DE102005043495A1

DE102005043495A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper durch Laserbestrahlung

Info

Publication number: DE102005043495A1
Application number: DE102005043495A
Authority: DE
Inventors: Guenter Reise; Steffen Weismantel; Andy Engel; Udo Loeschner; Dirk Rost
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-10
Filing date: 2005-09-10
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, durch Laserbestrahlung. DOLLAR A Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die mechanischen, chemischen, biologischen oder daraus kombinierte Oberflächeneigenschaften wenigstens eines Oberflächenbereiches eines Gegenstandes als Festkörper durch Einwirkung von Laserstrahlung verbessert wird. Durch die einwirkenden Laserstrahlpulse mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden entstehen Ripple-Sturkturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen. Das erfolgt durch Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen und von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich. Dadurch wird eine Modifizierung der mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächeneigenschaften auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich erreicht. DOLLAR A Der Abstand und die Tiefe der Gräben sind damit von den Betriebsbedingungen des Lasers abhängig und bei gleich bleibenden Bearbeitungsbedingungen weitestgehend konstant. Die Vertiefungen führen zu einer Oberfläche mit zahnartigen Strukturen, die vielfältigste Einsatzmöglichkeiten bieten.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, durch Laserbestrahlung.

Bearbeitungen von Oberflächen von Festkörpern als Werkzeuge oder Werkstücke erfolgt Bekannterweise mit mechanischen und/oder chemischen Verfahren. Das sind sowohl additiv als auch substraktiv arbeitende Verfahren. Letztere mechanische Verfahren sind insbesondere spanende Verfahren.

Zur Bearbeitung von Körpern können auch elektromagnetische Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, eingesetzt werden. Das Einwirken von Laserstrahlen wird in der Materialbearbeitung bekannterweise insbesondere zur Veränderung der Werkstoffeigenschaften von Körperoberflächen (Härten) oder zum Abtragen von Material von Körpern (Schneiden) verwendet. Eine Körperoberfläche kann Bekannterweise auch durch Auftragsschweißen von anderen oder gleichen Materialien verändert werden.

Der in den Patentansprüchen 1 und 14 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanischen, chemischen, biologischen oder kombinierte Oberflächeneigenschaften wenigstens eines Oberflächenbereiches eines Gegenstandes als Festkörper durch Einwirkung von Laserstrahlung zu modifizieren und damit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 14 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Verfahren und Vorrichtungen zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper durch Laserbestrahlung, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die mechanischen, chemischen, biologischen oder daraus kombinierte Oberflächeneigenschaften wenigstens eines Oberflächenbereiches eines Gegenstandes als Festkörper durch Einwirkung von Laserstrahlung verbessert wird. Durch die einwirkenden Laserstrahlpulse mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden entstehen Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen. Das erfolgt

– durch Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis einschließlich 1000 J/cm²,
– durch Einstellung von vorgegebenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten Steuerung und
– durch Einstellung von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple-Abständen (Ripple-Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmten Ripple-Morphologie.

Dadurch wird eine Modifizierung der mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächeneigenschaften auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich erreicht.

Der Abstand und die Tiefe der Gräben ist damit von den Betriebsbedingungen des Lasers abhängig und bei gleichbleibenden Bearbeitungsbedingungen weitestgehend konstant.

Die Vertiefungen führen zu einer Oberfläche mit zahnartigen Strukturen, die vielfältigste Einsatzmöglichkeiten bieten. Die mit der Bestrahlung erzeugten Geometrien der Vertiefungen sind weitestgehend gleich. Dadurch kann eine definierte Menge an fluiden Materialien gleichmäßig über die Struktur verteilt auf der Oberfläche mit der Ripple-Struktur aufgebracht und/oder mit dieser verbunden werden. Daraus resultieren die verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten hinsichtlich insbesondere bei Führungen oder Bewegungen auf oder in verschiedenen Medien. Damit ergeben sich auch bei medizinischen Anwendungen Vorteile, insbesondere dann, wenn organisches Material mit einem Festkörper als Gegenstand verbunden werden muss.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 und 15 angegeben.

