DE102009060924B4 - Production Method for a Solid Lubricant Structure A solid lubricant structure produced by the production method, and uses - Google Patents

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Abstract

Herstellungsverfahren für eine Festschmierstoffstruktur, wobei auf eine Substratbasis (1) und/oder verbunden mit einer Substratbasis (1) ein mindestens eine Schicht (2a) enthaltend oder bestehend aus diamantartigen/m Kohlenstoff DLC umfassendes Schichtsystem (2) ausgebildet wird, wobei entweder nur im Schichtsystem (2) oder sowohl im Schichtsystem (2), als auch in der Substratbasis (1) eine Vielzahl einzelner Vertiefungen (3a, 3b, ...), die zusammen eine Vertiefungsstruktur (3) ausbilden, ausgebildet wird, und wobei Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff (4) gefüllt werden, wobei der Abstand d (d1, d2) benachbarter Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) und/oder die Periodizität p der Vertiefungen (3a, 3b, ...) in der Schichtebene des Schichtsystems (2) zwischen 80 nm und 500 μm beträgt/betragen, wobei die Tiefenausdehnung h der Vertiefungen (3a, 3b, ...) zwischen 5 nm und 50 μm beträgt, wobei die laterale Ausdehnung l der Vertiefungen (3a, 3b, ...) in der Schichtebene des Schichtsystems (2) zwischen 10 nm und 250 μm beträgt und/oder wobei das Aspektverhältnis A = h/l von vorstehender Tiefenausdehnung h und vorstehender lateraler Ausdehnung l 0,1 bis 10 beträgt und die Laserbestrahlung der Substratbasis (1) oder des Schichtsystems (2) erfolgt, indem mehrere kohärente Laserstrahlen (7a, 7b, ...) in einem Überlagerungsbereich (U) unter vordefiniertem/n Winkel(n) zur Interferenz gebracht werden und indem die Substratbasis (1) oder das Schichtsystem (2) an einer vordefinierten Position in diesem Überlagerungsbereich (U) positioniert wird.Production method for a solid lubricant structure, wherein on a substrate base (1) and / or connected to a substrate base (1) at least one layer (2a) comprising or consisting of diamond-like carbon DLC layer system (2) is formed, wherein either only in Layer system (2) or both in the layer system (2), as well as in the substrate base (1) a plurality of individual recesses (3a, 3b, ...), which together form a recess structure (3) is formed, and wherein recesses ( 3a, 3b, ...) of the recess structure (3) are partially filled with at least one solid lubricant (4), wherein the distance d (d1, d2) of adjacent recesses (3a, 3b, ...) of the recess structure (3) and / or the periodicity p of the depressions (3a, 3b,...) in the layer plane of the layer system (2) is between 80 nm and 500 .mu.m, the depth extent h of the depressions (3a, 3b, 5 nm and 50 microns, the la is the lateral extent l of the depressions (3a, 3b,...) in the layer plane of the layer system (2) between 10 nm and 250 .mu.m and / or where the aspect ratio A = h / l of the above depth extent h and the projecting lateral extent l.sub.0 , 1 to 10 and the laser irradiation of the substrate base (1) or the layer system (2) is performed by a plurality of coherent laser beams (7a, 7b, ...) in a superposition area (U) at a predefined angle (s) for interference and positioning the substrate base (1) or the layer system (2) at a predefined position in this overlapping area (U).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für eine Festschmierstoffstruktur eine mit dem Herstellungsverfahren hergestellte Festschmierstoffstruktur sowie Verwendungen.The present invention relates to a production method for a solid lubricant structure, a solid lubricant structure prepared by the production method, and uses.

Festschmierstoffe, die unter ungünstigen Bedingungen (z. B. im Hochvakuum oder unter Schutzgasatmosphären) eingesetzt werden können, sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt (C. Donnet, T. Le Mogne, M. Berlin and J.-M. Martin ”Solid lubricant studies in high vacuum”, Proceedings of the sixth European space mecanisms & Tribology symposium, Technopark, Zurich, Switzerland, 4th to 6th October 1995, p. 259 to 264).Solid lubricants that can be used under unfavorable conditions (eg in a high vacuum or under protective gas atmospheres) are already known from the prior art (C. Donnet, T. Le Mogne, M. Berlin and J.-M. Martin " Solid lubricant studies in high vacuum ", Proceedings of the sixth European space mecanisms & Tribology symposium, Technopark, Zurich, Switzerland, 4th to 6th October 1995, pp. 259 to 264).

Die bekannten technischen Lösungen für tribologisch beanspruchte Oberflächen unter ungünstigen Schmierbedingungen nutzen in der Regel Festschmierstoffe aus der Gruppe der Chalkogenide (z. B. MoS2, WS2, NbSe2), die in Form eines Pulvers, eines Gleitlackes oder auch in anderer gebundener Form durch manuellen Auftrag, Tauchen, Spritzen oder durch Plasmabeschichtung auf Oberflächen aufgebracht werden. Ein Vorteil solcher Lösungen ist, dass die Festschmierstoffe unter mäßiger Belastung gut an der Oberfläche haften und in inerten Gasen sowie in Vakuum sehr niedrige Reibwerte (typischerweise 0,03, teilweise auch darunter) zeigen.The known technical solutions for tribologically stressed surfaces under unfavorable lubrication conditions generally use solid lubricants from the group of chalcogenides (eg MoS 2 , WS 2 , NbSe 2 ), which are in the form of a powder, a lubricating varnish or else in other bonded form can be applied to surfaces by manual application, dipping, spraying or by plasma coating. An advantage of such solutions is that the solid lubricants adhere well to the surface under moderate load and in inert gases and in vacuum very low coefficients of friction (typically 0.03, sometimes even below) show.

Ein Nachteil dieser Lösungen ist zum einen die geringe mechanische Stabilität der relativ weichen Festschmierstoffe und damit der Materialverlust schon bei mäßiger Beanspruchung. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass insbesondere beim meistens verwendeten MoS2 unter Feuchtigkeit (d. h. schon an Normalluft) der Reibwert auf etwa 0,4 ansteigt. Zugleich wird die Lebensdauer drastisch verkürzt. Somit ist die Verwendung der bekannten technischen Lösungen unter wechselnden Umgebungsbedingungen (z. B. zwischen Vakuum und Luft) zumindest kritisch zu sehen.A disadvantage of these solutions is on the one hand the low mechanical stability of the relatively soft solid lubricants and thus the loss of material even under moderate stress. A further disadvantage is that, in particular in the case of MoS 2 which is mostly used under moisture (ie already at normal air), the coefficient of friction increases to about 0.4. At the same time, the service life is drastically shortened. Thus, the use of the known technical solutions under changing environmental conditions (eg between vacuum and air) is to be seen at least critically.

So sind in JP 2007 162045 A Möglichkeiten beschrieben, bei denen eine Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff strukturiert ist. Es kann ein Festschmierstoff in Verbindung mit der Strukturierung eingesetzt werden.So are in JP 2007 162045 A Described ways in which a layer of diamond-like carbon is structured. A solid lubricant can be used in conjunction with the structuring.

US 7,318,847 B2 betrifft ein strukturiertes Schichtsystem mit einer dreidimensionalen Mikrostruktur. Auch dabei kann u. a. diamantähnlicher Kohlenstoff eingesetzt werden. US 7,318,847 B2 relates to a structured layer system with a three-dimensional microstructure. Also diamond-like carbon can be used.

Ein Verfahren zur Herstellung von Öltaschen mit kleiner Tiefe auf mechanisch beanspruchten Oberflächen ist in JP 2003 247691 A beschrieben.A method for producing oil pockets with small depth on mechanically stressed surfaces is in JP 2003 247691 A described.

WO 03/044383 A1 betrifft ein Lager und einen Verbundaufbau mit einer mikrorauen Oberfläche. WO 03/044383 A1 relates to a bearing and a composite structure with a microrough surface.

Selbstschmierende Gleitlager sind von E. Dörre u. a. in „Selbstschmierende und wartungsfreie Gleitlager”, Ehningen bei Böblingen: Expert-Verlag, 1993, Seiten 8, 9, 223 bis 241 beschrieben.Self-lubricating slide bearings are from E. Dörre u. a. in "self-lubricating and maintenance-free plain bearings", Ehningen at Böblingen: Expert-Verlag, 1993, pages 8, 9, 223-241 described.

Der Einsatz von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten in Schichtsystemen mit verbesserten tribologischen Eigenschaften wird von J. Brand u. a. in „Die Vielfalt der Kohlenstoffschichten – ein Überblick”, Tribologie + Schmierungstechnik, 50. Jahrgang, 3/2003, Seiten 18–22 beschrieben.The use of diamond-like carbon layers in layer systems with improved tribological properties is described by J. Brand et al. a. in "The Variety of Carbon Layers - An Overview", Tribology + Lubrication Technology, 50th year, 3/2003, pages 18-22 described.

Möglichkeiten für den Einsatz von Mikrolinsenarrays zur Ausbildung von Löchern gehen aus GB 2 311 953 A hervor.Possibilities for the use of microlens arrays to form holes go out GB 2 311 953 A out.

JP H10-258 383 A betrifft ein lineares Laserstrahl-System, zur Laserinterferenzstrukturierung. JP H10-258 383 A relates to a linear laser beam system for laser interference structuring.

Ein Antriebssystem für harte Scheiben mit geringer Reibung ist aus US 5,949,612 A bekannt.A drive system for hard discs with low friction is out US 5,949,612 A known.

US 2009/0290824 A1 betrifft Wälzlager, die auch im Vakuum eingesetzt werden können. US 2009/0290824 A1 concerns rolling bearings, which can also be used in vacuum.

Wälzlager mit geringer Reibung, die in korrosiv wirkender Umgebung betrieben werden sollen, sind in WO 01/33091 A1 beschrieben.Low-friction rolling bearings intended to operate in a corrosive environment are known in WO 01/33091 A1 described.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung mit Laserpulsen großer spektraler Breite sind in DE 103 33 770 A1 offenbart.A method and an apparatus for processing with laser pulses of large spectral width are in DE 103 33 770 A1 disclosed.

