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Laser malt Lotuseffekt auf Flugzeuge

Wissenschaftler Alfredo Aguilar vom IWS bedient das weltweit größte 3D-DLIP-System an der TU Dresden. Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

Wissenschaftler Alfredo Aguilar vom IWS bedient das weltweit größte 3D-DLIP-System an der TU Dresden. Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

Fraunhofer und TU Dresden wollen Flugverspätungen durch vereiste Tragflächen mindern

Dresden, 9. August 2018. Filigrane Gravuren auf Außenflächen von Flugzeugen sollen sicherstellen, dass sich dort kein Eis und kein Dreck festsetzen können. Dies soll den Luftwiderstand des Flugzeugs gering halten und letztlich auch dafür sorgen, dass weniger Flieger wegen vereister Tragflächen verspätet starten können. Dafür haben Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, an der Technischen Universität Dresden und bei Airbus ein Laserverfahren entwickelt, das schnell solche strukturierte Oberflächen erzeugt.

Verschmutzungen auf Flugzeugoberflächen vermeiden

„Mit unserem Verfahren wollen wir jede Form der Verunreinigung von Flugzeugoberflächen vermeiden“, sagte Dr. Tim Kunze, der die Gruppe Oberflächenfunktionalisierung am IWS leitet. „Es wäre aber auch schon ein Erfolg, wenn wir es wenigstens hemmen können.“

Laseroptik projiziert Licht-Schatten-Muster aufs Titanblech

Um zu verstehen, was sich die Fraunhofer-Ingenieure zum Wasser- und Schmutzabweisen ausgedacht haben, ist die Erinnerung an den Physikunterricht hilfreich: Ein Lichtstrahl, der einen Doppelspalt passiert, bildet ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Linien – ein sogenanntes „Interferenzmuster“. Solch ein Licht-Schatten-Muster erzeugen die neuen DLIP-Optikmodule aus Dresden. „DLIP“ steht dabei für „Direct Laser Interference Patterning“ und bedeutet übersetzt so viel wie „direkte Interferenzmuster-Erzeugung durch Laser“. Spezielle Optiken teilen einen Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen auf, die sie dann wieder überlagern. Mit diesem Trick lassen sich sehr präzise und kontrollierbare Lichtmuster erzeugen.

Laser schmilzt Berg-Tal-Landschaft ins Metall

Wird das Interferenzmuster auf ein Titanblech fokussiert, schmilzt das hochenergetische Laserlicht das Metall in den hellen Bereichen ab, während es das Material in den dunklen unbeeinflusst lässt. Dadurch erzeugen die Wissenschaftler auf der Titan-Oberfläche winzig kleine Strukturen, die – unterm Mikroskop betrachtet – zum Beispiel Säulenhallen oder Wellblech-Dächern ähneln. Die Abstände zwischen den Säulen lassen sich frei zwischen 150 Nanometer (Millionstel Millimeter) und 30 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) einstellen. Das Ziel: Durch die Nano- und Mikrostrukturen auf dem Metall können sich Wassertropfen nicht mehr auf der Oberfläche breitmachen und anheften. Weil sie nicht genug Kontakt auf der Oberfläche finden, rollen oder rutschen sie ab. Dieser Effekt ist der Natur entlehnt und ist seit vielen Jahren als „Lotus-Effekt“ bekannt.

Bisherige Lotus-Schichten altern schnell

Solche „superhydrophoben“ (also wasserabweisenden) Oberflächen wurden auch schon mittels anderer Technologien erzeugt. Die meisten Lotus-ähnlichen Effekte auf Blechen, Brillen oder Bad-Armaturen werden heute noch durch spezielle Beschichtungen erzeugt. Als Hauptvorteil der Beschichtungsmethode galt bisher, dass sich effizient große Flächen damit behandeln ließen. Die Beschichtungen altern jedoch mit der Zeit, können leicht beschädigt werden und entsprechen teilweise nicht den neuen EU-Umweltvorschriften. Die mit der DLIP-Methode hergestellten Strukturen können jedoch durchaus über Jahre hinweg Bestand haben und werfen laut Angaben der Fraunhofer-Ingenieure keine Umweltprobleme auf.