Die Polarisationsrichtung des Laserstrahls kann nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 senkrecht zur Bewegungsrichtung, in Bewegungsrichtung, in einem Winkel relativ zur Bewegungsrichtung oder mit sich in Bewegungsrichtung über eine Steuerung veränderten Winkeln sein. Dadurch kann die Ripple-Struktur in bestimmten vorgegebenen Richtungen oder in verschiedenen Richtungen im Oberflächenbereich ausgerichtet werden.

Eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation im Strahlengang der Laserstrahlung und die schrittweise oder kontinuierliche Änderung der Polarisationsrichtung des Laserstrahls über die Steuerung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 führt zu einer schrittweisen oder kontinuierlichen Änderung der Ripple-Ausrichtung im bestrahlten Oberflächenbereich.

Der Laserstrahl wird über den Oberflächenbereich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 so geführt, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen einzeln oder in wenigstens einer Kombination entstehen. Dadurch können die unterschiedlichsten Ripple-Morphologien erzeugt werden.

Die Weiterbildung des Patentanspruchs 5, wobei der Laserstrahl nacheinander wenigstens zwei Mal entweder mit senkrecht zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen oder mit unter einem Winkel zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen über den Oberflächenbereich geführt wird, führt zur Erzeugung von Noppen mit den gleichen Abständen wie die Ripple-Periode.

Der Oberflächenbereich des Gegenstandes als entweder eine Schneidkante oder eine Schneidfläche eines Span abhebenden Werkzeugs wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 nach der Laserbestrahlung mit einer Bearbeitungsemulsion benetzt. Dadurch ist die Emulsionstragfähigkeit erhöht, wobei größere Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie verlängerte Lebensdauern möglich werden.

Dazu wird die Schneidfläche oder die Schneidkante des Werkzeugs wenigstens in einer ebenen Figur mindestens bereichsweise so mit Laserstrahlen beaufschlagt, dass sich die Ripple-Struk tur als sich selbstorganisierende grabenförmige Nanostrukturen ausbilden. Dadurch ergibt sich eine Oberfläche mit zahnartigen Strukturen, so dass erhöhte Spangeometrien erzielbar sind. Gleichzeitig befindet sich während des Schneidvorganges Kühlflüssigkeit in den Vertiefungen, so dass eine erhöhte Standfestigkeit zu verzeichnen ist. Die mit der Bestrahlung der Laserstrahlen erzeugten Geometrien der Vertiefungen sind weitestgehend gleich, so dass sich eine definierte Menge an Kühlflüssigkeit gleichmäßig über die Struktur verteilt auf der Oberfläche mit der Ripple-Struktur befindet. Daraus resultieren gleichbleibende Bearbeitungsbedingungen der mit der Ripple-Struktur versehenen Schneidflächen oder Schneidkanten, wobei lokal auftretende Überlastungen des Materials vermieden werden.

Der Oberflächenbereich des Gegenstandes ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 wenigstens eine Fläche eines Umform- oder Abformwerkzeugs. Dadurch kann in einfacher Weise diese Ripple-Struktur durch Umformung oder Abformung auf andere Körper übertragen werden. Damit können ökonomisch günstig auch weitere Körper in Serie mit dieser Ripple-Struktur versehen werden.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 wird der Oberflächenbereich des Gegenstandes als eine Oberfläche eines Werkzeugs nach der Laserbestrahlung entweder mit einer Bearbeitungsemulsion oder mit einer Bearbeitungspaste versehen. Die daraus resultierende Erhöhung der Pastentragfähigkeit und Pastenhaftung ermöglicht zum Beispiel eine Beschleunigung und Qualitätsverbesserung des Polierprozesses.

Der Oberflächenbereich des Gegenstandes wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 als eine Oberfläche für eine Gleitführung nach der Laserbestrahlung mit einem Ölfilm versehen. Die dadurch vorhandene erhöhte Ölfilmtragfähigkeit ermöglicht die Verringerung der Reibung und des Verschleißes bei aufeinander gleitenden Bauteilen. Dadurch erhöht sich auch die Einsatzdauer dieser Bauteile.

Der Oberflächenbereich des Gegenstandes ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 eine auf Reibung beanspruchte Oberfläche in einem flüssigen oder gasförmigen Medium. Dadurch wird der Strömungswiderstand des Gegenstandes im flüssigen oder gasförmigen Medium wesentlich verringert. Das wird insbesonders durch eine Ripple-Struktur mit über die Oberfläche gleichmäßig verteilter geometrischer Formen erreicht. Verwirbelungen an der Oberfläche werden minimiert. Das ist insbesonders bei Apparaten zur Beförderung entweder in der Luft oder auf/im Wasser vorteilhaft.

