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Laserverfahren für strukturierte Oberflächen Genopptes Aluminium punktet mit Selbstreinigungskraft

Autor / Redakteur: Kim-Astrid Magister*, Markus Forytta** / Christian Lüttmann

Laser können hochpräzise Strukturen erschaffen. So haben Forscher aus Dresden mithilfe von Lasertechnologie mikroskopisch kleine Noppen auf Aluminiumoberflächen erzeugt und dem Material so Selbstreinigungskraft verliehen: Wasser perlt einfach ab und reißt Schmutzpartikel mit sich. In extremer Zeitlupenaufnahme verfolgten die Forscher diesen Effekt.

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Visualisierung einer mikrostrukturierten Aluminiumoberfläche mit Schmutzpartikeln und Wassertropfen
Visualisierung einer mikrostrukturierten Aluminiumoberfläche mit Schmutzpartikeln und Wassertropfen
(Bild: Fraunhofer IWS)

Dresden – Oberflächen, an denen Wasser und Schmutz einfach abperlt, sind mit der Entdeckung des Lotuseffekts eine verbreitete technische Anwendung geworden. Oftmals werden Materialien dazu beschichtet, sodass deren Oberfläche eine kluftige Mikrostruktur erhält, auf der Wassertropfen keinen Halt finden. Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) haben nun ein neues Verfahren für einen Selbstreinigungseffekt entwickelt, wobei sie sich speziell auf den Werkstoff Aluminium fokussiert haben. „Dieser kommt in vielen Industriezweigen zum Einsatz – sei es in der Automobilbranche, im Flugzeugbau oder in der Lebensmittelindustrie. Besonders bei Letzterem ist die Verwendung von aggressiven Reinigungschemikalien kritisch, da wir diese natürlich nicht mit unserer Nahrung in Verbindung bringen wollen“, sagt Stephan Milles, Doktorand an der TU Dresden.

Reinigungseffekt in Zeitlupenaufnahme

Mithilfe von Laserstrahlen strukturierten Forscher eine Aluminiumoberfläche mit mikroskopisch kleinen Noppen.
Mithilfe von Laserstrahlen strukturierten Forscher eine Aluminiumoberfläche mit mikroskopisch kleinen Noppen.
(Bild: TU Dresden)

Schon seit mehreren Jahren funktionalisieren die Forscher Oberflächen mit lasergestützten Fertigungsverfahren. Nun haben sie eine periodische Oberflächenstruktur entwickelt, die nicht nur wasser- und eisabweisend ist, sondern auch Schmutzpartikel ausschließlich durch herunterrollende Tropfen entfernt.

Mithilfe eines Laserstrahls verwandeln die Wissenschaftler die Oberfläche des Aluminiums in eine mikroskopisch fein zerklüftete Landschaft (s. Bild). Dank der regelmäßigen „Noppen“ von wenigen Mikrometern Durchmesser rollen Wassertropfen wie kleine Murmeln über die Oberfläche hinweg.

Die Funktion des selbstreinigenden laserstrukturierten Aluminiums untersuchten die Dresdner Wissenschaftler mithilfe Zeitlupenaufnahmen. Eine solche Aufnahme zeigt das folgende Video:

Zur Analyse des Selbstreinigungseffekts der Aluminiumoberflächen kam eine spezielle Kamera zum Einsatz, die den Prozess mit 12.500 Bildern pro Sekunde filmte. „Auf diese Weise können wir perfekt sehen, wie der Wassertropfen den Schmutz von der Aluminiumoberfläche entfernen kann“, sagt Thomas Kuntze vom Fraunhofer IWS. „Diese Methode eignet sich auch zum Verständnis anderer Verfahren, wie Laserschneiden und -schweißen oder Additive Manufacturing.“

Originalpublikation: Stephan Milles, Marcos Soldera, ThomasKuntze, Andrés Fabián Lasagni: Characterization of self-cleaning properties on superhydrophobic aluminum surfaces fabricated by direct laser writing and direct laser interference patterning, Applied Surface Science, Volume 525, 30 September 2020, 146518; DOI: 10.1016/j.apsusc.2020.146518

* K.-A. Magister, Technische Universität Dresden, 01069 Dresden

* *M. Forytta, Fraunhofer IWS, 01277 Dresden

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