Andrés Lasagni (rechts) und Prof. Frank Mücklich (links) haben eine neue Methode gefunden, um mit Lasern sehr schnell Mikrostrukturen zu erzeugen.

Andrés Lasagni (rechts) und Prof. Frank Mücklich (links) haben eine neue Methode gefunden, um mit Lasern sehr schnell Mikrostrukturen zu erzeugen. Foto: Klingseisen, Berthold-Leibinger-Stiftung

1 qm pro Sekunde: Weltrekord im „Laserzeichnen“

Lotuseffekt-Nanostrukturen ließen sich zwar auch schon in der Vergangenheit mit der Lasertechnologie erzeugen, aber nur sehr langsam: Der Laserstrahl musste wie ein Bleistift jede Nut oder jede Säule nacheinander „zeichnen“. Für eine große Tragfläche zum Beispiel hätte das viel zu lange gedauert. Dank der Interferenz-Technologie konnten die Entwickler von Fraunhofer und TU Dresden das Bearbeitungstempo deutlich steigern: Je nachdem, ob Titan, Polymere oder andere Werkstoffe zu strukturieren sind, kommen die DLIP-Optiken auf fast einen Quadratmeter pro Minute. „Das ist ein Weltrekord“, betont Prof. Andrés Lasagni, der bis 2017 den Grundstein der Arbeitsgruppe am Fraunhofer IWS legte und nun Inhaber der Professur für Laserbasierte Methoden der großflächigen Oberflächenstrukturierung an der TU Dresden ist. „Zusammen mit unserem IWS-Kollegen haben wir das weltweit größte DLIP-System entwickelt, das heute an der TU Dresden aufgebaut ist. Das von der Exzellenzinitiative der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) geförderte System ermöglicht das Behandeln großer Flächen mit einem hohen Durchsatz. Darüber hinaus lassen sich die DLIP-Laserköpfe in handelsübliche Industriemaschinen integrieren, sodass heute auch mittelständische Unternehmen auf diese Technologie zugreifen können.“

Flugversuche mit den Dresdner Lotus-Effekt-Beschichtungen

All dies empfiehlt die neue Technologie für den Einsatz in der Luftfahrt-Industrie. Airbus-Ingenieure testen daher nun auf diese Weise nanostrukturierte Tragflächen auf einem Flugzeug in der Praxis. „Wir haben dafür eine Titan-Testfläche mit unserer Säulenstruktur versehen“, berichtet Tim Kunze. Nun muss die von DLIP hergestellte Beschichtung ihr Potenzial in der Praxis unter Beweis stellen.

Laserstruktur-Siegel machen Fälschern das Leben schwer

Derweil loten die Ingenieure weitere Anwendungen für ihre Lotus-Nanostrukturen aus. Denn die können nicht nur wasserabweisende Oberflächen erzeugen, sondern auch dafür sorgen, dass Wasser oder andere Flüssigkeiten ausgewählte Areale benetzen und so „hydrophil“ (wasseraufnehmend) oder „lyophil“ (lösungsmittel-aufnehmend) werden. Auch schwer kopierbare Sicherheitssiegel lassen sich erzeugen. So können mit dieser Technologie beispielsweise fälschungssicherer Nummernschilder erzeugt oder Zahnimplantate so präpariert werden, dass sie sich besser mit dem menschlichen Körper vertragen. „Richtig strukturierte Implantatschrauben könnten vom Körper besser akzeptiert werden“, hofft Prof. Lasagni. „Und das würde weniger Komplikationen für den Patienten bedeuten.“

Autor: Heiko Weckbrodt