Ein weiterer Vorteil besteht in der dadurch vorhandenen Verringerung des Reibkoeffizienten bei Wälz- oder Gleitreibung, die zur Erhöhung der Einsatzdauer von Bauteilen und zur Verbesserung von Notlaufeigenschaften auch Trockenlaufeigenschaften gegen feste Reibpartner führen.

Besondere Anwendungen ergeben sich in der Mikrofluidik und Mikrohydraulik.

Der Oberflächenbereich des Gegenstandes wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 nach der Laserbestrahlung mit einem flüssigen oder pulverförmigen Farbstoff versehen, wobei durch die Ripple-Struktur die Farbstofftragfähigkeit erhöht wird. Das ist für Druck- oder Prägewerkzeuge besonders vorteilhaft. Die Druck- und Prägequalität wird verbessert, wobei auch gleichmäßigere Druckaufträge der damit erzeugten Farbschichten gegeben sind.

Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 wird der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem Kleber versehen, wobei durch die Ripple-Struktur die zu verklebende Oberfläche vergrößert wird. Die Benetzung wird wesentlich erhöht. Daraus resultiert auch eine Erhöhung der Festigkeit der Klebung.

Der Oberflächenbereich des Gegenstandes wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 nach der Laserbestrahlung mit einem organischen Stoff versehen oder verbunden. Dadurch kann das Einwachsverhalten insbesondere von Implantaten verbessert werden. Gleichzeitig ist eine verlängerte Einsatzdauer durch ein mögliches verbessertes Einwachsverhalten und Verringerung von Abstoßreaktionen gegeben.

Vorteilhafterweise kommt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 15 ein Femtosekunden-Laser mit einer gepulsten Laserstrahlung zum Einsatz.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine sich durch die einwirkende und bewegte Femtosekunden-Laserstrahlung selbstorganisierende und grabenförmige Nanostruktur (Ripple-Struktur) und
2 eine sich durch den einwirkenden und bewegten Femtosekunden-Laserstrahl selbstorganisierende und noppenförmige Nanostruktur (Ripple-Struktur), welche sich bei zweimaliger Bestrahlung der Festkörperoberfläche mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung des Laserstrahls ausbildet (Material: Wolfram-Carbid-Hartmetall).
Verfahren und Vorrichtungen zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, durch Laserbestrahlung werden nachfolgend zusammen näher erläutert.
1. Ausführungsbeispiel
Eine Vorrichtung zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen besteht im wesentlichen aus einem Femtosekunden-Laser mit einer laserstrahlauskoppelnden, laserstrahlführenden und laserstrahlfokussierenden Einrichtung und einer gesteuerten laserstrahlablenkenden oder eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Oberflächenbereich erzeugenden Einrichtung. Die steuerbaren Einrichtungen sind vorzugsweise mit einer Steuerung als Datenverarbeitungssystem in Form eines Computers zusammengeschaltet.
Der Oberflächenbereich wird dabei über die Vorrichtung mit Laserstrahlpulsen mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden, vorzugsweise Femtosekunden, so bestrahlt, dass die bei der Laserstrahleinwirkung auf Festkörperoberflächen entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen entstehen. Dazu werden

– geeignete Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis einschließlich 1000 J/cm²,
– vorgegebene Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mit dem gesteuerten optischen System zur Laserstrahlführung und
– geeignete gesteuerte Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s über die Steuerung eingestellt oder schrittweise, kontinuierlich oder nach vorgegebenen bestimmten Bedingungen verändert. Es werden Ripple-Strukturen mit Ripple-Abständen (Ripple-Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmte Ripple-Morphologie ausgebildet, wobei eine Modifizierung der mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächeneigenschaften auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich erreicht wird.

