LAMETA

IGF-Projekt: 18359 BR  (2014 - 2017)

DIE HERAUSFORDERUNG

Hochauflösender und größer: Der Trend von Displays in Flachbildschirmen und Smartphones kennt seit Jahren fast ausschließlich diese Richtung. Der Bedarf an Strukturen in einer Größenordnung von einigen Nanometern bis wenigen Mikrometern auf immer größeren Flächen wächst daher stetig.

Neben immer feiner skalierten Pixeln lassen sich mit derartig feinen Strukturen auch funktionale Oberflächen erzeugen: Sie erhöhen den Wirkungsgrad von Solarzellen, minimieren Reibung und Verschleiß in Automobilen, verleihen Oberflächen selbstreinigende Eigenschaften oder dienen der gezielten Oberflächenentspieglung.

Die Fertigung der submikrometergroßen Strukturen mit hoher Präzision ist in vielen Bereichen noch weit entfernt von einer industriellen Umsetzung. Insbesondere in der Mikrometallbearbeitung gibt es noch wesentliche Probleme, extrem feine Mikro- und Nanostrukturen großtechnisch herzustellen. Hier spielen qualitative Aspekte wie Formstabilität der Strukturen und Wirtschaftlichkeit der Strukturerzeugung eine zentrale Rolle.

DIE INNOVATIONSIDEE

Gelingt es, mikrostrukturierte Oberflächen in einem Prozessschritt direkt auf das Werkstück einzubringen, können die Mikrostrukturen durch Replikationsprozesse massenproduktionstauglich und kostengünstig hergestellt werden.

Im IGF-Vorhaben LAMETA sollte durch Optimierung der Eigenschaften eines weiter zu entwickelnden Festkörperlasers der Strukturierungsprozess so beeinflusst werden, dass präzise Strukturen im Größenbereich der Wellenlänge auf den Metalloberflächen erzeugt werden können. Hierbei wurde das Verfahren des direkten Laserinterferenzstrukturierens (Direct Laser Interference Patterning - DLIP) mit Hilfe einer, auf hohe Pulsenergien optimierten, Pikosekunden-Laserquelle verwendet.

Beim DLIP-Verfahren wird der Laserstrahl einer kohärenten Laserquelle in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt und kontrolliert auf der Bauteiloberfläche überlagert. Die resultierende, periodische Modulation der Laserintensität erlaubt das Herstellen von definierten Oberflächenmustern unterschiedlicher Topographie und Strukturdimension.

DIE ERGEBNISSE

Im Rahmen von LAMETA wurden Laserquelle sowie optischer Aufbau iterativ anhand von rechnergestützten Simulationen sowie Versuchen unter produktionsnahen Bedingungen kontinuierlich angepasst. Die entwickelte Laserquelle erreicht Pulsenergien von einigen Millijoule bei Pulsdauern im 10 ps-Bereich. Die Grundwellenlänge von 1030 nm sowie die durch Frequenzverdopplung und -vervierfachung erzeugten Wellenlängen 515 und 258 nm erlauben damit ein Bearbeiten unterschiedlichster Werkstoffe.

Es konnte gezeigt werden, dass sich eine Strukturierung mit einer Zielperiode bis etwa 1 μm in der Praxis als relativ einfach gestaltet. Dies betrifft neben dem weiten Parameterfeld auch die Prozessgrenzen, welche erhöhte Toleranzen bei der Anlagentechnik zulassen.

Als finaler Demonstrator konnte ein Stahlflachstempel auf einer Fläche von 50 x 50 mm² mit einer Strukturperiode von 430 nm strukturiert werden. Das Abformen der Oberflächenstrukturen in Polycarbonat (PC) sowie Polydimethylsiloxan (PDMS) verdeutlicht den Nutzen des Werkzeugs zum Herstellen großflächiger Submikrometerstrukturen in kurzer Zeit. Ein industrienahes Umsetzen der funktionalen Strukturen kann in Form kompakter und robuster Gehäuse (sogenannte DLIP-Module) erfolgen. Diese DLIP-Module ermöglichen aufgrund ihrer einfachen Integrierbarkeit in bestehende Industrieanlagen eine effektive Absorption der Technologie durch Industrieunternehmen.

KMU-NUTZEN

Die in LAMETA entwickelte Laserquelle sowie der angepasste optische Aufbau haben ihr großes Einsatzpotential bei der Werkzeugherstellung für Replikationsprozesse für verschiedenste Anwendungsbereiche. Die DLIP-Technologie wurde erfolgreich weiterentwickelt und ermöglicht nun auch KMU, Werkzeuge kosteneffizient zu bearbeiten.

Direkte Strukturierung von Werkstücken erfordert hohe Pulsfolgefrequenzen und hohe Pulsenergien. Das entwickelte Lasersystem ermöglicht diese.

Laufzeit: 01.10.2014 - 31.07.2017