Vortrag Laseroberflächenstrukturierung auf der ICALEO

16. bis 20. Oktober 2016 – San Diego (USA)

Anlässlich der ICALEO, des internationalen Kongresses für Laseranwendungen und Elektrooptik, stellt Camille HAIRAYE, Doktorandin bei IREPA LASER, ihre Arbeiten zur Laseroberflächenstrukturierung mit Ultrakurzpulslasern vor, deren Ziel die Herstellung superhydrophober Oberflächen ist.

Über die Veranstaltung:

Weitere Informationen: www.lia.org/conferences/icaleo

Konferenz „Laser Microprocessing“ – 19. Oktober

Session „Microprocessing for Biological Applications“

Zusammenfassung des Vortrags:

„Steuerung der Benetzbarkeit von Edelstahl durch Laseroberflächenstrukturierung mit einem Hochleistungs-Femtosekunden-Faserlaser“

Die Veränderung der Eigenschaften metallischer Oberflächen durch Laserstrukturierung ist seit mehreren Jahren Gegenstand zahlreicher Studien. Unter Laserbestrahlung verändert sich die Oberflächenrauheit. Damit einher geht eine Veränderung der Benetzbarkeit der Oberfläche, also ihres Verhaltens gegenüber einer Flüssigkeit.

Ziel ist es, Oberflächen zu schaffen, die beispielsweise Flüssigkeiten für Mikrofluidik-Anwendungen einfangen und leiten oder im Gegenteil Flüssigkeiten vollständig abweisen – also superhydrophobe Oberflächen mit Antihaft-, Selbstreinigungs-, antibakteriellen oder Anti-Eis-Eigenschaften für Anwendungen in der Biomedizin oder Luftfahrt.

In diesem Kontext stehen diese Forschungsarbeiten zur Veränderung und Steuerung der Benetzbarkeit von Edelstahlproben durch Laserstrukturierung mittels einer Ultrakurzpulsquelle.

Bei der verwendeten Anlage handelt es sich um einen neuartigen gepulsten Femtosekunden-Faserlaser, der sehr hohe Repetitionsraten bei hohen mittleren Leistungen erreicht und vom französischen Unternehmen Amplitude Systèmes entwickelt wurde. Dieses Lasersystem ist in eine Mikrobearbeitungsplattform integriert, die vom belgischen Unternehmen Optec SA entwickelt wurde. Diese Plattform ermöglicht die Steuerung des auf die Probe treffenden Laserstrahls.

Ziel ist es, auf der Oberfläche der Edelstahlprobe eine Rauheit auf zwei Skalen (Mikro- und Nanometer) zu erzeugen, inspiriert von der Struktur des Lotusblatts [Abbildung a und b]. Die Werkstoffoberfläche wird nach einem bestimmten Muster bestrahlt, um Mikrohügel zu erzeugen, auf denen sich Nanostrukturen selbst organisieren [Abbildung c]. Die so strukturierten Oberflächen zeigen nach einigen Tagen ein superhydrophobes Verhalten, das zeitlich stabil bleibt [Abbildung d].

Mit dieser Strukturierungsmethode lässt sich eine Flächenbearbeitungsrate von 2,25 mm²/s bei einer Repetitionsrate von 50 kHz erzielen. Um das Fertigungsverfahren zu optimieren und die Produktivität zu steigern, können die Möglichkeiten des Lasersystems durch Erhöhung der Arbeitsrepetitionsrate genutzt werden.

Trotz des athermischen Regimes, das Femtosekundenquellen kennzeichnet, führt eine Erhöhung der Pulsfrequenz zu einer Energieakkumulation im Werkstoff und damit zu einer Verschlechterung der zuvor entwickelten Topografie. Eine Anpassung der Energiebedingungen ist dann erforderlich und ermöglicht es, die Geometrie der Mikrostrukturen wiederherzustellen. So lassen sich Flächenbearbeitungsraten von 18 mm²/s bei einer Frequenz von 500 kHz erreichen.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Oberflächentopografie nicht der einzige Parameter ist, der bei der Veränderung der Benetzbarkeit einer laserstrukturierten Oberfläche zu berücksichtigen ist. Auch die chemische Entwicklung der Oberfläche ist ein Schlüsselelement in diesem Prozess und erfordert eingehende Forschung.