Die US 2001/0031346 A1 betrifft ebenfalls Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff, die einen verbesserten Verschleißwiderstand und gute Reibeigenschaften erreichen.The US 2001/0031346 A1 also concerns layers of diamond-like carbon that achieve improved wear resistance and friction properties.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, eine Festschmierstoffstruktur (sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Struktur) zur Verfügung zu stellen, die unter beliebigen geschmierten und ungeschmierten Bedingungen einen niedrigen Reibwert und einen geringen Verschleiß sowie eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, die auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen (z. B. von Luft in Vakuum oder umgekehrt) ohne deutliche Verkürzung ihrer Lebensdauer eingesetzt werden kann, die einfach hergestellt werden kann und die unempfindlich gegenüber ionisierender Strahlung ist, thermisch stabil ist und ein stabiles Ausgasungsverhalten zeigt.The object of the present invention is, starting from the prior art, to provide a solid lubricant structure (as well as a production method for such a structure) which has a low coefficient of friction and low wear as well as sufficient mechanical stability under any lubricated and unlubricated conditions which can be used even under changing environmental conditions (eg of air in vacuum or vice versa) without significant shortening of their life, which can be easily manufactured and which is insensitive to ionizing radiation, is thermally stable and exhibits a stable outgassing behavior.

Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Anspruch 7 betrifft mit dem Verfahren hergestellte Festschmierstoffstrukturen und der Anspruch 17 gibt Verwendungen an. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Struktur und des Herstellungsverfahrens lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.This object is achieved by a manufacturing method according to claim 1. The claim 7 relates to solid lubricant structures produced by the method and the claim 17 are Uses. Advantageous embodiments of the structure and the manufacturing method can be found in the dependent claims.

Nachfolgend wird die Erfindung zunächst allgemein, dann anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Die im Rahmen der Ausführungsbeispiele in Kombination gezeigten Einzelmerkmale müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung (deren Schutzbereich durch die Ansprüche bestimmt ist) nicht genau in der in den Beispielen gezeigten Konfiguration verwirklicht werden, sondern können im Rahmen der Erfindung auch in andersartigen Kombinationen realisiert werden. Insbesondere können einzelne der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmale auch weggelassen werden.The invention will first be described in general terms, then with reference to several embodiments. In the context of the present invention (the scope of which is defined by the claims), the individual features shown in combination within the scope of the exemplary embodiments need not be realized exactly in the configuration shown in the examples, but can also be realized in other combinations within the scope of the invention. In particular, individual features of the embodiments shown may also be omitted.

Die Grundidee der Erfindung basiert darauf, eine Oberfläche (beispielsweise einer Substratbasis, die zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Festschmierstoffstruktur verwendet wird) durch Einbringen von Vertiefungen zu modifizieren. Diese Modifikation wird kombiniert mit einer Beschichtung der Oberfläche mit einem Schichtsystem, das mindestens eine Schicht, die einen diamantartigen Kohlenstoff (DLC von engl. Diamond like Carbon) enthält oder daraus besteht, umfasst. Das Schichtsystem kann dabei auch mehrere solche diamantartigen Kohlenstoff enthaltende oder daraus bestehende Einzelschichten umfassen. In die Vertiefungen wird Festschmierstoff (z. B. MoS2) eingebracht. Durch die Kombination einer Tiefenstrukturierung der Oberfläche mit der vorbeschriebenen DLC-Beschichtung und mit dem Einbringen des Festschmierstoffs in die entstandenen Vertiefungen kann ein vorteilhaftes Reib-/Gleitverhalten auch unter ungünstigen Schmierbedingungen wie z. B. im Vakuum gewährleistet werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Tiefenstrukturierung bzw. die Oberflächenmodifikation mittels eines Lasers (Laserstrukturierung).The basic idea of the invention is based on modifying a surface (for example a substrate base used to build up a solid lubricant structure according to the invention) by introducing depressions. This modification is combined with a coating of the surface with a layer system comprising at least one layer containing or consisting of diamond-like carbon (DLC). The layer system can also comprise a plurality of such diamond-like carbon-containing or consisting of individual layers. Solid lubricant (eg MoS 2 ) is introduced into the recesses. By combining a deep structuring of the surface with the above DLC coating and with the introduction of the solid lubricant in the resulting wells, an advantageous friction / sliding behavior even under unfavorable lubrication conditions such. B. be ensured in a vacuum. Advantageously, the deep structuring or the surface modification takes place by means of a laser (laser structuring).

Die vorliegende Erfindung löst die vorstehende Aufgabe somit durch eine Kombination einer laserstrukturierten, DLC-beschichteten Oberfläche mit einem Festschmierstoff, der in die Mikrovertiefungen der in die Oberfläche einstrukturierten Vertiefungsstruktur eingebracht wird.The present invention thus achieves the above object by a combination of a laser-structured, DLC-coated surface with a solid lubricant, which is introduced into the microwells of the recessed structure structured in the surface.

Wird nachfolgend im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einer (eine Vielzahl einzelner Vertiefungen aufweisenden) Vertiefungsstruktur bzw. kurz von einer Vertiefung in einem Substrat, in einem Schichtsystem und/oder in einer Schicht gesprochen, so sind darunter ganz allgemein in eine Oberfläche (des Substrats, des Schichtsystems und/oder einer Einzelschicht des Schichtsystems) eingelassene Ausbuchtungen (Hohlräume wie z. B. Gräben o. ä.) zu verstehen. Hierzu muss die betrachtete Struktur (z. B. einzelne Schicht) nicht unbedingt eine Variation in ihrer (Schicht-)Dicke aufweisen, ggf. kann eine solche Vertiefung in einer Oberfläche dieser Struktur bzw. Schicht auch dadurch realisiert sein, dass (bei gleicher Schichtdicke der Schicht) die darunter liegende Struktur (z. B. Substrat bzw. Substratbasis) eine Dickenvariation bzw. Vertiefungsstruktur aufweist. Wird so z. B. ein in seiner Dicke sinusförmig schwankendes Substrat mit einer DLC-Schicht konstanter Dicke beschichtet, so bilden die Minima des sinusförmigen Verlaufs nicht nur Vertiefungen der Substratbasis, sondern auch Vertiefungen der DLC-Schicht.If, in the context of the present invention, a depression structure (having a multiplicity of individual depressions) or, for short, a depression in a substrate, in a layer system and / or in a layer is mentioned below, then in a surface (of the substrate, the layer system and / or a single layer of the layer system) recesses (cavities such as trenches or the like) to be understood. For this purpose, the considered structure (eg individual layer) does not necessarily have a variation in its (layer) thickness, if necessary, such a depression in a surface of this structure or layer can also be realized by (for the same layer thickness the layer) the underlying structure (eg substrate or substrate base) has a thickness variation or recess structure. Is so z. For example, when a substrate sinusoidally varying in thickness is coated with a DLC layer of constant thickness, the minima of the sinusoidal waveform not only form recesses of the substrate base but also depressions of the DLC layer.

Eine erfindungsgemäße Festschmierstoffstruktur weist somit eine Substratbasis (z. B. Teil einer Werkzeugfläche) und ein angrenzend an diese und/oder verbunden mit dieser ausgebildetes Schichtsystem auf. Das Schichtsystem enthält mindestens eine (ggf. auch mehrere) Schicht(en), die aus diamantartigem Kohlenstoff besteht/en oder diesen enthält/enthalten. Im Schichtsystem (oder auch in einer oder mehrerer Einzelschichten dieses Systems) alleine oder auch sowohl im Schichtsystem (oder zumindest in einer Schicht dieses Systems) als auch in der Substratbasis ist eine Vielzahl einzelner Vertiefungen ausgebildet. Die Gesamtheit der Menge an Vertiefungen wird nachfolgend auch als Vertiefungsstruktur bezeichnet. Schließlich sind zumindest einige der Vertiefungen jeweils zumindest teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff gefüllt.A solid lubricant structure according to the invention thus has a substrate base (eg part of a tool surface) and a layer system formed adjacent to and / or connected thereto. The layer system contains at least one (possibly also several) layer (s) which consists of diamond-like carbon or contain this / contain. In the layer system (or in one or more individual layers of this system) alone or both in the layer system (or at least in one layer of this system) and in the substrate base a plurality of individual recesses is formed. The totality of the amount of depressions is also referred to below as a recess structure. Finally, at least some of the recesses are each at least partially filled with at least one solid lubricant.

Grundsätzlich ist es somit erfindungsgemäß möglich, die Vertiefungsstruktur ausschließlich im Schichtsystem (z. B. auch beidseitig begrenzt durch weitere DLC-Einzelschichten ohne Vertiefungen) auszubilden, ebenso ist es jedoch möglich, bereits in der Substratbasis Vertiefungen z. B. in Grabenform vorzusehen und die die Vertiefungen aufweisende Oberfläche der Substratbasis dann mit dem DLC-Schichtsystem mit konstanter Dicke zu beschichten (sodass sich die Vertiefungen der Substratbasis auf das DLC-Schichtsystem übertragen) und schließlich die Vertiefungen im DLC-Schichtsystem mit dem Festschmierstoff aufzufüllen. Die Vertiefungen können somit lediglich innerhalb des Schichtsystems selbst verlaufen oder auch vom Schichtsystem bis hinein in die Substratbasis.In principle, it is therefore possible according to the invention to form the depression structure exclusively in the layer system (eg also bounded on both sides by further DLC monolayers without depressions), but it is likewise possible to form depressions, for example, in the substrate base. Trenching and then coating the surface of the substrate base having the recesses with the DLC layer system of constant thickness (so that the recesses of the substrate base are transferred to the DLC layer system) and finally filling the recesses in the DLC layer system with the solid lubricant , The depressions can thus run only within the layer system itself or from the layer system to the substrate base.

Es ist somit möglich, dass Abschnitte der Vertiefungen lediglich in den einzelnen Schichten (oder in der einzigen Schicht) des Schichtsystems ausgebildet sind, nicht jedoch in der Substratbasis; ebenso ist es möglich, Vertiefungsabschnitte sowohl im Schichtsystem (oder zumindest in einzelnen Schichten desselben) als auch in der Substratbasis vorzusehen.It is thus possible that portions of the recesses are formed only in the individual layers (or in the single layer) of the layer system, but not in the substrate base; it is also possible to provide recess sections both in the layer system (or at least in individual layers thereof) and in the substrate base.

