Lotuseffekte lasern
In Oberflächen lassen sich jetzt im Handumdrehen Nano- und Mikrostrukturen
per Laser einarbeiten. Die Technologie wird von der jungen Dresdner Firma
Fusion Bionic entwickelt und vertrieben – einer Ausgründung aus dem
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. Bei der
Laserstrukturierung sind der Fantasie keine Grenzen gesetzt. Ihr Vorteil:
Sie ist schnell und deutlich vielseitiger als Beschichtungen.
Oberflächen von Produkten lassen sich durch viele verschiedene Effekte
veredeln. Beim Lotuseffekt zum Beispiel sorgt eine Mikrostruktur dafür,
dass Schmutz nicht anhaftet, sondern beim nächsten Regen einfach
abgewaschen wird. Die feinen Rippeln der Haifischhaut wiederum verbessern
die Strömung an der Außenseite von Flugzeugen und Schiffen, was Treibstoff
spart. Bislang werden viele solcher naturinspirierter Effekte erzeugt,
indem man die Oberfläche beschichtet oder mit Folien beklebt, in die
Mikrostrukturen eingeprägt sind. Doch Beschichtungen und Folien können
sich abnutzen, sodass der gewünschte Effekt mit der Zeit nachlässt.
Forscher am Fraunhofer IWS und an der Technischen Universität Dresden
haben in den vergangenen Jahren eine alternative Methode zur Marktreife
gebracht, mit der man Oberflächen dauerhaft mit Nano- und Mikrostrukturen
versehen kann: die Direkte Laserinterferenz-Strukturierun
Interference Patterning, DLIP). Bei diesem Verfahren wird die Nano- oder
Mikrostruktur per Laser direkt in die Oberfläche eingeschrieben, um
biomimetische Effekte zu erzeugen. Bemerkenswert ist die hohe
Geschwindigkeit des Verfahrens, das aktuell pro Minute eine Fläche von bis
zu einem Quadratmeter bearbeiten kann. Die neue Technologie ist so
vielversprechend, dass in diesem Jahr die Firma Fusion Bionic aus dem
Fraunhofer IWS ausgegründet wurde. Fusion Bionic entwickelt und vertreibt
DLIP-Systemlösungen für die biomimetische Oberflächenveredelung, führt im
Auftrag von Kunden aber auch selbst Oberflächenfunktionalisierunge
Schnell genug für große Flächen
»Im Vergleich zum Beschichten oder Bekleben galt der Laser lange Zeit als
viel zu langsam, um große Oberflächen zu veredeln«, sagt Fusion-Bionic-
Geschäftsführer Dr. Tim Kunze, der das Unternehmen zusammen mit drei
Partnern gegründet hat. »Mit dem DLIP-Verfahren aber haben wir den Schritt
zur schnellen Bearbeitung großer Flächen geschafft.« Klassischerweise
stellt man sich einen Laserstrahl als einen einzelnen feinen Strahl vor.
Wollte man damit wie mit einer Nadel ein Muster in eine Oberfläche
einarbeiten, verlöre man viel zu viel Zeit. Das DLIP-Verfahren
funktioniert anders. Dabei wird zunächst ein Laserstrahl in mehrere
Strahlenbündel aufgeteilt. Um ein Muster in die Oberfläche einzubringen,
werden die vielen Laserstrahlen kontrolliert überlagert, sodass ein
sogenanntes Interferenzmuster entsteht. Dieses Muster lässt sich dabei auf
einer größeren Fläche verteilen, was eine großflächige und schnelle
Bearbeitung möglich macht.
