr geringer Anteil von Schmelze und es lassen sich somit sehr hohe Aspektverhältnisse (Verhältnis von der Tiefe der Strukturen zu deren Breite) realisieren. Mit diesem Verfahren besteht die Möglichkeit eine große Bandbreite an unterschiedlichen Materialien, von Metallen über Polymere bis hin zu Gläsern zu strukturieren.

Laser Cladding oder Laserauftragsschweißen ist eine Prozesstechnik der additiven Fertigung. Die Gruppe nutzt das Verfahren um metallische Pulvermischungen mittels eines fokussierten Lasers punktgenau gemeinsam mit einer Substratoberfläche aufzuschmelzen. Nach dem Erstarren der Schmelze besteht eine feste Verbindung des zugeführten Metalls mit dem Substrat. Durch die Wahl der zugeführten Pulver können spezielle Phasen (z.B. Intermetallische Phasen wie RuAl) lokal hergestellt werden. Durch präzises Verfahren des Düsenkopfes über dem Substrat lassen sich somit verschiedene Strukturen und Schichten mit variabler Geometrie auf der Oberfläche erzeugen.

Ein Hauptforschungszweig der Gruppe ist die Tribologie, also die Lehre von Reibung, Verschleiß und Schmierungszuständen relativ zueinander bewegter Körper. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Methoden, wie DLIP 1-3, Direct Laser Writing oder Beschichtungsmethoden (EPD)4 verwendet um Reibung und Verschleiß von Oberflächen gezielt zu beeinflussen bzw. zu steuern. Besonders wird dabei auf die Übertragbarkeit auf technische Oberflächen Wert gelegt. Es werden sowohl geschmierte als auch nicht geschmierte Syteme unter variierenden Lasten, Reibungsgeschwindigkeiten, Luftfeuchtigkeiten oder Temperaturbereichen betrachtet. Auch an selbstschmierenden Systemen in Form von Kohlenstoffnanopartikel verstärkten Kompositmaterialien wird geforscht.

weitere Informationen:

Gachot, C. et al. Dry Friction Between Laser-Patterned Surfaces: Role of Alignment, Structural Wavelength and Surface Chemistry. Tribol. Lett. 9, 193–202 (2013).
Rosenkranz, A., Heib, T., Gachot, C. & Mücklich, F. Oil film lifetime and wear particle analysis of laser-patterned stainless steel surfaces. Wear 334-335, 1–12 (2015).
Rosenkranz, A., Reinert, L., Gachot, C. & Mücklich, F. Alignment and wear debris effects between laser-patterned steel surfaces under dry sliding conditions. Wear 318, 49–61 (2014).
Reinert, L. et al. Long-lasting solid lubrication by CNT-coated patterned surfaces. Sci. Rep. 7, DOI: 10.1038/srep42873 (2017).
Suárez, S., Rosenkranz, A., Gachot, C. & Mücklich, F. Enhanced tribological properties of MWCNT/Ni bulk composites – Influence of processing on friction and wear behaviour. Carbon N. Y. 66, 164–171 (2014).

Im Themenbereich „antimikrobielle metallische Oberflächen“ werden Kontaktwerkstoffe erforscht und entwickelt, die über aktive keimtötende Eigenschaften verfügen. Auf diese Weise sollen Übertragungen von Infektionen, sowie Biofouling, das in Form biologischer Ablagerungen und Korrosion zu Schäden an technischen Systemen führen kann, reduziert werden. Die Gruppe forscht in diesem Zusammenhang an den biochemischen Wirkmechanismen bei der Keimtötung auf metallischen Oberflächen. Auf dieser Forschungsaktivität basierend, soll die antimikrobielle Kapazität der Werkstoffe gesteigert und auf spezielle Anwendungsfelder hin optimiert werden. Besonders im Bereich der Raumfahrt können antimikrobielle Oberflächen zur Sicherheit der Astronauten beitragen. Aus diesem Grund werden die Effekte solcher Oberflächen derzeit gemeinsam mit ESA und NASA untersucht. Die Interaktion zwischen Keim und Werkstoff wird u.a. über deren Kontaktfläche definiert, welche durch lasertechnische Verfahren wie das DLIP und Direct Laser Writing gezielt modifiziert wird.

Surface Engineering

Gruppenleitung:

Methods

Direct Laser Interference Patterning (DLIP)

Mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren

Laser-Schreiben (Direct Laser Writing)

Laser Cladding

Anwendungsgebiete

Tribologie

Benetzung

Antimikrobielle Oberflächen