Vorteilhafterweise ist eine in einer Richtung oder in zwei (z. B. senkrecht aufeinander stehenden) Richtungen periodische Vertiefungsstruktur im Schichtsystem und/oder in der Substratbasis realisiert. Besonders vorteilhafte Abstände benachbarter einzelner Vertiefungen einer solchen Vertiefungsstruktur (der entsprechende Abstand entspricht dann der Periodizität der Vertiefungen), besonders vorteilhafte Ausdehnungen der Vertiefungen senkrecht zur Schichtebene bzw. Substratoberfläche (Tiefenausdehnung), besonders bevorzugte laterale Ausdehnungen (in der Schichtebene) der einzelnen Vertiefungen und besonders vorteilhafte Aspektverhältnisse werden nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben. Unter dem Aspektverhältnis einer Vertiefung wird dabei das Verhältnis von ihrer Tiefenausdehnung (senkrecht zur Schichtebene) und ihrer lateralen Ausdehnung (in der Schichtebene) verstanden.Advantageously, a periodic recess structure in the layer system and / or in the substrate base is realized in one direction or in two (for example, perpendicular to one another) directions. Particularly advantageous distances adjacent individual recesses of such a recess structure (the corresponding distance then corresponds to the periodicity of the recesses), particularly advantageous expansions of the recesses perpendicular to the layer plane or substrate surface (depth), particularly preferred lateral expansions (in the layer plane) of the individual wells and particularly advantageous aspect ratios to be described in detail below. The aspect ratio of a depression is understood to be the ratio of its depth extent (perpendicular to the layer plane) and its lateral extent (in the layer plane).

Besonders vorteilhafte periodische Vertiefungsstrukturen sind eindimensionale oder auch zweidimensionale (d. h. bei letzterem sich unter einem Winkel von z. B. 90° kreuzende) Grabenstrukturen bestehend aus einer Vielzahl einzelner, linienförmiger, parallel zueinander und jeweils mit konstantem Grabenabstand voneinander verlaufender Gräben. Ebenso ist es jedoch möglich, periodische Vertiefungsstrukturen, die eine Vielzahl von einzelnen Löchern umfassen, vorzusehen (Punktmuster). Diese Lochstrukturen können in einer oder auch in zwei Richtungen bzw. Dimensionen periodisch ausgebildet werden. Diese zweidimensionalen Strukturen können mit Mehrstrahlinterferenzen oder auch mit Hilfe von Mikrolinsenarrays realisiert werden (siehe nachfolgend).Particularly advantageous periodic depression structures are one-dimensional or two-dimensional (that is to say intersecting in the latter at an angle of, for example, 90 °) trench structures consisting of a plurality of individual, linear trenches running parallel to one another and each with a constant trench spacing. However, it is also possible to provide periodic pit structures comprising a plurality of individual holes (dot patterns). These hole structures can be formed periodically in one or in two directions or dimensions. These two-dimensional structures can be realized with multi-beam interference or with the help of microlens arrays (see below).

In einer weiteren vorteilhaften Variante besteht das vorbeschriebene Schichtsystem aus genau einer einzelnen Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff DLC. Ebenso ist es möglich, das Schichtsystem aus mehreren solcher DLC-Schichten auszubilden. Die eine oder mehreren DLC-Einzelschicht(en) enthält/enthalten vorteilhafterweise vorwiegend amorphen Kohlenstoff, der in einer Mischung aus grafitartigen und diamantartigen chemischen Bindungen vorliegt. Der Aufbau solcher Schichten ist dem Fachmann bekannt, sie sind beispielsweise in der VDI-Richtlinie VDI 2840 ”Kohlenstoffschichten: Grundlagen, Schichttypen und Eigenschaften”, Ausgabe vom November 2005, s. dort im Kapitel 4 die Unterpunkte 2.1. bis 2.7., beschrieben.In a further advantageous variant, the above-described layer system consists of exactly one single layer of diamond-like carbon DLC. It is also possible to form the layer system from a plurality of such DLC layers. The one or more DLC monolayer (s) advantageously contain predominantly amorphous carbon present in a mixture of graphitic and diamond-like chemical bonds. The structure of such layers is known in the art, they are, for example, in the VDI Guideline VDI 2840 "Carbon Layers: Fundamentals, Coating Types and Properties", November 2005 issue, s. there in chapter 4 the subitems 2.1. to 2.7., Described.

Vorteilhafterweise kann/können die einzelnen Kohlenstoffschicht(en) eine Vickershärte zwischen 1000 HV und 8000 HV und/oder eine Schichtdicke zwischen 2 nm und 50 μm aufweisen. Die einzelnen Schichten können dabei auch als Gradientenschichten ausgebildet werden, bei denen der Kohlenstoffanteil und/oder das Verhältnis von grafitartig zu diamantartig gebundenen Kohlenstoffatomen in Richtung senkrecht zur Schichtebene zur Substratbasis hin zu- oder abnimmt.Advantageously, the individual carbon layer (s) may have a Vickers hardness between 1000 HV and 8000 HV and / or a layer thickness between 2 nm and 50 μm. The individual layers can also be formed as gradient layers in which the carbon content and / or the ratio of graphite-like diamond-like bonded carbon atoms in the direction perpendicular to the layer plane to the substrate base increases or decreases.

Um die Haftung des Schichtsystems bzw. der DLC-Schichten auf der Substratbasis sicher zu stellen oder zu verbessern, können zwischen den Schichten bzw. dem Schichtsystem und der Substratbasis Haftvermittlerschichten vorgesehen sein. Die vorbeschriebenen Vertiefungen können dann auch in diesen Haftvermittlerschichten ausgebildet werden.In order to ensure or improve the adhesion of the layer system or of the DLC layers to the substrate base, adhesion promoter layers can be provided between the layers or the layer system and the substrate base. The above-described depressions can then also be formed in these adhesion promoter layers.

Als Substratbasis kann eine Keramik, ein Metall und/oder ein Kunststoff verwendet werden. Auch entsprechende Materialkombinationen sind denkbar. Die Substratbasis kann beispielsweise die Oberfläche eines Bauteils oder eines Werkzeugs sein.As a substrate base, a ceramic, a metal and / or a plastic can be used. Also appropriate material combinations are conceivable. The substrate base may be, for example, the surface of a component or a tool.

Bei einem erfindungemäßen Herstellungsverfahren für eine Festschmierstoffstruktur wird auf einer Substratbasis ein mindestens eine DLC-Schicht enthaltendes Schichtsystem aufgebracht, wobei ggf. vor dem Aufbringen des Schichtsystems auf der Substratbasis eine Haftvermittlerschicht abgeschieden werden kann. Die vorbeschriebene Vertiefungsstruktur wird entweder nur im Schichtsystem, oder sowohl im Schichtsystem als auch in der Substratbasis und ggf. der Haftvermittlerschicht ausgebildet. Die Vertiefungen werden dann zumindest abschnittweise mit mindestens einem Festschmierstoff befüllt.In a production method according to the invention for a solid lubricant structure, a layer system containing at least one DLC layer is applied to a substrate base, it being possible to deposit an adhesion promoter layer before application of the layer system to the substrate base. The above-described recess structure is formed either only in the layer system or both in the layer system and in the substrate base and, if appropriate, the adhesion promoter layer. The recesses are then filled at least in sections with at least one solid lubricant.

In einer ersten vorteilhaften Herstellungsvariante ist es möglich, die Substratbasis (z. B. über ein Mikrolinsen-Array oder auch mithilfe eines direkten Laserinterferenzverfahrens, siehe nachfolgend) mit Laserstrahlung zu bestrahlen, um in die Oberfläche der Substratbasis erfindungsgemäß Vertiefungen einzuarbeiten. Anschließend kann das DLC-Schichtsystem auf der tiefenstrukturierten Oberfläche der Substratbasis abgeschieden werden (ggf. nach vorherigem Abscheiden von Haftvermittlerschichten). Auf diese Art und Weise übertragen sich – ein Abscheiden des Schichtsystems bzw. der einzelnen Schichten dieses Systems mit konstanter Dicke vorausgesetzt – die Vertiefungsstrukturen der Substratbasis in der Form unverändert auch auf das Schichtsystem. In die somit auch im Schichtsystem ausgebildeten Vertiefungen kann schließlich (wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird) der Festschmierstoff eingebracht werden.In a first advantageous production variant, it is possible to irradiate the substrate base (eg via a microlens array or also by means of a direct laser interference method, see below) with laser radiation in order to incorporate recesses into the surface of the substrate base according to the invention. Subsequently, the DLC layer system can be deposited on the deep-structured surface of the substrate base (possibly after previous deposition of adhesion promoter layers). In this way, assuming a deposition of the layer system or of the individual layers of this system with a constant thickness, the depression structures of the substrate base in the form are also transferred unchanged to the layer system. In the wells thus formed in the layer system can finally (as will be described in detail below), the solid lubricant are introduced.

Alternativ oder ggf. auch in Kombination mit dieser Vorgehensweise ist es ebenso möglich auf einer (z. B. ebenen oder gekrümmten) Oberfläche einer vertiefungslosen Substratbasis zunächst das DLC-Schichtsystem abzuscheiden, bevor durch Laserbestrahlung des auf der Substratbasis aufgebrachten Schichtssystems schließlich die Vertiefungen der Vertiefungsstruktur in das Schichtsystem und/oder die Substratbasis eingebracht werden. Auch hier können Haftvermittlerschichten abgeschieden werden, bevor das Schichtsystem mit der Substratbasis verbunden wird. Nach der Laserbestrahlung des bereits aufgebrachten Schichtsystems bzw. der Tiefenstrukturierung von Substratbasis und/oder Schichtsystem kann eine weitere Abscheidung einer oder mehrerer DLC-Einzelschichten erfolgen, bevor dann schließlich in die durch die Laserstrukturierung erzeugten Vertiefungen der Festschmierstoff eingebracht wird.Alternatively or possibly also in combination with this procedure, it is likewise possible first to deposit the DLC layer system on a (eg flat or curved) surface of a recessless substrate base, before finally exposing the depressions of the recess structure by laser irradiation of the layer system applied to the substrate base be introduced into the layer system and / or the substrate base. Bonding agent layers can also be deposited here before the layer system is connected to the substrate base. After the laser irradiation of the already applied layer system or the deep structuring of substrate base and / or layer system, a further deposition of one or more DLC single layers take place before finally the solid lubricant is introduced into the wells created by the laser structuring.