Die Polarisationsrichtung des Laserstrahls ist während der Relativbewegung konstant, ist senkrecht zur Richtung der Relativbewegung eingestellt, wird in Richtung der Relativbewegung gesteuert, ist in einem Winkel relativ zur Richtung der Relativbewegung eingestellt oder wird mit sich in Richtung der Relativbewegung über eine Steuerung vorgegeben variierten Winkeln gesteuert. Die Einrichtung zur Änderung der Polarisation wird im Strahlengang der Laserstrahlung schrittweise verändert oder kontinuierlich verändert.
Der Laserstrahl wird über den Oberflächenbereich so geführt, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen einzeln oder in wenigstens einer Kombination entstehen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Laserstrahl nacheinander wenigstens zwei Mal entweder mit senkrecht zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen oder mit unter einem Winkel zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen über den Oberflächenbereich geführt werden, so dass Erhebungen (Noppen) mit den gleichen Abständen wie die Ripple-Periode entstehen (Darstellung in der 2).
Die mit derartigen Oberflächenbereichen versehene Gegenstände können weiterhin mit

– entweder einer Bearbeitungsemulsion oder einer Bearbeitungspaste als Werkzeug zur Bearbeitung von Werkstücken oder
– einem Ölfilm als eine Oberfläche für eine Gleit- oder Wälzführung, versehen werden.

Gegenstände mit einer Oberfläche mit der Noppenstruktur können insbesonders vorteilhaft für bewegte Gegenstände in flüssigen oder gasförmigen Medien angewandt werden. Ripple-Strukturen auf farbübertragenden Walzen oder Platten führen zu einer vorteilhaften Vergrößerung der Oberfläche. Die Geometrie dieser Ripple-Strukturen können bei deren Realisierung bestimmt werden, so dass definierte Mengen von festen, vorzugsweise pulverförmigen, oder flüssigen Farbstoff aufgetragen und übertragen werden können.
Die durch die Ripple-Strukturen vergrößerten Oberflächen sind auch bei Klebverbindungen von Gegenständen als Elemente oder Bauteile besonders vorteilhaft. Aber auch bei medizinischen Anwendungen sind Vorteile vorhanden, wobei organische Stoffe verbessert angelagert oder organische Körperteile fester verbunden werden können. Das kann sowohl makroskopisch zum Beispiel bei Implantaten als auch mikroskopisch zum Beispiel zur Anlagerung einzelner Zellen oder Zellabschnitte erfolgen. Neben der Vergrößerung der Oberfläche ist damit eine erhöhte Aktivierung der Oberfläche verbunden.
2. Ausführungsbeispiel
Zur Modifizierung der Schneidfläche oder der Schneidkante von Werkzeugen zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel diese mit Laserstrahlpulsen mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden, insbesondere im Femtosekundenbereich, bestrahlt. Bei der Laserstrahleinwirkung entstehen Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen

– durch Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis einschließlich 1000 J/cm²,
– durch Einstellung von vorgegebenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten Steuerung und
– durch Einstellung von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s, wobei mit Ripple-Abständen (Ripple-Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmte Ripple-Morphologie ausgebildet werden.

Die Polarisationsrichtung des Laserstrahls ist/wird während der Relativbewegung konstant, senkrecht zur Richtung der Relativbewegung, in Richtung der Relativbewegung, in einem Winkel relativ zur Richtung der Relativbewegung oder mit sich in Richtung der Relativbewegung über eine Steuerung vorgegeben variierten Winkeln eingestellt oder gesteuert. Die Einrichtung zur Änderung der Polarisation im Strahlengang der Laserstrahlung die Polarisationsrichtung des Laserstrahls kann schrittweise veränderlich oder kontinuierlich veränderlich eingestellt sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Laserstrahl auch nacheinander wenigstens zwei Mal entweder mit senkrecht zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen oder mit unter einem Winkel zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen über den Oberflächenbereich geführt werden.
Dazu ist eine laserstrahlauskoppelnde, laserstrahlführende und laserstrahlfokussierende Einrichtung eines Femtosekunden-Lasers und eine gesteuerte laserstrahlablenkende oder eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Oberflächenbereich erzeugende Einrichtung beabstandet zur Schneidfläche oder Schneidkante angeordnet, so dass die Laserstrahlen auf die Oberfläche der Schneidfläche oder der Schneidkante gelangen können. Die Laserstrahlen des Femtosekunden-Lasers werden über die Schneidfläche oder die Schneidkante des Werkzeugs mehrfach geführt, so dass wenigstens eine ebene Figur erzeugt wird. Ebene Figuren sind Mehrecke, Kreise, Ellipsen und Spiralen auch zusammengesetzt. Dazu sind der Antrieb der laserstrahlablenkenden Einrichtung und der Femtosekunden-Laser mit der Steuerung als ein Datenverarbeitungssystem in Form eines Computers zusammengeschaltet. Damit können die Laserstrahlen zum einen mehrfach beabstandet geradlinig, kreisförmig, bogenförmig oder ellipsenförmig oder zum anderen spiralförmig über wenigstens die Schneidfläche oder die Schneidkante des Werkzeugs geführt werden.
In einer ersten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels ist die Polarisationsrichtung der Femtosekunden-Laserstrahlung winklig zur Bewegungsrichtung des Femto-Laserstrahles. Der Winkel beträgt entweder 90° oder eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation befindet sich im Strahlengang der Laserstrahlung. Im zweiten Fall können entweder andere Winkel eingestellt oder Winkel in Abhängigkeit der Bewegung der Laserstrahlen kontinuierlich oder schrittweise geändert werden. Die Einrichtung zur Änderung der Polarisation ist an die Steuereinrichtung gekoppelt.
In einer zweiten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels sind die Richtungen sowohl der Polarisation als auch der Richtung der Relativbewegung gleich.
Ergebnis ist ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken.
Zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken kann das so bearbeitete Werkzeug vorteilhafterweise mit einer Bearbeitungsemulsion benetzt werden.

