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Schmutzabweisende Oberflächen: Lasersystem verhindert Verunreinigung von Flugzeugoberflächen

Wissenschaftler haben eine Lasermaterialbearbeitungsmethode für die Herstellung strukturierter Oberflächen entwickelt, die Schmutz und Wasser abweisen. Diese Technologie wird vor allem im Luftfahrtsektor eingesetzt.
Schmutzabweisende Oberflächen: Lasersystem verhindert Verunreinigung von Flugzeugoberflächen
Die Verwendung von Beschichtungen, die der Lotuspflanze, deren Blätter selbstreinigende Eigenschaften haben, nachempfunden sind, wird in einem breit gefächerten Anwendungsspektrum, das von der Industrie bis zur Medizin reicht, immer gängiger. Wenn Wasser auf die Blätter dieser Pflanze fällt, bilden sich Perlen, die hinabrollen und dank der komplexen mikroskopischen und nanoskopischen Oberflächenstruktur Staub und Schmutz mit sich führen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts LASER4FUN erarbeitete ein Team von Forschern nach dem Vorbild des Lotuseffekts eine Methode, bei der Laser verwendet werden, um filigrane Muster direkt in Metalloberflächen zu ätzen.

Zusammenfassend sagte Dr. Tim Kunze in einer Pressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Hinblick auf das Verfahren: „Mit unserem Verfahren wollen wir jede Form der Verunreinigung von Flugzeugoberflächen vermeiden.” Er merkte jedoch an: „Es wäre aber auch schon ein Erfolg, diese wenigstens erheblich reduzieren zu können.“

Lotuseffekt

In derselben Pressemitteilung wird darauf hingewiesen, dass die Ingenieure ein DLIP-Verfahren (Direct Laser Interference Patterning, direkte Interferenzmuster-Erzeugung durch Laser) angewandt haben. Dieses beinhaltet die Nutzung spezieller Optiken, um einen einzelnen Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen, die später zum Strukturieren auf der Materialoberfläche zusammengeführt werden. Hierdurch entstehen präzise und kontrollierbare Lichtmuster. „Wird das Interferenzmuster auf ein Titanblech fokussiert, schmilzt das hochenergetische Laserlicht und trägt das Material in den hellen Bereichen ab, während es das Material in den dunklen unbeeinflusst lässt.“

Das Team beobachtete, dass diese Muster Säulengängen oder Wellblechdächern ähneln. „Die Abstände zwischen den Säulen lassen sich zwischen 150 Nanometer (Millionstel Millimeter) und 30 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) einstellen.“ Hierdurch wird eine Oberfläche geschaffen, auf der Wassertropfen keine hinreichende Haftung mehr haben. Infolgedessen rollen oder rutschen sie – ähnlich dem Lotuseffekt, der in der Natur zu beobachten ist – ab, anstatt sich auszubreiten, um einen Film zu bilden.

Solche wasserabweisenden bzw. superhydrophoben Oberflächen werden laut der Pressemitteilung auch mittels anderer Technologien erzeugt. „Die meisten lotusähnlichen Effekte auf Metallblechen, Glas oder Badarmaturen werden noch heute durch spezielle Verfahren erzeugt. Als Hauptvorteil dieser Beschichtungsmethoden gilt, dass sich große Flächen damit behandeln lassen. Die Beschichtungen altern jedoch mit der Zeit, können leicht beschädigt werden und entsprechen teilweise nicht den neuen EU-Umweltvorschriften.“ Die Wissenschaftler heben hervor, dass die mit der DLIP-Methode hergestellten Strukturen durchaus über Jahre hinweg Bestand haben könnten, ohne Umweltprobleme aufzuwerfen.

Zusätzlich zu laserstrukturierten Beschichtungen auf einer Flugzeugtragfläche im Rahmen von Flugversuchen, untersucht das Team auch andere Anwendungsbereiche für seine lotusähnlichen Nanostrukturen. Die Forscher schlagen vor, dass die Technologie zum Schutz vor betrügerischen Nachahmungen oder zur Verbesserung der Biokompatibilität von chirurgischen Implantaten, die bspw. in der Zahnmedizin Verwendung finden, eingesetzt werden könnten.

Das fortlaufende Projekt LASER4FUN (EUROPEAN ESRs NETWORK ON SHORT PULSED LASER MICRO/NANOSTRUCTURING OF SURFACES) zielt laut CORDIS darauf ab, „Oberflächen zu strukturieren, die Eigenschaften für die industrielle Anwendung aufweisen“. Es ist auf die „Interaktion von Laserenergie mit verschiedenen Materialien (Metalle, Halbleiter, Polymere, Glas und fortgeschrittene Materialien) sowie auf neue Oberflächenfunktionalitäten wie Tribologie, Ästhetik und Benetzbarkeit“ fokussiert. Ein weiteres Ziel des Projekts ist die Schaffung eines internationalen Ausbildungsnetzes für Nachwuchsforscher im Bereich der Metallbearbeitung.

Weitere Informationen:
LASER4FUN-Projektwebsite

Quelle: Gestützt auf Projektinformationen und Medienberichte

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