In einer vorteilhaften Variante erfolgt die Laserbestrahlung der Substratbasis und/oder des Schichtsystems dadurch, dass ein Laserstrahl über ein Mikrolinsen-Array (das den Laserstrahl in mehrere Einzelstrahlen auftrennt) auf eine definierte Fläche (nachfolgend: Fokusfläche) gestrahlt wird (vorteilhafterweise fokussiert eingestrahlt wird). Die Substratbasis und/oder das Schichtsystem wird dann, in Laserstrahlrichtung gesehen, hinter dem Mikrolinsen-Array an einer vordefinierten Position angeordnet. Diese Position kann in einem definierten Abstand vor der Fokusfläche, auf Höhe der Fokusfläche oder auch in einem definierten Abstand hinter der Fokusfläche liegen: Je nach Einstellung kann damit die laterale Ausdehnung und/oder die Tiefenausdehnung der einzelnen Vertiefungen der Vertiefungsstruktur auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden (minimale Strukturgröße bei Anordnung von Substratbasis und/oder Schichtsystem im Bereich der Fokusfläche, mit wachsendem oder sinkendem Abstand zur Fokusfläche vergrößert sich die Ausdehnung der einstrukturierten Vertiefungen).In an advantageous variant, the laser irradiation of the substrate base and / or of the layer system takes place in that a laser beam is irradiated (advantageously focused) via a microlens array (which separates the laser beam into a plurality of individual beams) onto a defined surface (hereinafter: focus area). , The substrate base and / or the layer system is then, viewed in the laser beam direction, arranged behind the microlens array at a predefined position. This position can lie at a defined distance in front of the focus area, at the height of the focus area or at a defined distance behind the focus area: Depending on the setting, the lateral extent and / or the depth extent of the individual cavities of the recess structure can be set to a predetermined value (Minimum structure size with arrangement of substrate base and / or layer system in the area of the focus area, with increasing or decreasing distance to the focus area, the extent of the structured depressions increases).

Alternativ dazu ist es auch möglich, mehrere kohärente Laserstrahlen unter vordefinierten Winkeln in einem Überlagerungsbereich zur Interferenz zu bringen. Die Substratbasis und/oder das Schichtsystem wird hierbei an einer vordefinierten Position im Interferenz- bzw. Überlagerungsbereich positioniert. Durch die im Interferenzbereich entstehenden Interferenzmuster können an deren Maxima je nach Positionierung der Substratbasis und/oder des Schichtsystems die gewünschten (periodischen) Strukturen mit den gewünschten lateralen Ausdehnungen und/oder Tiefenausdehnungen realisiert werden. Die mehreren Laserstrahlen können dabei mithilfe von Strahlteilern erzeugt und dann über Strahlumlenker (z. B. Spiegel) aus verschiedenen Richtungen bzw. unter den gewünschten Winkeln in den Überlagerungsbereich eingestrahlt werden.Alternatively, it is also possible to cause a plurality of coherent laser beams to interfere at predefined angles in a superposition area. The substrate base and / or the layer system is hereby positioned at a predefined position in the interference or overlay region. Depending on the positioning of the substrate base and / or the layer system, the desired (periodic) structures with the desired lateral expansions and / or depth expansions can be realized at their maxima by the interference patterns arising in the interference region. The multiple laser beams can be generated by means of beam splitters and then beamed via beam deflectors (eg mirrors) from different directions or at the desired angles into the overlapping area.

Die Laserbestrahlung kann gepulst oder auch kontinuierlich sein; Laser mit Emissionen im sichtbaren oder im infraroten Bereich sind ebenso einsetzbar wie Laser mit Emissionswellenlängen im UV-Bereich.The laser irradiation can be pulsed or continuous; Lasers with emissions in the visible or in the infrared range are just as applicable as lasers with emission wavelengths in the UV range.

Vorteilhafterweise erfolgt das Aufbringen des Schichtsystems auf die Substratbasis (oder auf entsprechende Haftvermittlerschichten) mittels eines Beschichtungsverfahrens. Die chemische Gasphasenabscheidung kann ebenso eingesetzt werden wie die physikalische. Ein Aufbringen des Schichtsystems ist insbesondere mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung, mittels Magnetronsputtern und/oder mittels eines Vakuumbogenverfahrens möglich. Auch die Haftvermittlerschichten können entsprechend abgeschieden werden.Advantageously, the coating system is applied to the substrate base (or to corresponding adhesion promoter layers) by means of a coating method. The chemical vapor deposition can be used as well as the physical. An application of the layer system is possible in particular by means of plasma-assisted chemical vapor deposition, by magnetron sputtering and / or by means of a vacuum arc process. The adhesion promoter layers can also be deposited accordingly.

Das Füllen der Vertiefungen mit Festschmierstoff kann durch ein mechanisches Einbringen von in Pastenform vorliegendem Festschmierstoff erfolgen. Auch in Pulverform mit mindestens einem organischen und/oder anorganischen Bindemittel vermischt vorliegender Festschmierstoff kann eingebracht werden. Alternativ ist eine Spraydeposition eines in flüssiger Form vorliegenden Festschmierstoffs ebenso möglich wie ein Eintauchen der in der Substratbasis und/oder dem Schichtsystem eingebrachten Vertiefungen in eine festschmierstoffhaltige Flüssigkeit.The filling of the wells with solid lubricant can be done by mechanical introduction of present in paste form of solid lubricant. Also in powder form mixed with at least one organic and / or inorganic binder present solid lubricant can be introduced. Alternatively, a spray position of a solid lubricant present in liquid form is possible, as is immersion of the depressions introduced in the substrate base and / or the layer system into a solid lubricant-containing liquid.

Nach dem Einbringen des Festschmierstoffs in die Vertiefungen kann eine Nachbehandlung in Form von Trocknen, Aushärten, Sintern und/oder Brennen erfolgen.After the introduction of the solid lubricant in the wells, a post-treatment in the form of drying, curing, sintering and / or firing can take place.

Erfindungsgemäß kann somit eine planare oder konturierte Oberfläche eines Bauteils oder eines Werkzeugs vor oder auch nach der Beschichtung mit einer DLC-Schicht mit einer μm- oder auch nm-Tiefenstruktur durch direkte Laserinterferenz und/oder durch Einsatz von Mikrolinsen-Arrays unter Nutzung von bevorzugt gepulster Laserstrahlung im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich und/oder im IR-Bereich strukturiert werden. Dabei ist es ebenso möglich zunächst ein Kunststoff-, Keramik- oder Metallsubstrat mit dem Laser zu strukturieren, bevor eine Beschichtung mit der DLC-Schicht erfolgt, wie auch zunächst die DLC-Schicht auf einem entsprechenden Substrat abzuscheiden und dann die Laserstrukturierung nach der Abscheidung durchzuführen. Im letzteren Fall kann nach der Laserstrukturierung erneut DLC-beschichtet werden.Thus, according to the invention, a planar or contoured surface of a component or a tool before or even after coating with a DLC layer with a μm or nm depth structure by direct laser interference and / or by using microlens arrays using preferably pulsed Laser radiation in the UV range, in the visible range and / or in the IR range are structured. It is also possible first to pattern a plastic, ceramic or metal substrate with the laser before coating with the DLC layer, as well as first to deposit the DLC layer on a corresponding substrate and then perform the laser patterning after deposition , In the latter case, after the laser structuring again DLC-coated.

Die DLC-Beschichtung kann mithilfe von PVD-Verfahren (z. B. Arc-Verdampfung oder Magnetronsputtern), durch PECVD-Verfahren oder auch durch eine Kombination beider Verfahren hergestellt werden. Einfachschichten, Mehrfachschichten oder auch Gradientenschichten können als DLC-Schichten abgeschieden werden. Vorteilhafterweise werden Schichten aus amorphem Kohlenstoff z. B. vom Typ a-C, ta-C, a-C:H und/oder ta-C:H sowie ggf. auch mit einem Metall oder anderen Elementen dotierte Typen wie z. B. a-C:H:W als DLC-Schichten abgeschieden (vgl. VDI-Richtlinie 2840). Vorteilhafterweise weisen diese Schichten eine Härte zwischen 1000 HV und 8000 HV und eine Schichtdicke zwischen 2 nm und 50 μm auf.The DLC coating can be made using PVD techniques (eg, arc evaporation or magnetron sputtering), PECVD techniques, or a combination of both. Single layers, multiple layers or even gradient layers can be deposited as DLC layers. Advantageously, layers of amorphous carbon z. B. type a-C, ta-C, a-C: H and / or ta-C: H and optionally also doped with a metal or other elements types such. B. a-C: H: W deposited as DLC layers (see VDI Guideline 2840). Advantageously, these layers have a hardness between 1000 HV and 8000 HV and a layer thickness between 2 nm and 50 microns.

