Surface Engineering

Gruppenleitung:

Ziel der „Surface Engineering“ Gruppe ist es, Oberflächen so zu gestalten, dass sie für den jeweiligen Einsatzbereich optimale Eigenschaften besitzen. Dazu werden verschiedene Methoden der Oberflächenbearbeitung von der Nano- bis Makroskala verwendet um die Oberflächeneigenschaften in verschiedenen Anwendungsgebieten gezielt beeinflussen zu können.

Methoden

Direct Laser Interference Patterning (DLIP)
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.
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Abbildung 1: (a) Schematische Darstellung der Laserinterferenzstrukturierung mit entsprechenden Größenordnungen; berechnete lntensitätsverteilungen bei b) Zweistrahl-Interferenz und c) Dreistrahl-Interferenz.

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).
 
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Mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren
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.

weitere Informationen:

  • S. Slawik, P. Leibenguth, H. Welsch, H. Jung, K. Weiss, B. Busskamp, and F. Mücklich, Österreichische Giesserei Rundschau, vol. 60, no. 11, pp. 348–355, 2013.
  • S. Slawik, P. Leibenguth, D. Rathmann, C. Gachot, and F. Mücklich, in International Conference on Shot Peening (ICSP 12), 2014, pp. 232–235.
 
 
Laser-Schreiben (Direct Laser Writing)
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.
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Durch Verfahren der Probe mit der Geschwindigkeit v werden die einzelnen Laserspots aneinandergereiht und es entsteht ein Linienmuster. Durch Variation der Verfahrgeschwindigkeit kann der Überlappungsbereich eingestellt werden.

weitere Informationen:

  • P.G. Grützmacher, A. Rosenkranz, C. Gachot, How to guide lubricants – Tailored laser surface patterns on stainless steel, Appl. Surf. Sci. 370 (2016) 59–66.
 
 
Laser Cladding
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.
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Schematische Darstellung des Laser Cladding (Benjamin Bax, ‘Rutheniumaluminid - Herstellung Durch Laserauftragschweißen Und Der Einfluss von Eisen Auf Die Phasenbildung’, 2015.).

Weitere Informationen

  • Benjamin Bax and others, ‘Synthesis of B2-RuAl Coatings on Mild Steel by Laser Cladding’, Surface and Coatings Technology, 206.19–20 (2012), 3931–37
  • Michael Hans and others, ‘Laser Cladding of Stainless Steel with a Copper-Silver Alloy to Generate Surfaces of High Antimicrobial Activity’, Applied Surface Science, 320 (2014), 195–99
 
 

Anwendungsgebiete

 
 
Tribologie
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.
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Abbildung 2: Schematische Darstellung des anisotropen tribologischen Kontaktes von durch DLIP strukturierte Kugel und Grundkörper.

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).
 
 
Benetzung
Die Benetzbarkeit von Oberflächen lässt sich beeinflussen indem die Topografie gezielt modifiziert wird. Diese Topografiemodifikation erzielen wir mittels DLIP oder direct laser writing1. Durch die so angepasste Benetzbarkeit der Oberflächen lassen sich Reibeigenschaften oder die Ausbreitung von Flüssigkeiten, wie z.B. Schmierstoffen, auf Oberflächen steuern.
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Ein Öltropfen kann durch eine gezielte Änderung der Oberflächentopografie (z.B. Linienmuster) eine Vorzugsrichtung bei der Ausbreitung des Tropfens auf der Oberfläche erhalten. So können Schmiermittel auf der Oberfläche gelenkt werden.

Weitere Informationen:

  • M. Hans, F . Müller, S. Grandthyll, S. Hüfner, F. Mücklich, Anisotropic wetting of copper alloys induced by one-step laser micro- patterning, Appl. Surf. Sci. 263 (2012) 416–422.
  • P.G. Grützmacher, A. Rosenkranz, C. Gachot, How to guide lubricants – Tailored laser surface patterns on stainless steel, Appl. Surf. Sci. 370 (2016) 59–66.
 
 
Antimikrobielle Oberflächen
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.
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Staphylococcus aureus auf DLIP-strukturierter Kupferoberfläche / Staphylococcus aureus on a DLIP-structured Copper surface (Quelle: FuWe)

Weitere Informationen:

  • M. Hans, S. Mathews, F. Mücklich and M. Solioz, Physicochemical properties of copper important for its antibacterial activity and development of a unified model. Biointerphases, vol. 11, no. 1, 2016
  • Rosenkranz, M. Hans, C. Gachot, A. Thome, S. Bonk, and F. Mücklich, Direct laser interference patterning: Tailoring of contact area for frictional and antibacterial properties. Lubricants, vol. 4, no. 2, pp. 2–15, 2016.