Claims

Verfahren zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, durch Laserbestrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich mit Laserstrahlpulsen mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden so bestrahlt wird, dass die bei der Laserstrahleinwirkung auf Festkörperoberflächen entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen durch Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis einschlielich 100 J/cm² und durch Einstellung von vorgegebenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten Steuerung und durch Einstellung von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple-Abständen (Ripple-Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmte Ripple-Morphologie so ausgebildet werden, dass eine Modifizierung der mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächeneigenschaften auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich erreicht wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung des Laserstrahls – während der Relativbewegung konstant, – senkrecht zur Richtung der Relativbewegung, – in Richtung der Relativbewegung, – in einem Winkel relativ zur Richtung der Relativbewegung oder – mit sich in Richtung der Relativbewegung über eine Steuerung vorgegeben variierten Winkeln eingestellt ist oder gesteuert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation im Strahlengang der Laserstrahlung die Polarisationsrichtung des Laserstrahls schrittweise veränderlich oder kontinuierlich veränderlich eingestellt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl so über den Oberflächenbereich geführt wird, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen einzeln oder in wenigstens einer Kombination entstehen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl nacheinander wenigstens zwei Mal entweder mit senkrecht zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen oder mit unter einem Winkel zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen über den Oberflächenbereich geführt wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes als entweder eine Schneidkante oder eine Schneidfläche eines Span abhebenden Werkzeugs nach der Laserbestrahlung mit einer Bearbeitungsemulsion benetzt wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes wenigstens eine Fläche eines Umform- oder Abformwerkzeugs ist.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes als eine Oberfläche eines Werkzeugs nach der Laserbestrahlung entweder mit einer Bearbeitungsemulsion oder mit einer Bearbeitungspaste versehen wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes als eine Oberfläche für eine Gleit- oder Wälzführung nach der Laserbestrahlung mit einem Ölfilm versehen wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes eine auf Reibung beanspruchte Oberfläche in einem flüssigen oder gasförmigen Medium ist.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem festen, vorzugsweise pulverförmigen, oder flüssigen Farbstoff versehen wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem Kleber versehen wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem organischen Stoff versehen oder verbunden wird.
Vorrichtung zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Gegenständen als Festkörper, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, durch Laserbestrahlung nach dem Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine laserstrahlauskoppelnde, laserstrahlführende und laserstrahlfokussierende und/oder laserstrahlabbildende Einrichtung eines Lasers und eine gesteuerte laserstrahlablenkende oder eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Oberflächenbereich erzeugende Einrichtung so angeordnet sind, dass der Oberflächenbereich mit Laserstrahlpulsen mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden bestrahlt wird, so dass die bei der Laserstrahleinwirkung auf Festkörperoberflächen entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen durch Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis einschließlich 1000 J/cm² und durch Einstellung von vorgegebenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten Steuerung und durch Einstellung von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple-Abständen (Ripple-Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmte Ripple-Morphologie ausgebildet werden und der strukturierte Bereich wenigstens eine ebene Figur ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Femtosekunden-Laser ist.