Die durch die Laserstrukturierung eingebrachten Strukturen können wie folgt ausgebildet sein:

  • – linienartige Muster mit periodischem Abstand d (Periode p ist gleich Linienabstand d).
  • – kreuzartige Muster erreicht durch Mehrfachbestrahlung mit Linienmustern mit einem spezifischen Rotationswinkel von z. B. 30°, 60° oder 90°.
  • – kombinierte kreuzartige Muster mit unterschiedlichen Linienabständen d1 und d2.
  • – verschiedene Anordnungen von Vertiefungen z. B. in Form von Löchern mit unterschiedlichen Abständen.
  • – beliebige Formen von Vertiefungen bzw. Löchern mit einem Mikrolinsen-Array über der zu strukturierenden Substratbasis und/oder Schicht.
  • – beliebige Formen von Vertiefungen über ein Verschieben der Substratbasis und/oder Schichtstruktur während der Bestrahlung über ein Mikrolinsen-Array.
  • – beliebige Formen von Vertiefungen mit einer Verschiebung der Bestrahlungsoptik während/zwischen den Bestrahlungen über ein Mikrolinsen-Array.
  • – linienartige Muster über ein Mikrolinsen-Array.
  • – kreuzartige Muster durch Mehrfachbestrahlung mit Linienmustern mit einem Mikrolinsen-Array.
  • – auch beliebige Kombinationen der vorbeschriebenen Musterstrukturen sind denkbar.
The structures introduced by the laser structuring can be formed as follows:
  • - Line-like pattern with periodic distance d (period p is equal to line distance d).
  • - Cross-like pattern achieved by multiple irradiation with line patterns with a specific rotation angle of z. B. 30 °, 60 ° or 90 °.
  • - Combined cross-like patterns with different line spacing d 1 and d 2 .
  • - Different arrangements of wells z. B. in the form of holes with different distances.
  • Any shapes of pits or holes with a microlens array over the substrate base and / or layer to be patterned.
  • Any shapes of depressions via a displacement of the substrate base and / or layer structure during the irradiation via a microlens array.
  • Any shapes of pits with a shift of the irradiation optics during / between the irradiations via a microlens array.
  • Line-like patterns over a microlens array.
  • - Cross-type patterns by multiple irradiation with line patterns with a microlens array.
  • - Any combinations of the above pattern structures are conceivable.

Die so erzeugten Strukturen werden schließlich mit einem Festschmierstoff gefüllt, sodass die Strukturen zumindest teilweise ausgefüllt sind. Überschüssiger Festschmierstoff kann ggf. auf der gefüllten Oberfläche verbleiben. Der Festschmierstoff kann aus Sulfiden (z. B. MoS2, WS2), Seleniden (beispielsweise NbSe2), Grafit, Kunststoff (z. B. PTFE-Partikel) und/oder aus Weichmetallen (z. B. Al, Co, Pb) oder auch aus einer beliebigen Mischung der vorgenannten Stoffe bestehen. Er kann in pulverförmiger oder auch in mit Flüssigkeit gebundener Form vorliegen. Der Festschmierstoff kann beispielsweise über Eintauchen, Spritzen oder auch durch einfachen manuellen Auftrag in die Vertiefungen eingebracht und ggf. (z. B. durch Sintern oder Wärmetrocknung) nachbehandelt werden.The structures thus produced are finally filled with a solid lubricant, so that the structures are at least partially filled. Excess solid lubricant may possibly remain on the filled surface. The solid lubricant may consist of sulphides (eg MoS 2 , WS 2 ), selenides (for example NbSe 2 ), graphite, plastic (eg PTFE particles) and / or of soft metals (eg Al, Co, Pb) or also consist of any mixture of the aforementioned substances. It can be present in powdered or else in liquid-bound form. The solid lubricant can be introduced, for example, by immersion, spraying or by simple manual application in the wells and optionally aftertreated (eg by sintering or heat drying).

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Festschmierstoffstrukturen liegt der größte Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass die erzeugten Oberflächen unter schwierigsten Umgebungs- und/oder Schmierbedingungen (insbesondere also auch im Vakuum) gute Gleit- und Verschleißschutzeigenschaften aufweisen.Compared to the solid lubricant structures known from the prior art, the greatest advantage of the present invention lies in the fact that the surfaces produced have good sliding and anti-wear properties under the most difficult ambient and / or lubricating conditions (in particular even in a vacuum).

Ein weiterer Vorteil liegt in der großen Toleranzbreite von Umgebungsbedingungen, unter denen die erfindungsgemäße Oberfläche ihre Gleiteigenschaften beibehält.Another advantage lies in the wide tolerance range of environmental conditions under which the surface according to the invention retains its sliding properties.

Von reinen DLC-Beschichtungen ist bekannt, dass sie unter Mischreibungsbedingungen sowie in Normalatmosphäre gute Gleit- und Verschleißschutzeigenschaften aufweisen, unter sehr trockener Luft, Schutzgas, Vakuum oder sonstigen schwierigen Umgebungsbedingungen ihre vorteilhaften Eigenschaften jedoch verlieren und hohe Reibwerte und starken Verschleiß erzeugen. Durch die erfindungsgemäß z. B. über eine Laserstrukturierung eingebrachten Vertiefungen und deren Auffüllung mit Festschmierstoff in Kombination mit der DLC-Beschichtung wird ein Reservoir an Schmierstoff bereitgestellt, das auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen immer den nötigen Schmierstoff bereithält, ohne dass dieser rasch verbraucht wird. Somit ist eine erfindungsgemäß modifizierte bzw. eine mit gefüllten Tiefenstrukturen versehene modifizierte DLC-Schicht nahezu universell einsetzbar. Die Erfindung kann im Bereich von allen tribologisch belasteten Komponenten und Bauteilen, insbesondere bei Komponenten und Bauteilen, die aufgrund starker Belastungen, konstruktiver Aspekte oder aufgrund der herrschenden Umgebungsbedingungen ansonsten nur unzureichend mit Schmierstoff versorgt werden, eingesetzt werden.Pure DLC coatings are known to exhibit good anti-slip and anti-wear properties under mixed-friction conditions as well as in normal atmospheres but lose their advantageous properties under very dry air, inert gas, vacuum or other difficult environmental conditions, producing high coefficients of friction and high wear. By the invention z. B. introduced via a laser structuring wells and their filling with solid lubricant in combination with the DLC coating, a reservoir of lubricant is provided, which always holds the necessary lubricant even under unfavorable environmental conditions, without this is consumed quickly. Thus, a modified DLC layer modified according to the invention or provided with filled depth structures can be used almost universally. The invention can be used in the range of all tribologically loaded components and components, in particular for components and components that are otherwise insufficiently supplied with lubricant due to heavy loads, constructive aspects or due to the prevailing environmental conditions.

Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäß modifizierten Oberflächen bzw. die erfindungsgemäßen Festschmierstoffstrukturen für mechanische Komponenten wie Lager, Getriebe oder Führungen bei Anwendungen in Vakuum (beispielsweise bei Weltraumanwendungen wie Satellitenverstellsystemen oder bei Vakuumpumpen) sowie unter Schutzgas (z. B. bei Anwendungen in der Mikroelektronik).In particular, the surfaces modified according to the invention or the solid lubricant structures according to the invention are suitable for mechanical components such as bearings, gears or guides in vacuum applications (for example in space applications such as satellite positioning systems or in vacuum pumps) and under protective gas (eg in microelectronics applications).

Weitere Beispiele für die Anwendung erfindungsgemäßer Festschmierstoffstrukturen sind tribologisch stark belastete Teile z. B. im Automobilbereich (Verteilerpumpen, Einspritzkomponenten, Kolbenringe, Kolbenbolzen, Zahnräder in Getrieben). Schließlich sind trocken laufende Reib-/Gleitpaarungen (z. B. für Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen oder auch in Flugzeuganwendungen) Einsatzgebiete für erfindungsgemäße Festschmierstoffstrukturen.Further examples of the application of solid lubricant structures according to the invention are tribologically highly stressed parts, for. In the automotive sector (distributor pumps, injection components, piston rings, piston pins, gears in gears). Finally, dry running friction / sliding pairings (eg for machine tools, textile machines or even in aircraft applications) are fields of use for solid lubricant structures according to the invention.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 den Aufbau zweier erfindungsgemäßer Festschmierstoffstrukturen. 1 the structure of two inventive solid lubricant structures.

2 verschiedene Vertiefungsstrukturformen der vorliegenden Erfindung. 2 various pit structure forms of the present invention.

3 eine Mikrolinsen-Array-Konfiguration zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens. 3 a microlens array configuration for carrying out a manufacturing method according to the invention.

4 verschiedene Mikrolinsen-Arrays für den Aufbau gemäß 3. 4 different microlens arrays for the construction according to 3 ,

5 einen direkten Laser-Interferenz-Strukturierungsaufbau für ein Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in Zwei-Strahl-Konfiguration. 5 a direct laser interference structuring structure for a manufacturing method according to the present invention in two-beam configuration.

6 einen entsprechenden Aufbau in Drei-Strahl-Konfiguration. 6 a corresponding structure in three-beam configuration.

7 einen entsprechenden Aufbau in Vier-Strahl-Konfiguration. 7 a corresponding structure in four-beam configuration.

8 eine Prinzipskizze zur erfindungsgemäßen Erzeugung einer Vertiefungsstruktur in einer Substratbasis durch Laser-Interferenz. 8th a schematic diagram of the inventive generation of a recess structure in a substrate base by laser interference.

9 bis 11 in Zwei-, Drei- oder Vier-Strahl-Konfiguration erzeugte Intensitätsmuster. 9 to 11 in two-, three- or four-beam configuration generated intensity pattern.

12 bis 14 Beispiele für erfindungsgemäß strukturierte DLC-Schichtsysteme. 12 to 14 Examples of DLC layer systems structured according to the invention.

Sofern nachfolgend nichts anderes gesagt ist, beziehen sich die Ausführungsbeispiele auf eine Festschmierstoffstruktur, die eine Substratbasis aus gehärtetem Stahl, z. B. 100Cr6, aufweist, auf der mittels eines PVD-Beschichtungsverfahrens eine 2,5 μm dicke homogene Schicht aus ta-C abgeschieden ist. Vor dem Abscheiden wird die Substratbasis (nachfolgend auch als Bauteil bezeichnet) in üblicher Weise gereinigt und es wird in der Beschichtungskammer zunächst eine Plasmareinigung und eine Abscheidung einer Haftvermittlungsschicht durchgeführt, bevor dann schließlich die homogene Schicht aus ta-C aufbeschichtet wird. Die Abscheidung der ta-C-Schicht erfolgt mit einem gepulsten Vakuumbogenverfahren, z. B. mit einem Laser-Arc-Verfahren aus einer Grafitkathode. Dabei wird vorzugsweise die Beschichtung mit einem Plasmafilter durchgeführt, um eine möglichst glatte Schicht abzuscheiden.Unless otherwise stated below, the embodiments relate to a solid lubricant structure comprising a hardened steel substrate base, e.g. B. 100Cr6, on which by means of a PVD coating process, a 2.5 micron thick homogeneous layer of Ta-C is deposited. Before depositing, the substrate base (hereinafter also referred to as a component) is cleaned in a conventional manner and first a plasma cleaning and a deposition of an adhesion-promoting layer are carried out in the coating chamber, before finally the homogeneous layer of ta-C is coated. The deposition of the ta-C layer is carried out using a pulsed vacuum arc method, for. B. with a laser arc process from a graphite cathode. In this case, the coating is preferably carried out with a plasma filter in order to deposit the smoothest possible layer.

