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Laser mustern Lotuseffekt auf Flugzeuge

| Autor: Stéphane Itasse

Filigrane Gravuren auf Außenflächen von Flugzeugen sollen sicherstellen, dass die Luftströmung glatt und so der Luftwiderstand des Flugzeugs gering bleibt. Dafür haben Forscher ein Laserverfahren entwickelt, das strukturierte Oberflächen mit hohem Durchsatz erzeugt, um die Oberflächenkontamination zu erschweren.

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Alfredo Aguilar, Wissenschaftler im Team Oberflächenfunktionalisierung am Fraunhofer-IWS, bedient das weltweit größte 3D-DLIP-System, das seinen Standort an der TU Dresden hat.
Alfredo Aguilar, Wissenschaftler im Team Oberflächenfunktionalisierung am Fraunhofer-IWS, bedient das weltweit größte 3D-DLIP-System, das seinen Standort an der TU Dresden hat.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Das europäische Projekt Laser-4-Fun, zielt auf Vorteile ab: Mit bloßem Auge kaum sichtbare Nanostrukturen sollen Wasser, Insekten, Schmutz und generell Verunreinigungen abweisen, wie das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden, mitteilt.

Mikro- und nanostrukturierte Oberflächen sollen Verschmutzung vermeiden

„Mit unserem Verfahren wollen wir jede Form der Verunreinigung von Flugzeugoberflächen vermeiden“, sagt Dr. Tim Kunze, der die Gruppe Oberflächenfunktionalisierung am IWS leitet. „Es wäre aber auch schon ein Erfolg, wenn wir es wenigstens hemmen können.“ Das könnte beispielsweise mit mikro- und nanostrukturierten Oberflächen geschehen.

Um zu verstehen, was sich die Fraunhofer-Ingenieure zum Wasser- und Schmutzabweisen ausgedacht haben, ist die Erinnerung an den Physikunterricht hilfreich: Ein Lichtstrahl, der einen Doppelspalt passiert, bildet ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Linien – ein Interferenzmuster.

Solch ein Interferenzmuster erzeugen die neuen DLIP-Optikmodule aus Dresden. „DLIP“ steht dabei für „Direct Laser Interference Patterning“. Spezielle Optiken teilen einen Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen auf, die später zum Strukturieren auf der Materialoberfläche zusammengeführt werden. Damit lassen sich präzise und kontrollierbare Lichtmuster erzeugen. Wird das Interferenzmuster auf ein Titanblech fokussiert, schmilzt das Laserlicht das Material und trägt es in den hellen Bereichen ab, während es das Material in den dunklen unbeeinflusst lässt. Dadurch erzeugen die Wissenschaftler von Fraunhofer-IWS und TU Dresden auf der Titanoberfläche winzige Strukturen. Die Abstände zwischen den Säulen lassen sich frei zwischen 150 nm und 30 µm einstellen.

Bearbeitungstempo deutlich gesteigert

Durch die Nano- und Mikrostrukturen auf dem Metall können sich Wassertropfen nicht mehr auf der Oberfläche breitmachen und anheften. Weil sie nicht genug Kontakt auf der Oberfläche finden, rollen oder rutschen sie ab. Dieser Effekt ist der Natur entlehnt und ist seit vielen Jahren als Lotuseffekt bekannt.

Lotuseffekt-Nanostrukturen ließen sich zwar schon bisher mit Lasertechnik erzeugen, aber nur sehr langsam: Der Laserstrahl musste wie ein Bleistift jede Nut beziehungsweise jede Säule nacheinander zeichnen. Dank des Interferenzverfahrens konnten die Entwickler das Bearbeitungstempo deutlich steigern: Je nachdem ob Titan, Polymere oder andere Werkstoffe zu strukturieren sind, kommen die DLIP-Optiken auf fast 1 m²/min.

Derweil loten die Dresdner Fraunhofer- und TU-Ingenieure schon weitere Anwendungen für ihre lotusähnlichen Nanostrukturen aus. Denn die können nicht nur wasserabweisende Oberflächen erzeugen, sondern auch dafür sorgen, dass Wasser oder andere Flüssigkeiten ausgewählte Areale benetzen und so „hydrophil“ oder „lyophil“ werden. Auch schwer kopierbare Sicherheitssiegel lassen sich erzeugen. So kann dieses Verfahren beispielsweise zur Kennzeichnung fälschungssicherer Nummernschilder oder zur Erhöhung der Biokompatibilität von Zahnimplantaten eingesetzt werden.

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Stéphane Itasse

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