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Weniger Reibungsverlust und Materialienverschleiß durch neue Lasertechnologie

Eine Lasertechnologie, mit der sich die Oberflächen von Materialien präzise bearbeiten lassen, haben nun Materialforscher der Universität des Saarlandes und des Material Engineering Center Saarland (MECS) entwickelt. Laserstrahlen erzeugen bei dieser Technologie dreidimensionale Muster. Zudem verändern sie die innere Struktur der Materialien an der Oberfläche nur in einer hauchdünnen Schicht. Dadurch werden Materialienoberflächen reibungsarm und weniger anfällig für Verschleiß. Auch wurden die Forscher für ihre Entwicklung belohnt. Denn die Wissenschaftler erhielten nun den europaweit ausgeschriebenen Forschungspreis "Honda Initiation Grant", der mit 30.000 Euro dotiert ist.

"Durch Reibung geht vor allem Energie verloren. Bei einem Dieselmotor werden beispielsweise nur maximal 30 Prozent des Kraftstoffes direkt in Antriebsenergie umgesetzt", erklärt Frank Mücklich (links im Bild). Mücklich ist Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und Direktor des Material Engineering Center Saarland. Durch Reibung würden Materialien zudem stärker beansprucht und alterten schneller. "Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem man direkt die Oberfläche der Materialien bearbeiten kann und ihre Struktur so verändert, dass sie widerstandsfähiger wird und weniger Reibungsfläche bietet", erläutert Mücklich.

Bei der so genannten Laserinterferenz-Technologie werden mehrere gebündelte Laserstrahlen auf das Material gerichtet. Dabei überlagern sich die Laserstrahlen wie Wellen, die entstehen, wenn man Steine ins Wasser wirft (Interferenz). Auf einen Schlag lassen sich dadurch auf der Fläche eines Quadratzentimeters äußerst präzise Muster in der Größenordnung von wenigen Nanometern erzeugen. "Die Hitze trifft ganz punktuell auf die Oberfläche. Wir können auf einem Zehntel Haaresbreite zum Beispiel Wolfram mit fast 4000 Grad Celsius schmelzen. Direkt daneben, also etwa fünf Tausendstel Millimeter weiter, bleibt das Material praktisch unverändert", verdeutlicht Carsten Gachot (rechts im Bild), wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut von Professor Mücklich und der Leiter der Lasergruppe. Durch die extreme Hitze des Laserstrahls wird die Oberfläche in ihrer Topographie verändert, es entstehen winzig kleine Vertiefungen und Erhebungen. "Die Laserstrahlen kann man aber auch dazu benutzen, um die innere Struktur des Materials in einer nur hauchdünnen Schicht zu verändern", erläutert Gachot das neue Verfahren.

Die mit den Laserstrahlen erzeugten Muster verleihen den Materialoberflächen ganz bestimmte Eigenschaften. Diese können beispielsweise so modelliert werden, dass sie sich im Flüssigkeitsstrom als besonders reibungsarm erweisen. Die Technologie lässt sich außerdem dafür verwenden, um winzige Ausbuchtungen für Schmieröl-Vorräte auf den Oberflächen zu erzeugen. "Das spielt zum Beispiel bei den Lagern von Windkraftanlagen eine wichtige Rolle, die auf offener See nur sehr aufwändig gewartet werden können. Mithilfe der Laserinterferenz-Technologie wollen wir die Oberflächen der Windrad-Wellen so behandeln, dass auch auf lange Sicht eine niedrige Reibung und gleichmäßige Schmierung garantiert sind", erläutert Mücklich. Im Vergleich zu anderen Verfahren sei die Lasertechnologie für Unternehmen sehr effektiv, da sie die Produktion beschleunige und keine weiteren Zusatzstoffe benötige. Wenngleich die Anschaffung einmalig kostenintensiv sei, würde sie sich meist schon nach kurzer Zeit rechnen.
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