Nach der Laserstrukturierung der Substratbasis und/oder des Schichtsystems vor oder nach der Beschichtung der Substratbasis (die Laserstrukturierung wird nachfolgend noch ausführlich beschrieben), wird der Festschmierstoff auf die dergestalt strukturierte Oberfläche aufgebracht. Die Aufbringung des Festschmierstoffs kann in konventioneller Weise erfolgen, so wie z. B. in B. Bhushan, B. K. Gupta ”Handbook of tribology: Materials, coatings and surface treatments”, McGraw Hill Inc., New York 1991, beschrieben. So werden beispielsweise pastenförmige Festschmierstoffe nach Vorschrift mit Pinsel oder Lappen aufgetragen, Gleitlacke (z. B. konventionelle, lufttrocknende Gleitlacke auf Basis von MoS2) werden vorschriftsgemäß aufgesprüht und Gleitfilme werden entsprechend der Anleitung mittels Tauchverfahren aufgebracht. Neben lufttrocknenden Produkten können auch warmaushärtende Produkte verwendet werden. Überschüssiger Festschmierstoff, z. B. überschüssiger Gleitlack, kann durch Abwischen von der strukturierten Oberfläche abgetragen werden, sodass nur noch in den ausgebildeten Vertiefungen der strukturierten Oberfläche Festschmierstoff verbleibt. Es ist jedoch auch möglich, überschüssigen Festschmierstoffauftrag auf der strukturierten Oberfläche überstehend zu belassen.After the laser structuring of the substrate base and / or of the layer system before or after the coating of the substrate base (the laser structuring will be described in detail below), the solid lubricant is applied to the surface structured in this way. The application of the solid lubricant can be done in a conventional manner, such as. B. Bhushan, BK Gupta Handbook of Tribology: Materials, Coatings and Surface Treatments, McGraw Hill Inc., New York 1991. For example, paste-like solid lubricants are applied in accordance with instructions with brushes or cloths, bonded coatings (eg conventional, air-drying bonded coatings based on MoS 2 ) are sprayed in accordance with regulations and sliding films are applied according to the instructions by means of dipping. In addition to air-drying products, thermosetting products can also be used. Excess solid lubricant, z. B. excess lubricating varnish can be removed by wiping from the structured surface, so that only in the formed wells of the structured surface remains solid lubricant. However, it is also possible to leave excess solid lubricant application on the structured surface protruding.

1 zeigt im Querschnitt senkrecht durch die Schichtsystemebene (hier: Ebene der ta-C-Schicht) zwei verschiedene erfindungsgemäße Festschmierstoffstrukturen. 1 shows in cross section perpendicular through the layer system level (here: plane of the ta-C layer) two different solid lubricant structures according to the invention.

Beim in 1a) gezeigten Beispiel wird zunächst auf der Stahlsubstratbasis 1 (nach Abscheiden einer nicht gezeigten Haftvermittlerschicht) die ta-C-Schicht 2a, die hier die einzige Schicht des Schichtsystems 2 ausbildet, abgeschieden. Anschließend wird mithilfe eines z. B. über ein Mikrolinsen-Array (siehe nachfolgend) geführten Laserstrahls eine periodische Vertiefungsstruktur 3 in das Schichtsystem 2 bzw. die ta-C-Schicht 2a einstrukturiert. Die Parameter der Laserbestrahlung werden dabei so gewählt, dass die Vertiefungen 3a, 3b, ... der Vertiefungsstruktur 3 ausschließlich in der ta-C-Schicht 2a ausgebildet werden, sich also nicht bis in eine Tiefe erstrecken, in dem die der Schicht 2a zugewandte Oberfläche O1 der Substratbasis 1 bzw. die Grenze zwischen Schicht 2a und Substratbasis 1 liegt.When in 1a) example shown is first on the steel substrate base 1 (After depositing a primer layer not shown), the ta-C layer 2a , here the only layer of the layer system 2 trains, isolated. Then, using a z. B. via a microlens array (see below) guided laser beam a periodic recess structure 3 in the shift system 2 or the ta-C layer 2a einstrukturiert. The parameters of the laser irradiation are chosen so that the wells 3a . 3b , ... of the specialization structure 3 exclusively in the ta-C layer 2a be formed, so do not extend to a depth in which the layer 2a facing surface O1 of the substrate base 1 or the boundary between layers 2a and substrate base 1 lies.

Die hier periodische Vertiefungsstruktur 3 umfasst eine Vielzahl einzelner, linear verlaufender, parallel zueinander in konstanten Abständen d angeordneter, im Querschnitt Rechteck-förmiger Gräben 3a, 3b, ... als Vertiefungen. Die Dicke der ta-C-Schicht 2a beträgt hier 2,5 μm, die Tiefe h der Vertiefungen 3a, 3b, ... senkrecht zur Schichtebene 1,25 μm, der Abstand d zweier benachbarter Gräben 3a, 3b, ... (also die Periodizität p = d) beträgt hier 10 μm und die laterale Ausdehnung l der Gräben in der Schichtebene und senkrecht zur Grabenlängsachse beträgt hier l = 5 μm (die Darstellung ist somit nicht maßstabsgerecht).The here periodic deepening structure 3 comprises a plurality of individual, linearly extending, parallel to each other at constant intervals d arranged, rectangular in cross-section trenches 3a . 3b , ... as depressions. The thickness of the ta-C layer 2a here is 2.5 microns, the depth h of the wells 3a . 3b , ... perpendicular to the layer plane 1.25 μm, the distance d between two adjacent trenches 3a . 3b , ... (ie, the periodicity p = d) is here 10 microns and the lateral extent l of the trenches in the layer plane and perpendicular to the trench longitudinal axis is here l = 5 microns (the representation is therefore not to scale).

Nach Einbringen der Vertiefungsstruktur 3 in die Schicht 2a erfolgt ein Eintrag des Festschmierstoffs 4 in Form von z. B. MoS2 in die einzelnen Vertiefungen 3a, 3b, ... wie vorbeschrieben. Die Vertiefungen sind hier vollständig mit Festschmierstoff 4 aufgefüllt. Festschmierstoff, der über die substratbasisabgewandte Seite (Oberfläche O2) des Schichtsystems 2 übersteht, wird entfernt.After introducing the recess structure 3 in the layer 2a an entry of the solid lubricant takes place 4 in the form of z. B. MoS 2 in the individual wells 3a . 3b , as described above. The wells are here completely with solid lubricant 4 refilled. Solid lubricant, over the substratumbasisabgewandte side (surface O2) of the layer system 2 survives, is removed.

1b) zeigt ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Festschmierstoffstruktur im Querschnitt; der Aufbau ist hier grundsätzlich wie beim in 1a) gezeigten Fall, sodass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden. 1b) shows a second example of a solid lubricant structure according to the invention in cross section; the structure is basically the same as in 1a) case, so only the differences are described below.

In 1b) wird nicht das Schichtsystem 2, sondern die Substratbasis 1 mithilfe des Lasers strukturiert, bevor die Haftvermittlerschicht (nicht gezeigt) und das Schichtsystem 2 aufgebracht werden. Die Haftvermittlerschicht und das Schichtsystem 2 werden mit konstanter Schichtdicke (hier z. B. 1 μm für die Schicht 2a) auf der bereits strukturierten, also mit Vertiefungen versehenen Oberfläche O1 der Substratbasis 1 abgeschieden. Aus diesem Grund werden die in der Substratbasis 1 ausgebildeten Vertiefungen auf das Schichtsystem 2 übertragen, sodass die Vertiefungsstruktur 3 hier sowohl in der Substratbasis 1, als auch im Schichtsystem 2 ausgebildet ist. Die lichten Weiten dieser Vertiefungen 3a, 3b, ... (mit der Höhe bzw. Tiefe h und der lateralen Ausdehnung l) werden vollständig mit Festschmierstoff 4 gefüllt; über die substratabgewandte Oberfläche O2 des Schichtsystems 2 hinaus stehender Festschmierstoff wird entfernt.In 1b) does not become the shift system 2 but the substrate base 1 using the laser structured before the primer layer (not shown) and the layer system 2 be applied. The adhesion promoter layer and the layer system 2 be with a constant layer thickness (here, for example, 1 micron for the layer 2a ) on the already structured, that is provided with depressions surface O1 of the substrate base 1 deposited. Because of this, those in the substrate base 1 formed depressions on the layer system 2 transferred, so that the recess structure 3 here both in the substrate base 1 , as well as in the shift system 2 is trained. The clear widths of these depressions 3a . 3b , ... (with the height or depth h and the lateral extent l) are completely filled with solid lubricant 4 filled; via the substrate-remote surface O2 of the layer system 2 out standing solid lubricant is removed.

2 zeigt verschiedene periodische Vertiefungsstrukturen 3, die durch Laserstrukturierung und parallel zur Schichtebene und/oder den Oberflächen O1 und O2 verlaufend in der Substratbasis 1 und/oder im Schichtsystem 2 ausgebildet werden können. So zeigt 2a) eine eindimensionale Grabenstruktur G1, bei der eine Vielzahl von parallelen Gräben beabstandet voneinander verläuft. Der Abstand d unmittelbar benachbarter Gräben bzw. die Periodizität p in Richtung R1 senkrecht zu den Grabenlängsachsen kann beispielsweise zwischen 1 μm und 100 μm betragen. 2 shows different periodic pit structures 3 formed by laser structuring and parallel to the layer plane and / or the surfaces O1 and O2 running in the substrate base 1 and / or in the shift system 2 can be trained. So shows 2a) a one-dimensional trench structure G1, in which a plurality of parallel trenches spaced from each other. The distance d of immediately adjacent trenches or the periodicity p in the direction R1 perpendicular to the trench longitudinal axes can be, for example, between 1 μm and 100 μm.

