FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN DURCH ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG. U. Klug, E. Fadeeva, J. Koch, B.N. Chichkov, O. Suttmann, L.

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1 FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN DURCH ULTRAKURZPULSLASERBEARBEITUNG U. Klug, E. Fadeeva, J. Koch, B.N. Chichkov, O. Suttmann, L. Overmeyer Laser Zentrum Hannover, Germany

2 MOTIVATION WARUM ULTRAKURZPULSLASER? Überragende Bearbeitungsergebnisse Geringe thermische Eindringtiefe Ultrakurzpulslaser kritische Pulsdauer τ c Nicht-Lineare Absorption Wärmeeindringtiefe in Gold Bearbeitung nahezu aller Materialien Wellershoff, Dissertation, Freie Universität Berlin,

3 MOTIVATION WARUM FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN? Elektrische Leitfähigkeit Haptik Reibung Elektrostatische Aufladung Absorption Oberfläche Verschleißfestigkeit Benetzbarkeit Adsorption Chemische Beständigkeit 3

4 ABTRAGS-MECHANISMEN Deterministisch Stochastisch Geometrie reproduzierbar durch Strahlform bestimmt Geometrie nicht reproduzierbar durch Fluenz und Pulsanzahl beeinflusst Reibung Riblets Benetzbarkeit Steuerung Zellwachstum 4

5 FALLBEISPIEL VERRINGERUNG LUFTREIBUNG - MOTIVATION Breiter Einsatz von Turbomaschinen Energiegewinnung Luftfahrtverkehr Effizienz der Turbinenkomponenten sind auf mikroskopischer Ebene strömungstechnisch nicht ausgeschöpft Aerodynamische Verbesserung durch bionische Mikrostrukturen Verringerung der Luftreibung Verringerung des Schadstoffausstoßes Verringerung der Wartung CC BY-SA3.0 stahlkocher@wikipedia CC BY-SA 3.0 Siemens 5

6 NUTZUNG BIONISCHER OBERFLÄCHENSTRUKTUREN - RIBLETS Dean B, and Bhushan B Phil. Trans. R. Soc. A 2010;368:

7 HERAUSFORDERUNGEN FÜR RIBLETS AUF TURBOMASCHINENKOMPONENTEN 60 µm Spitzenradien <5 µm erforderlich Hohe Festigkeit erforderlich (insbesondere bei rotierenden Teilen) Hohe Temperaturbeständigkeit Hohe Verschleißfestigkeit Maximale Verlustreduzierung erfordert eine lokale, präzise Anpassung der Ribletbreite 0 µm Optimale Riblet-Weite entlang einer Verdichterlaufschaufel 7

8 DEMONSTRATION AN EINEM GASTURBINENVERDICHTER Verdichterschaufel NACA Profil 6510 (Katalogprofil) Fläche: 120 x 90 mm² Bearbeitungsanlage ps-laser (12ps, 50 khz, 5 W) Mehrachs-Portalsystem Galvanometerscanner NACA 6510 Beam Expander Galvanometric Scanner f-theta Lens 8

9 Abtragsrate [nm/puls] PROZESSENTWICKLUNG Struktur I: Pulsenergie: 20 µj Fluenz: 1,2 J/cm X20Cr13 Struktur II: Pulsenergie: 50 µj Fluenz: 3,0 J/cm 2 60 => <3 cm 2 /h 50 => <5 cm 2 /h Fluenz je Puls [mj/cm²] 9

10 REALISIERTE RIBLETGEOMETRIEN Riblet-Abstand (Flächenleistung) 20 µm (2,5 cm 2 /h) 40 µm (1,5 cm 2 /h) Simultane Variation von: Laserleistung (Fluenz) Brennweite der Fokussieroptik Fokusdurchmesser Anzahl der Wiederholungen 62 µm (2 cm 2 /h) Größenbereich im Anwendungsfall 10µm 200µm 86 µm (3,1 cm 2 /h) Demonstrierte Verlustminderung im Verdichter: 5% 115 µm (3 cm 2 /h) 10

11 ZWISCHENFAZIT Prozessbewertung Erfüllt Geometrieanforderungen (Spitzenradius < 4 µm) Leistungsfähigkeit der Strahlquelle kann nicht voll ausgenutzt werden Langsam und kostenintensiv Prozessskalierung notwendig 11

