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Laser-Bionik
Lasertechnologien
Laser-Bionik
Multifunktionale Oberflächen auf Basis biologischer Vorbilder können effektive Lösungen für eine Vielzahl technischer Herausforderungen liefern. Die speziellen Wirkprinzipien werden im Wesentlichen durch eine definierte mikro- bzw. nanoskopische Struktur im Grenzflächenbereich erzielt, für deren Herstellung sich insbesondere moderne Laserverfahren eignen. Ausgewählte Beispiele für die Wirkung dieser "lasermodifizierten" Grenzflächen reichen dabei von der gezielten Einstellung des Haft- und Benetzungsverhaltens (abgeleitet vom Lotus-Effekt), über die Minderung von Reibungsverlusten in turbulenten Strömungen (Haifischhaut, Riblet-Effekt) bis hin zu optisch-visuellen Phänomenen (Regenbogen-Effekt).
Das LHM hat es sich dabei zur Aufgabe gemacht, die von der Natur inspirierten, laserfunktionalisierten Oberflächen in die Anwendung des täglichen Lebens zu überführen. Dies beginnt bereits bei der Analyse der lasergefertigten mikroskopischen Strukturen und endet mit dem verlässlichen Funktionsnachweis am laserbearbeiteten Werkstück. Um die entwickelten Laserverfahren auch industrietauglich und konkurrenzfähig als industrielles Produktionsverfahren zu etablieren, wird dafür vor allem hochmoderne Lasersystem- und Prozesstechnik eingesetzt.
Laserprozess zur Herstellung von Riblets auf einem Airfoil.
Überblick zu laser-bionischen Funktionalitäten.
Farbeindruck durch lasergenerierte Mikrostruktur.
Benetzung von laserbearbeitetem Edelstahl mit Wasser.
Von der Natur in die technische Anwendung durch Lasertechnologie.
Änderung des Benetzungsverhaltens durch Lasertexturierung
Das Benetzungsverhalten von technischen Oberflächen kann durch Lasertexturierung modifiziert werden. Ein Beispiel dafür ist die Erzeugung von hydrophoben oder hydrophilen Oberflächen. Dabei werden mittels Lasermaterialabtrag an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Mikrostrukturen auf der Materialoberfläche erzeugt. Eine Verfahrensvariation ist die Herstellung von inversen Strukturelementen im Laserprozess, die dann im Kunststoff abgeformt werden.
Kenngrößen: Benetzungswinkel bis 150°, Prozessrate bis 100 cm²/min
Werkstoffe: Metalle (u.a. Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing, Bronze) und Kunststoffe (in Abformung)
Hydrophobe Mikrostruktur in Edelstahl.
Wassertropfen auf einer hydrophoben Metalloberfläche.
Abperlender Wassertropfen auf einer laserbearbeiteten Metalloberfläche.
Antihaft-wirkende lasergenerierte Näpfchenstruktur.
Laserbasierte Fertigung von strömungsoptimierenden Riblets
Die laserbasierte Herstellung von Riblets ist ein Verfahren, bei dem durch laser-induzierten Materialabtrag verlustmindernde Mikrostrukturen (Riblets) in die Oberfläche von in der Anwendung turbulent umströmten Funktionsbauteilen eingebracht werden. Die wesentlichen Vorteile des Laserverfahrens liegen vor allem darin, dass einerseits die Riblets in hochfeste sowie hochtemperaturbeständige Materialien gefertigt werden können und andererseits deren Strukturgröße flexibel an die vorherrschenden Strömungsbedingungen adaptiert werden können.
Kenngrößen: typische Ribletperiode 70 µm - 500 μm, Prozessrate bis 3 m²/h
Werkstoffe: Metalle (u.a. Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing, Bronze)
Cw-lasergenerierte Ribletstruktur in Aluminiumlegierung.
Vermessung von mikroskopischen Ribletstrukturen mittels Lichtfeldkamera.
Prinzip zur Herstellung von Riblets mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung.
UKP-lasergenerierte Ribletstruktur.
Laserbasierte Herstellung von optisch wirksamen Oberflächen
Laser-induzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS - Laser Induced Periodical Surface Structures) bilden ein optisches Beugungsgitter. Bei der Beleuchtung der Oberfläche mit weißem Licht entsteht dadurch der Regenbogeneffekt. Die LIPSS lassen sich auf technischen Oberflächen mit der am LHM verfügbaren Hochrate-Laseranlagentechnik selektiv und in angemessen kurzer Prozesszeit homogen und großflächig aufbringen.
Kenngrößen: Prozessrate bis 3,0 m²/min, Auflösung bis 800 dpi
Werkstoffe: polierte Metalloberflächen
Laserprozess zur Herstellung von Bildern mit Regenbogeneffekt.
Regenbogeneffekt bei einer laserbearbeiteten Edelstahloberfläche.
Selbstorganisierende Gitterstruktur durch Bestrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen.
Regenbogeneffekt bei einer laserbearbeiteten Edelstahloberfläche.
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Erzeugung hydrophober Strukturen auf Edelstahl
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Hochrate Ultrakurzpuls Lasermaterialbearbeitung
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