2b) zeigt eine Überlagerung zweier solcher Grabenstrukturen unter einem Winkel α ≠ 0° (hier: α = 70°): Beispielsweise kann zunächst mithilfe eines Zylinderlinsen-Mikrolinsen-Arrays die erste Grabenstruktur G1 (Grabenabstand d1) in Richtung R1 erzeugt werden, bevor die Substratbasis 1 mit dem Schichtsystem 2 um α gedreht wird, um anschließend durch erneute Laserbestrahlung durch das Zylinderlinsen-Mikrolinsen-Array die zweite Grabenstruktur G2 (Grabenabstand d2) in Richtung R2 (die dann um α in Bezug auf die Richtung R1 gedreht ist) zu erzeugen. 2 B) shows a superposition of two such trench structures at an angle α ≠ 0 ° (here: α = 70 °): For example, first using a cylindrical lens microlens array, the first trench structure G1 (trench spacing d1) are generated in the direction of R1, before the substrate base 1 with the layer system 2 is rotated by α, and then by renewed laser irradiation by the cylindrical lens microlens array, the second trench structure G2 (trench spacing d2) in the direction R2 (which is then rotated by α with respect to the direction R1) to generate.

2c) zeigt den Fall aus 2b), bei dem α = 90° ist, also zwei senkrecht zueinander ausgerichtete und in der Substratbasis 1 und/oder dem Schichtsystem 2 ausgebildete Grabenstrukturen G1, G2 (Kreuzgitter). 2c) shows the case 2 B) in which α = 90 °, that is two perpendicular to each other and in the substrate base 1 and / or the layer system 2 formed trench structures G1, G2 (cross lattice).

2d) zeigt ein Beispiel, bei dem die Vertiefungsstruktur 3 nicht in Form von einer oder mehrerer Grabenstruktur(en) ausgebildet ist, sondern eine Vielzahl von einzelnen Löchern LO umfasst. Die Löcher LO sind an den Kreuzungspunkten eines quadratischen Gitters angeordnet, sodass sich hier eine zweidimensionale Periodizität der Vertiefungsstruktur in zwei zueinander senkrechten Richtungen R1 und R2 ergibt (der Lochabstand bzw. die Lochperiode d1 in Richtung R1 und der Lochabstand bzw. die Lochperiode d2 in Richtung R2 sind hier identisch). Beispielsweise ist d1 = d2 = 150 μm und es werden ein Lochdurchmesser l in der Schichtebene von 30 μm und eine Lochtiefe h senkrecht zur Schichtebene von 10 μm gewählt. Das Aspektverhältnis a = h/l = 10 μm/30 μm beträgt somit 0.3. 2d) shows an example where the pit structure 3 is not in the form of one or more trench structure (s), but comprises a plurality of individual holes LO. The holes LO are arranged at the crossing points of a square lattice, so that there is a two-dimensional periodicity of the recess structure in two mutually perpendicular directions R1 and R2 (the hole pitch d1 in the direction R1 and the hole pitch d2 in the direction R2 are identical here). For example, d1 = d2 = 150 μm and a hole diameter l in the layer plane of 30 μm and a hole depth h perpendicular to the layer plane of 10 μm are selected. The aspect ratio a = h / l = 10 μm / 30 μm is thus 0.3.

2e) zeigt einen weiteren Fall einer periodischen Lochstruktur wie in 2d), wobei hier jedoch die beiden Richtungen R1 und R2, in denen die einzelnen Löcher LO jeweils in periodischen Abständen in Reihen angeordnet sind, nicht senkrecht aufeinander stehen, sondern einen Winkel von α = 70° ausbilden. 2e) shows another case of a periodic hole structure as in FIG 2d) , but here the two directions R1 and R2, in which the individual holes LO are arranged in each case at periodic intervals in rows, not perpendicular to each other, but form an angle of α = 70 °.

3 zeigt einen ersten Aufbau zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Festschmierstoffstruktur. Der Aufbau umfasst einen Laser (nicht gezeigt), beispielsweise einen UV-emittierenden Laser mit einer Wellenlänge von λ = 266 nm. Der Laserstrahl 5 dieses Lasers wird hier in gepulster Form (es kann jedoch auch ein kontinuierlicher Laserstrahl erzeugt werden, das Element 10 entfällt dann) zunächst durch eine Vorrichtung 10 zur Kontrolle der Pulsanzahl, hier einen mechanischen Shutter, gestrahlt. Hinter dem mechanischen Shutter 10 ist im Strahlengang des Laserstrahls 5 ein Homogenisator 11 angeordnet. Der Homogenisator besteht aus einem System optischer Elemente, die z. B. ein top-hat Strahlprofil generieren. Im Strahlengang 5 hinter dem Homogenisator 11 ist ein Teleskopsystem 12 zur Kontrolle des bzw. zum Einregeln eines gewünschten Strahldurchmessers angeordnet. Diesem folgt im Strahlengang 5 eine Blende (hier: Irisblende) oder auch eine Rechteckblende 13, bevor der Laserstrahl 5 schließlich auf ein Mikrolinsen-Array 6 trifft. Die Blende 13 wird dazu verwendet, den Strahlumriss und den Strahldurchmesser des Laserstrahls 5 auf eine vorbestimmte Form (z. B. rechteckig) und Größe zu bringen. Die Reihenfolge der Komponenten 10 bis 13 kann hierbei auch anders als in 3 gezeigt gewählt werden. Gegebenenfalls kann auf die Elemente 10 bis 13 verzichtet werden. 3 shows a first structure for producing a solid lubricant structure according to the invention. The structure comprises a laser (not shown), for example a UV-emitting laser with a wavelength of λ = 266 nm. The laser beam 5 This laser is here in pulsed form (but it can also be a continuous laser beam are generated, the element 10 then omitted) first by a device 10 to control the number of pulses, here a mechanical shutter, blasted. Behind the mechanical shutter 10 is in the beam path of the laser beam 5 a homogenizer 11 arranged. The homogenizer consists of a system of optical elements, the z. B. generate a top-has beam profile. In the beam path 5 behind the homogenizer 11 is a telescope system 12 arranged to control or for adjusting a desired beam diameter. This follows in the beam path 5 a diaphragm (here: iris diaphragm) or also a rectangular diaphragm 13 before the laser beam 5 finally on a microlens array 6 meets. The aperture 13 is used to calculate the beam outline and beam diameter of the laser beam 5 to bring to a predetermined shape (eg, rectangular) and size. The order of the components 10 to 13 This can be different than in 3 be selected. If necessary, you can access the elements 10 to 13 be waived.

Das Mikrolinsen-Array 6 ist hier ein Zylinderlinsen-Mikrolinsen-Array mit einer Vielzahl von in einer Ebene parallel zueinander und in konstanten Abständen voneinander angeordneten Zylinderlinsen (deren Längsachsen hier senkrecht zur dargestellten Ebene angeordnet sind). Die einzelnen Zylinderlinsen des Mikrolinsen-Arrays 6 haben einen Fokusabstand f. Durch das Mikrolinsen-Array 6 wird der Laserstrahl 5 somit in eine Vielzahl einzelner Teilstrahlen 5a, 5b, 5c, ... aufgeteilt, die in einem Abstand f hinter dem Mikrolinsen-Array 6 auf eine ebene Fläche F fokussiert werden.The microlens array 6 Here, a cylindrical lens microlens array with a plurality of in a plane parallel to each other and at constant distances from each other arranged cylindrical lenses (the longitudinal axes are arranged here perpendicular to the plane shown). The individual cylindrical lenses of the microlens array 6 have a focus distance f. Through the microlens array 6 becomes the laser beam 5 thus in a variety of individual sub-beams 5a . 5b . 5c , ..., split at a distance f behind the microlens array 6 be focused on a flat surface F.

Mithilfe eines in den drei Translationsrichtungen x, y und z eines Kartesischen Koordinatensystems bewegbaren Verschiebetisches 14 ist nun das Substrat 1 mit dem Schichtsystem 2 (letzteres ist hier nicht gezeigt) so ausgerichtet, dass die Substratbasisoberfläche O1 und die Schichtsystemoberfläche O2 (vgl. 1) parallel zur Fokusfläche F ausgerichtet sind. Im gezeigten Fall fallen die Oberfläche O1 des Schichtsystems und die Fokusfläche F zusammen, sodass die Teilstrahlen 5a, 5b, ... auf diese Oberfläche fokussiert werden (Fokusabstand f gleich Abstand des Arrays 6 von der Oberfläche O1). Durch geeignete Wahl der Strahlparameter des Laserstrahls 5 werden somit am Auftreffort der Teilstrahlen 5a, 5b, ... in den Elementen 1 und/oder 2 vorbeschriebene Vertiefungsstrukturen 3 erzeugt.By means of a movable in the three translational directions x, y and z of a Cartesian coordinate system moving table 14 that's it substratum 1 with the layer system 2 (the latter is not shown here) aligned so that the substrate base surface O1 and the layer system surface O2 (see. 1 ) are aligned parallel to the focal surface F. In the case shown, the surface O1 of the layer system and the focus area F coincide, so that the partial beams 5a . 5b , ... are focused on this surface (focus distance f equals the distance of the array 6 from the surface O1). By a suitable choice of the beam parameters of the laser beam 5 are thus at the place of incidence of the partial beams 5a . 5b , ... in the elements 1 and or 2 above-described specialization structures 3 generated.

