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Laserstrukturieren

Freiformflächen mit dem Laser gezielt strukturieren

| Autor / Redakteur: Holger Mescheder und Ulrike Hermens / Stéphane Itasse

Diese efeuähnliche, prozedurale Struktur lässt sich ohne Verzerrung auf einer gekrümmten Oberfläche aufbringen, indem ein Algorithmus ihren Verlauf auf der 3D-Oberfläche errechnet, statt das Muster auf einer 2D-Oberfläche zu definieren.
Diese efeuähnliche, prozedurale Struktur lässt sich ohne Verzerrung auf einer gekrümmten Oberfläche aufbringen, indem ein Algorithmus ihren Verlauf auf der 3D-Oberfläche errechnet, statt das Muster auf einer 2D-Oberfläche zu definieren. (Bild: Fraunhofer-IPT)

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Wer schon einmal versucht hat, einen Ball in Geschenkpapier einzuwickeln, kennt das Problem: Eine zweidimensionale Struktur ohne Knicke und Verzerrungen auf ein dreidimensionales Objekt abzuwickeln, ist nicht leicht. Forscher haben mithilfe von Software einen neuen Ansatz realisiert.

Große Hersteller bieten bereits Mehrachs-Laseranlagen zur automatisierten Oberflächenstrukturierung von Freiformflächen an. Wenn es um das Design der Strukturen und hin zu kleineren Strukturgrößen geht, besteht aber immer noch Entwicklungspotenzial. Herausfordernd wird es immer dann, wenn komplexe Strukturen auf gekrümmte Oberflächen übertragen werden sollen. Denn meist liegen Strukturvorlagen als zweidimensionale Bilddateien vor; die Tiefe der Struktur wird dabei durch die Helligkeit der Bildpunkte festgelegt. Jedoch lassen sich zweidimensionale Objekte nicht immer verzerrungsfrei auf dreidimensionale Oberflächen übertragen.

Bisher hoher manueller Aufwand zum Übertragen der Strukturen

In der Ätztechnik ist dieses Problem schon lange bekannt. Strukturen liegen dort in Form von fotografischen Filmen vor. Hiermit wird ein lichtempfindlicher Abdecklack belichtet. Nach dem Auswaschen schützt dieser Lack die Bereiche der Oberfläche, an der das Ätzmittel später kein Material abtragen darf. Um die Strukturvorlage auf komplex geformte Oberflächen genau aufzubringen, müssen die Filme teilweise eingeschnitten und manuell retuschiert werden. Hier muss hoher Aufwand durch gut geschulte Mitarbeiter getrieben werden, um sicherzustellen, dass Ästhetik oder Funktion der Struktur erhalten bleiben.

Durch die digitale Unterstützung lässt sich beim Laserstrukturieren das Platzieren der Strukturvorlage vereinfachen. Software aus der Computergrafik unterstützt bei der verzerrungsarmen Platzierung der Bilddaten, dem sogenannten Mapping. Das Grundproblem bleibt jedoch: Ein flächiges Element lässt sich nicht immer problemlos auf ein dreidimensionales Objekt platzieren.

Das Fraunhofer-IPT geht deshalb noch einen anderen Weg: So lassen sich manche Strukturen durch mathematische Formeln oder durch Algorithmen beschreiben. Dafür werden beispielsweise die Geometrie und die Verteilung der einzelnen Bestandteile einer Struktur durch vorgegebene Regeln definiert. Die Struktur selbst entwickelt sich erst mit und auf dem Bauteil. Es existiert also kein fertiges, universales Strukturmuster, sondern die Bauteilform selbst nimmt Einfluss auf die Ausgestaltung der Struktur.

So haben die Forscher für dekorative Zwecke beispielhaft einen Algorithmus entwickelt, der an das Wachstum von Efeupflanzen angelehnt ist (Bild 1). Ausgehend von einem oder mehreren Startpunkten, den Wurzeln, beginnt die virtuelle Pflanze, über die Bauteiloberfläche zu wachsen, sich zu verzweigen und Blätter auszubilden. Zur Veränderung der Struktur lassen sich die Parameter frei anpassen. Es können so beispielsweise der Grad der Verästelung oder die Größe und Anzahl der Blätter verändert werden.

Vollständig digitale Prozesskette beim Strukturieren von Freiformflächen

Aus den algorithmisch bestimmten, prozeduralen Strukturen werden direkt Befehle für das Laserstrukturiersystem abgeleitet. Diese vollständig digitale Prozesskette ermöglicht damit eine effiziente und automatisierte Fertigung: Es lassen sich mit minimalem Aufwand beliebig große und komplex geformte Oberflächen mit detaillierten Strukturen entwickeln und herstellen.

Ein zweiter Ansatz eignet sich besonders für Strukturen, die selbst eine Funktion zu erfüllen haben. Die in Bild 2 dargestellte Struktur ist beispielsweise in der Lage, Flüssigkeit an einen bestimmten Punkt zu transportieren. Zur Auslegung und Platzierung der Struktur muss der Konstrukteur nur eine Kurve auf der Bauteiloberfläche zeichnen, die die Richtung des Flüssigkeitstransports bestimmt. Entlang dieser Leitkurve entwickelt sich das Strukturmuster gemäß den vorgegebenen Regeln.

Die flüssigkeitsleitende Struktur selbst besteht aus wabenförmigen Einzelelementen, die durch ihre Form den passiven, gerichteten Flüssigkeitstransport gewährleisten. Um die Funktion nicht zu beeinflussen, dürfen sie nicht zu stark verzerrt werden. Diese Kriterien werden durch die Angabe von zulässigen Toleranzen für die Winkelabweichungen im Strukturelement berücksichtigt.

Weiterer Trend zu kleineren Strukturgrößen auf der Nanoskala

Ein weiterer Trend geht hin zu kleineren Strukturgrößen auf der Nanoskala, mit denen Oberflächen funktionalisiert werden können. Die Größe der Struktur ist dabei nach unten allein durch den Durchmesser des Laserstrahls begrenzt. Aus Grundlagenuntersuchungen ist allerdings bekannt, dass auch deutlich kleinere Strukturen auf der Nanoskala herstellbar sind. Bei richtiger Wahl der Fertigungsparameter entstehen zum Beispiel periodische Grabenstrukturen, deren Ausrichtung sich mit der Polarisationsrichtung der Laserstrahlung steuern lässt.

Diese Strukturen bieten hohes Potenzial für technische Anwendungen – können sie doch verschiedene Eigenschaften von Bauteiloberflächen beeinflussen: In Studien wurden bereits Benetzung, Tribologie, Optik und Zellwachstum mithilfe dieser Strukturen gesteuert. Das Fraunhofer-IPT hat zu diesem Zweck ein System zur Ausrichtung der Grabenstrukturen auf 3D-Oberflächen entwickelt. Mithilfe eines Polarisationsrotators kann die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung und damit die Ausrichtung der Grabenstrukturen automatisiert auf Freiformflächen gesteuert werden. Da diese Komponente flüssigkristallbasiert funktioniert, ist eine zeitliche Auflösung in Millisekunden möglich. Somit kann man die Ausrichtung von Nanostrukturen auf freigeformten Oberflächen manipulieren und sie zum Beispiel konturfolgend fertigen.

Durch den modularen Aufbau ist es möglich, die Software als Plug-In in gängige CAD-Systeme zu integrieren. Die Software lässt sich jedoch auch als eigenständige Anwendung nutzen.

* Holger Mescheder und Ulrike Hermens sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in 52074 Aachen

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