Selbstreinigende Aluminium-Oberfläche

Aluminium und Aluminiumlegierungen
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Wissenschaftler aus Dresden haben eine selbstreinigende Oberfläche entwickelt, die nicht nur wasser- und eisenabweisend ist, sondern entfernt auch Schmutzpartikel mittels Tropfen. Sie wird mit einem lasergestützten Fertigungsverfahren hergestellt.

Ein Projektteam der Technischen Universität Dresden und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS strukturierte eine Aluminiumplatte mit einem Laserverfahren so, dass Wassertropfen über die Oberfläche rollen können und dadurch Schmutzpartikel entfernt werden – ganz ohne chemische Reinigungsmittel oder zusätzliche Kräfte. Den wissenschaftlichen Beweis für den selbstreinigenden Effekt veröffentlichten sie im Journal „Applied Surface Science“.

Seit mehreren Jahren entwickeln Wissenschaftler der TU Dresden und des Fraunhofer IWS funktionalisierte 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. Dabei fokussierten sie sich besonders auf den Werkstoff Aluminium. „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.

Die Funktion des selbstreinigenden laserstrukturierten Aluminiums nahmen die Dresdner Wissenschaftler besonders unter die Lupe. Zur Analyse des Selbstreinigungseffekts der Aluminiumoberflächen kam eine spezielle Kamera zum Einsatz, die den Prozess mit 12.500 Bildern pro Sekunde filmte. Thomas Kuntze, Wissenschaftler im Technologiefeld Mikrotechnik am Fraunhofer IWS, verdeutlicht: „Auf diese Weise können wir perfekt sehen, wie der Wassertropfen den Schmutz von der Aluminiumoberfläche entfernen kann. Diese Methode eignet sich auch zum Verständnis anderer Verfahren, wie Laserschneiden und -schweißen oder Additive Manufacturing.“

Das Verfahren wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWS entwickelt. Gemeinsam mit dem Dresdner Institut betreibt die Professur für laserbasierte Methoden der großflächigen Oberflächenstrukturierung an der TU Dresden das Zentrum „CAMP – Center for Advanced Micro Photonics“. Prof. Lasagni sagt dazu: „Wir arbeiten aktuell an mehreren spannenden Projekten, mit dem Ziel, großflächig filigrane Strukturen auf Metallen, Keramiken oder Polymeren in kürzester Zeit zu erzeugen“. Darin entwickeln die Wissenschaftler kontinuierlich eine Technologie namens „Direct Laser Interference Patterning“ weiter, die außergewöhnliche Eigenschaften im Vergleich zu klassischen laserbasierten Verfahren bietet. Beispiele für solche Entwicklungen finden sich in den von der Europäischen Union geförderten Projekten „LAMPAS“ und „SHARK“, in denen Laserquellen und intelligente Strukturierungsverfahren die Funktionalisierung von Oberflächen auf verschiedenen Anwendungsgebieten, wie z. B. der Automobil-, Lebensmittel- und Haushaltsgeräteindustrie, lukrativ machen sollen.

Hintergrund
Die Arbeit „Herstellung von großflächigen, zwei- und dreistufigen multi-skaligen Strukturen mit multifunktionalen Oberflächeneigenschaften mittels Laserbasierten Methoden“ wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen eines Reinhart Koselleck-Projektes gefördert (Fördernummer: 323477257). Geleitet wird das Projekt von Prof. Andrés Lasagni, Inhaber der Professur für Laserbasierte Methoden der großflächigen Oberflächenstrukturierung (LMO). Der vollständige Artikel kann in der Zeitschrift Applied Surface Science nachgelesen werden. Dr. Marcos Soldera unterstützte die Forschung. Er folgte dem Ruf der Alexander von Humboldt-Stiftung aus Argentinien nach Deutschland, um angewandte Forschung zu betreiben.

Weiterführende Informationen
Video bei Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=M8YCISLZYoo
Publikation: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433220312757