12 Vorschub PARALLELISIERUNG MITTELS STRAHLTEILER DOES Rotierendes Strahlteiler DOE Rotation ändert Spotabstand Scanner, Achse und DOE werden synchron bewegt Parallele Bearbeitung Einsatz DOE Multi Spot + Fokussierung Ziel Prozessbeschleunigung Anpassung der Ribletgeometrie Keine Unterbrechungen φ d0 dφ 12

13 ERGEBNISSE DER DOE-PARALLELISIERUNG I Gute Abtragsresultate Identisch zum Einzelstrahlabtrag Fließende Parameterübergänge Vermeidung von Brüchen Erzeugung von Bifurkationen 33 µm Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit N-fach, abhängig von Overheads Bearbeitungsergebnisse verbessert Fließende Riblet-Übergänge 250 µm 38 µm 13

14 FALLBEISPIEL STEUERUNG ZELLWACHSTUM - MOTIVATION Zunehmender Einsatz von Implantaten Wachstum bestimmter Zelltypen unerwünscht (z. B. Elektrode von Cochlea-Implantaten) Chemische Modifikation der Oberfläche steuert Zellwachstum Nicht alle Materialien ätzbar Korrelation von Kontaktwinkel und Zellwachstum Chemische Modifikation der Oberfläche Kontrolle der Kontaktfläche Biomaterial/Zelle Kontrolle des Zellverhaltens (Zelltod, Wachstum) Laserstrukturierung von hydrophen Strukturen Science, 1997, vol. 276,

15 BENETZBARKEIT UND OBERFLÄCHE Ideale Oberfläche cosθ Y = σ sf σ sl σ lf Reale Oberfläche 15

16 STOCHASTISCHE SPIKE-STRUKTUREN AUF SILIZIUM Quasiperiodisch Abmessungen viel kleiner als bestrahlte Fläche Carey, PhD thesis, 2004) Topologie bestimmt durch: Anzahl der absorbierten Laserpulse Laserfluenz Laserpolarisation Laserwellenlänge Laserpulsdauer Umgebungsbedingungen (d. h. Prozessgas/ -flüssigkeit) und deren Druck 16

17 STOCHASTISCHE SPIKE-STRUKTUREN AUF METALLEN Auf einer Vielzahl von Metallen möglich Überlagerung von Mikro- und Nano- Strukturen Hauptparameter zur Beeinflussung: Fluenz und Pulsanzahl 17

18 ZUSAMMENHANG FLUENZ UND SPIKE-DICHTE AUF SILIZIUM 0.36 J/cm² 0.72 J/cm² 1.08 J/cm² 1.44 J/cm² 1.80 J/cm² 2.16 J/cm² 2.52 J/cm² 2.88 J/cm² 3.24 J/cm² 3.60 J/cm² 18

19 SPIKE-STRUKTUREN UND BENETZBARKEIT E. Stratakis at all, Biomicrofluidics

20 FUNKTION: BENETZBARKEIT Superhydrophobe Titanoberflächen durch Ultrakurzpulslaserablation 20

21 NACHWEIS: STEUERUNG DES ZELLWACHSTUMS Fibroblasten auf unterschiedlich dimensionierten Spike-Strukturen Zu Funktionalisierende Fläche meist größer als Fokusdurchmesser 21

22 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT Riblet-Strukturen zur Verringerung der Luftreibung Deterministischer Abtrag Prozessgrenzen (Fluenz) Prozessskalierung durch Multi-Spot-DOE demonstriert Spike Strukturen zur Steuerung von Zellwachstum Stochastischer Abtrag Strukturdichte durch Fluenz bestimmt Prozessskalierung durch Fokusdurchmesser/Strahlformung Maßnahmen zur Prozessskalierung hängen vom Anwendungsfall ab 22

23 DANKSAGUNGEN Für die finanzielle Unterstützung in den einzelnen Forschungsvorhaben bedanken wir uns bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft Projekt Riblets auf Verdichterschaufeln FKZ: KL 2330/1-3 Teilprojekt D2 Nerven-Elektroden-Interaktion Teilprojekt T2 Elektrodennanostrukturierung FKZ: SFB 599 Im Namen des Institutes für Transport- und Automatisierungstechnik der Leibniz Universität Hannover bedanken wir uns bei dem Bundesministerium für Bildung und Forschung Projekt VIPlets FKZ: VIP

24 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT. Laser Zentrum Hannover, Germany