Das Prinzip der Interferenz ist schnell erklärt: Licht breitet sich
wellenförmig aus. Überlagert man zwei Lichtstrahlen, können sich ihre
Wellentäler und Wellenberge gegenseitig auslöschen oder verstärken. Dort,
wo Licht auf die Oberfläche trifft, wird durch die Laserenergie Material
abgetragen beziehungsweise verändert. Die dunklen Bereiche bleiben
unberührt. »Wir können damit nahezu alle erdenklichen Strukturen
herstellen«, sagt Tim Kunze. »Lotuseffekt, Haifischhaut, Mottenauge und
vieles mehr.«
Noch zu seiner Zeit am Fraunhofer IWS entwickelte sein Team in enger
Zusammenarbeit mit Prof. Andrés Lasagni von der Technischen Universität
Dresden mit Airbus eine Mikrostruktur, die während des Flugs verhindert,
dass sich Eis auf den Tragflächen anlagert. Bei herkömmlichen Jets wird
das verhindert, indem warme Abluft aus den Triebwerken in die Tragflächen
geleitet wird. Damit geht den Triebwerken allerdings Energie verloren. Das
Projekt hat ergeben, dass sich der Energiebedarf eines Eisschutzsystems um
80 Prozent verringert, wenn die Tragfläche zusätzlich über eine DLIP-
Mikrostruktur verfügt. »Vor allem auch für künftige elektrisch betriebene
Flugzeuge wäre das eine Lösung, weil bei diesen keine Abwärme aus den
Triebwerken zur Verfügung steht«, sagt Tim Kunze. In anderen Projekten
wurden Implantate wie etwa Hüftgelenkprothesen und Zahnimplantate
bearbeitet, sodass ihre Oberflächen besonders biokompatibel sind oder
antibakteriell wirken.
Förderung durch Fraunhofer-AHEAD-Programm
Den Anstoß zur DLIP-Entwicklung gab vor gut zehn Jahren der Laserexperte
Prof. Andrés Fabián Lasagni, als er von der Universität Saarbrücken ans
Fraunhofer IWS wechselte und die Technik in den Fokus nahm. DLIP war
damals ein eher akademisches Grundlagenthema. Lasagni, der heute die
Professur für die Laserstrukturierung großer Oberflächen an der TU Dresden
inne hat, war aber klar, dass darin ein großes Potenzial steckte. Er baute
am Fraunhofer IWS ein leistungsstarkes Team auf, das unter seinem
Nachfolger Tim Kunze ab 2017 weiter anwuchs. Aufbauend auf Lasagnis
wegweisenden Vorarbeiten entwickelten beide zusammen industrietaugliche
DLIP-Optiken, die mittlerweile weltweit bei zahlreichen Pilotkunden
installiert wurden. Ab 2020 wurde deutlich, dass die Kommerzialisierung
der DLIP-Technologie auf eine neue Stufe gehoben werden muss. »Unsere
Lösungen bieten einen völlig neuen Freiheitsgrad bei der
Oberflächengestaltung mit einer noch nie dagewesenen Geschwindigkeit, was
neuartige Produkte und Prozesse ermöglicht«, erläutert Tim Kunze.
Durch Förderung im Rahmen des AHEAD-Programms, mit dem die Fraunhofer-
Gesellschaft Spin-offs ermöglicht, wurde jetzt Fusion Bionic gegründet.
»Es gibt einen großen Bedarf für die Funktionalisierung von Oberflächen«,
resümiert Lasagni. »Jede Branche hat da ihre eigenen Herausforderungen,
sei es die Haftung von Eiscreme an Behälterwänden oder die Verringerung
von Reibung. Insofern wird uns die Arbeit so schnell nicht ausgehen.«
Um die Entwicklung von innovativen Oberflächen zu beschleunigen, arbeitet
Fusion Bionic mit Unterstützung seines Investors Avantgarde Labs Ventures
an einer Vorhersageplattform auf der Grundlage Künstlicher Intelligenz.
Mit dieser sollen fortschrittliche Laserfunktionalitäten realisiert
werden. Parallel wird am Fraunhofer IWS eine »AI Test Bench« aufgebaut,
ein Multisensor-Teststand zur Laserbearbeitung, auf dem sich mithilfe von
Künstlicher Intelligenz die optimale Oberflächenstruktur für jedes Problem
schnell vorhersagen und erzeugen lässt.
Zu den Gründungsmitgliedern von Fusion Bionic gehören Dr. Sabri Alamri,
Laura Kunze, Dr. Tim Kunze und Benjamin Krupop.
