Was ist Laserstrukturieren?

Tribologie

Laserstrukturierte Oberflächen können helfen, die tribologischen Eigenschaften von Oberflächen zu verbessern. In der Regel ist das Hauptziel dabei die Reduktion von Materialverschleiß durch Reibkontakt. Es gibt (periodische) Strukturen, die durch eine veränderte Kontaktfläche dafür sorgen, dass weniger Verschleiß auftritt. Ein alternativer Ansatz ist das Einbringen von Schmierstofftaschen mittels Laserstrukturierung. Die Taschen sorgen für eine kontinuierliche Versorgung der Kontaktflächen mit Schmierstoff, was zu einem verschleißarmen Betrieb der Komponenten führt. Darüber hinaus können kanalartige Strukturen in die Oberfläche eingebracht werden, die den Schmierstofffluss effizient lenken und die Reibbedingungen dadurch optimieren.

Eine häufige Anwendung ist die Strukturierung von Gleitlagerringen, zum Beispiel aus Keramik. Die Ermittlung der geeigneten Strukturen bzw. ihrer Kombination auf Basis von mechanischen Modellen ist allerdings komplex, da viele Einflussfaktoren ineinander greifen. Ein Spezialfall von reibungsreduzierenden Strukturen liegt im Fluidbereich, wo die Wandreibung zwischen einer Oberfläche und einem entlangströmenden Fluid von höchster Bedeutung ist. Periodische Strukturen, sog. Riblets, helfen, die Reibverluste zu reduzieren (bekannt als Haifischhauteffekt). Mögliche Anwendungsbereiche reichen vom Transportsektor (Luftfahrt und Schifffahrt), über strömungsoptimierte Pipelines bis hin zu Medizinprodukten, bei denen die Anhaftung von Fremdkörpern vermieden/vermindert wird.  

Elektronik

In der Elektronik wird selektives Abtragen/Strukturieren von metallischen Schichten auf einem Trägersubstrat für die Herstellung von Leiterplatten für die Mikroelektronik eingesetzt. Durch einen gezielten, selektiven Abtrag lassen sich beliebige Leiterbahnen und Schaltkreise aus einer vollflächig metallischen Schicht abtragen. Der Abtrag lässt nur dort Metall übrig, wo später Strom fließen soll. Durch die Flexibilität des Lasers als Werkzeug sind komplexe Abtragsmuster und Leiterplattendesigns möglich – und das ohne Maskierung und mehrstufige, nasschemische Ätzverfahren. Die hohe Präzision der Laserbearbeitung bis hinunter in den einstelligen Mikrometerbereich ermöglicht zudem die Fertigung kleinster Strukturen und folglich immer kleinerer Elektronikkomponenten.

Wafer-Chucks

Die Oberflächenstrukturierung von technischer Keramik wie SiC wird verwendet, um sogenannte Chucks als Supportwerkzeuge für die Wafer- und Chipherstellung zu bearbeiten. Je nach konkreter Anwendung und Funktion kommen verschiedene Geometrien zum Einsatz, um den optimalen Kontakt zwischen Chuck und Wafer zu gewährleisten.

Optik

Auch Strukturen mit optischen Eigenschaften können mittels Laser hergestellt werden. Dabei können mit den Strukturen sowohl Antireflex- als auch farbgebende Effekte erreicht werden. Der große Vorteil der Laserstrukturierung liegt darin, dass hier eine vergleichsweise einfache und schnelle Oberflächenmodifikation die herkömmliche Lösung – komplex aufgebaute und hergestellte Multischichtsysteme – ersetzen kann. Die für solche Anwendungen benötigten Strukturen sind periodisch und haben Strukturgrößen im Sub-Mikrometer-Bereich, sodass Interferenzeffekte zwischen dem reflektierenden Licht der unterschiedlichen Struktuperioden zum Tragen kommen und für das gewünschte Ergebnis sorgen. Diese kleinen Strukturgrößen erfordern spezielle Laserbearbeitungverfahren (siehe unten).

Eine weitere optische Strukturierung ist das sog. Blackmarking. Hier werden höchstabsorbierende Strukturen hergestellt, die das einfallende Licht „schlucken“. Dadurch ergibt sich ein hoher Kontrast zwischen dem bearbeiteten und unbearbeiteten Bereich. Eine besonders effiziente Strukturform für diesen Effekt sind sog. „Cone-like protrusions“ (CLPs). Dabei handelt es sich um Aufwürfe mit tief eingeschnittenen Tälern, die sogar über Hinterschnitte verfügen können. An diesen Strukturen wird das einfallende Licht diffuse, mehrfach reflektiert, sodass fast kein Licht zum Betrachter zurückkommt und die Oberfläche schwarz erscheint.

Haftreduzierende Strukturen

Wie bei optischen Anwendungen haben sich periodische Strukturen auch für weitere Anwendungsgebiete als effizient erwiesen, in denen es im weitesten Sinne um Haft- bzw. Anlagerungsreduktion geht (wobei die Strukturperioden in der Regel größer sind als bei den oben beschrieben Optik-Strukturen). Beispiele sind:

• Hydrophobe Oberflächen, bei denen durch die periodische Struktur der Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Oberfläche gesteigert wird. Dadurch benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche schlechter und der Tropfen perlt im Extremfall ab. Dieser Effekt ist bioinspiriert und den meisten umgangssprachlich als „Lotusblatt-Effekt“ bekannt.
• Anti-Fouling- und anti-bakterielle Strukturen helfen dort, wo sich sonst (Mikro-)Organismen auf Oberflächen niederlassen und vermehren. Hier hilft eine periodisch strukturierte Oberfläche mechanisch und verschlechtert die Anlagerungsfähigkeit der Organismen. Das kann zum Beispiel im Hygienebereich (antibakterielle Oberflächen im Krankenhaus, medizinische Implantate) wichtig sein oder im Schiffssektor, wo das Anlagern kleiner Meereslebewesen und Algen immer wieder zu Problemen führt.

Aufrauen für bessere Haftung

Beim Fügen, insbesondere beim Kleben, kann das vorherige Aufrauen der Fügepartner die Festigkeit der Fügeverbindung verbessern. Das Aufrauen kann mit statistischen (schneller und günstiger) oder deterministischen (größeres Optimierungspotenzial) Strukturen erfolgen. Darüber hinaus sind o.g. CLPs auch hier eine geeignete Struktur.

Ein weiteres, wichtiges Anwendungsfeld für aufgeraute Oberflächen ist die Medizintechnik. Bei Zahnprothesen oder künstlichen Gelenken begünstigen raue Oberflächenstrukturen das Anwachsen von Gewebe oder Knochen. Die benötigten Rauheiten bzw. Strukturgrößen hängen hier stark von den konkreten Einsatz- und entsprechend benötigten Einwachsbedingungen ab.