Zur Einstellung der Strukturgröße der Vertiefungsstruktur 3 kann der Abstand a zwischen Mikrolinsen-Array 6 und Substratbasis 1 verändert werden: Durch Verfahren der Substratbasis 1 mittels des Verschiebetisches 14 in +z-Richtung wird die Fokusebene F hinter die Oberfläche O1 der Substratbasis 1 ins Innere der Substratbasis 1 verschoben; es werden dann Vertiefungen 3a, 3b, ... mit vergrößerter lateraler Ausdehnung l erzeugt. Entsprechendes geschieht bei einem Verfahren in –z-Richtung, da die Fokusebene F dann außerhalb des Substrats 1 und vor diesem liegt. Zur Regelung der Strukturgröße der Vertiefungsstruktur kann somit der Abstand a größer oder kleiner als der Fokusabstand f gewählt werden. Zusätzlich ist es möglich, durch Translation des Substrats 1 in x- und/oder y-Richtung mittels des Verschiebetisches 14 unterschiedliche Vertiefungsstrukturgeometrien mit kontrollierter Größe zu erzeugen.For setting the structure size of the recess structure 3 can the distance a between microlens array 6 and substrate base 1 To be changed: By moving the substrate base 1 by means of the sliding table 14 in the + z direction, the focal plane F becomes behind the surface O1 of the substrate base 1 inside the substrate base 1 postponed; it then becomes pits 3a . 3b , ... produced with increased lateral extent l. The same happens with a method in the -z direction, since the focal plane F then outside the substrate 1 and before that lies. In order to control the structure size of the recess structure, the distance a can thus be selected to be greater or smaller than the focal distance f. In addition, it is possible by translation of the substrate 1 in the x and / or y direction by means of the displacement table 14 create different well structure geometries of controlled size.

Anstelle eines Verschiebetisches (mit oder ohne Rotationsachse) kann auch ein Roboter verwendet werden. Hierbei können sowohl die Komponenten 6 und 10 bis 13 als auch die Substratbasis 1 mit dem Verschiebetisch und/oder Roboter gekoppelt werden. Bei einem Anordnen der Komponenten 6 und 10 bis 13 an einem entsprechenden Verschiebetisch oder Roboter ist es vorteilhaft, fasergekoppelte Laser zu verwenden.Instead of a sliding table (with or without rotation axis), a robot can be used. Here, both the components 6 and 10 to 13 as well as the substrate base 1 be coupled with the translation table and / or robot. When arranging the components 6 and 10 to 13 at a corresponding translation table or robot, it is advantageous to use fiber-coupled lasers.

4a) skizziert noch einmal, wie über eine Veränderung des Abstandes a relativ zum Fokusabstand f (Variation des Abstandes des Substrats relativ zum Mikrolinsen-Array) die Strukturgröße, die der Substratbasis 1 und/oder dem Schichtsystem 2 einstrukturiert wird, geändert werden kann. 4b) bis f) zeigt, dass unterschiedliche Mikrolinsen-Arrays verwendet werden können: Linienerzeugende Mikrolinsen-Arrays mit zylindrischen (4b)), punkterzeugende Mikrolinsen mit gekreuzten zylindrischen (4c)) Mikrolinsen, hexagonalen (4d)) oder quadratischen (4e)) Linsenanordnungen und quadratische Mikrolinsen-Arrays (4f)). All dies Mikrolinsen-Arrays 6a bis 6b aus den 4b) bis 4f) können somit im in 3 gezeigten Aufbau verwendet werden. 4a) again outlines how about a change in the distance a relative to the focal distance f (variation of the distance of the substrate relative to the microlens array), the structure size, that of the substrate base 1 and / or the layer system 2 is restructured, can be changed. 4b) to f) shows that different microlens arrays can be used: Line-generating microlens arrays with cylindrical ( 4b) ), dot-producing microlenses with crossed cylindrical ( 4c) ) Microlenses, hexagonal ( 4d) ) or square ( 4e) ) Lens arrays and square microlens arrays ( 4f) ). All of these microlens arrays 6a to 6b from the 4b) to 4f) can thus be in 3 shown construction can be used.

Beim in den 3 und 4 gezeigten Aufbau lassen sich unterschiedliche Laserwellenlängen verwenden. Für gepulste Laser (mit Pulslängen z. B. im Nanosekunden-, Pikosekunden- oder Femtosekunden-Bereich) können verschiedene Prozesse wie Abtrag, Aufschmelzen, Phasenumwandlung, lokales Härten usw. bei der Ausbildung der Vertiefungsstruktur 3 in den Elementen 1, 2 erreicht werden. Ebenso sind direkte Oberflächenmodifikationen mit einem Laserpuls möglich. Die Anzahl der Laserpulse kann variiert werden, um die Form und Tiefe der Oberflächenmodifikationen 3 zu kontrollieren.When in the 3 and 4 shown construction can use different laser wavelengths. For pulsed lasers (with pulse lengths eg in the nanosecond, picosecond or femtosecond range), various processes such as erosion, reflow, phase transformation, local hardening, etc. can be used to form the well structure 3 in the elements 1 . 2 be achieved. Likewise, direct surface modifications are possible with a laser pulse. The number of laser pulses can be varied to suit the shape and depth of the surface modifications 3 to control.

Auch kann die Laserintensität variiert werden, um unterschiedliche Geometrien der Modifikationen 3 zu erhalten.Also, the laser intensity can be varied to different geometries of the modifications 3 to obtain.

5 zeigt einen Aufbau für eine direkte Laser-Interferenz-Strukturierung für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Festschmierstoffstruktur. Ein gepulster Laserstrahl 7 mit vordefinierter Intensität wird zunächst durch eine Vorrichtung 10 zur Kontrolle der Pulsanzahl (hier: mechanischer Shutter) gestrahlt (alternativ dazu kann auch ein kontinuierlicher Laserstrahl verwendet werden, in diesem Falle kann die Vorrichtung 10 gegebenenfalls entfallen). Im Strahlengang nach der Vorrichtung 10 ist ein Homogenisator (hier: eine zylindrische oder rechteckige Blende) 11 angeordnet. Der den Homogenisator verlassende Laserstrahl wird über ein Teleskopsystem 12, mit dem der Strahldurchmesser auf eine vordefinierte, gewünschte Größe (z. B. 5 mm) gebracht wird, gestrahlt. Dem Teleskopsystem 12 folgt eine Blende (z. B. Irisblende) oder eine Rechteckblende 13, um auf eine vordefinierte, gewünschte Form (z. B. rechteckig) und Strahlgröße zu kommen. 5 shows a structure for a direct laser interference patterning for the production of a solid lubricant structure according to the invention. A pulsed laser beam 7 with predefined intensity is first through a device 10 to control the number of pulses (here: mechanical shutter) blasted (alternatively, a continuous laser beam can be used, in this case, the device 10 possibly omitted). In the beam path after the device 10 is a homogenizer (here: a cylindrical or rectangular aperture) 11 arranged. The laser beam leaving the homogenizer is passed through a telescope system 12 , with which the beam diameter is brought to a predefined, desired size (eg 5 mm), blasted. The telescope system 12 follows an aperture (eg iris diaphragm) or a rectangular diaphragm 13 to arrive at a predefined, desired shape (eg rectangular) and beam size.

Im Strahlengang nach der Blende 13 folgt ein erster, hier auch einziger Strahlteiler 8a, mit dem der Laserstrahl 7 in zwei Teilstrahlen 7a und 7b aufgetrennt wird. Der erste Teilstrahl 7a wird über zwei in dessen Strahlengang angeordnete Strahlumlenker in Form von Spiegeln 9b und 9c umgelenkt und schließlich unter einem vordefinierten Winkel auf das Substrat 1 samt Schichtsystem 2 (hier nicht gezeigt) eingestrahlt. Die Substratbasis 1 ist hier, ähnlich wie in 3 gezeigt, auf einem Verschiebetisch 14 angeordnet. Der den Strahlteiler 8a verlassende zweite Teilstrahl 7b wird über einen weiteren Spiegel 9a umgelenkt und ebenfalls unter einem definierten Winkel auf das Substrat 1 und das Schichtsystem 2 eingestrahlt. Die beiden vorgenannten Einstrahlungswinkel der beiden Teilstrahlen 7a und 7b sind so ausgebildet, dass die beiden Teilstrahlen unter einem Winkel β von z. B. 30° aufeinander zulaufen und sich in einem Überlagerungsbereich U kreuzen bzw. überlagern. In diesem Überlagerungsbereich U, in dem sich die beiden Teilstrahlen 7a, 7b kreuzen, also überlagern, ist das Element 1, 2 angeordnet, in dessen Oberfläche die Vertiefungsstruktur 3 einzubringen ist. Der Winkel β zwischen den beiden Laserstrahlen 7a, 7b kann variiert werden, um Strukturen unterschiedlicher Periodizität zu erzeugen. Mithilfe des Verschiebetisches 14 kann ein Verschieben der Elemente 1, 2 erfolgen, sodass große, ebene wie nicht ebene (z. B. zylinderförmige) Oberflächen tiefenstrukturiert 3 werden können. Die Verschiebung kann sowohl orthogonal zur Strahlachse 7 (z. B lateral oder vertikal), parallel zur Strahlachse 7 und/oder aus einer Rotation der Elemente 1, 2 bestehen. Die laterale Ausdehnung l und/oder die Tiefe h der Strukturen 3 können über die Strahlintensität, Bestrahlungsdauer und/oder Pulsanzahl eingestellt werden.In the beam path after the aperture 13 follows a first, here also the only beam splitter 8a with which the laser beam 7 in two partial beams 7a and 7b is separated. The first partial beam 7a is arranged over two beam deflectors arranged in the beam path in the form of mirrors 9b and 9c deflected and finally at a predefined angle to the substrate 1 including layer system 2 (not shown here). The substrate base 1 is here, similar to in 3 shown on a sliding table 14 arranged. The the beam splitter 8a leaving second partial beam 7b gets over another mirror 9a deflected and also at a defined angle to the substrate 1 and the shift system 2 irradiated. The two aforementioned irradiation angle of the two partial beams 7a and 7b are formed so that the two partial beams at an angle β of z. B. 30 ° to each other and cross in a superposition area U or overlay. In this overlapping area U, in which the two partial beams 7a . 7b Cross, that is overlay, is the element 1 . 2 arranged in the surface of the recess structure 3 is to bring. The angle β between the two laser beams 7a . 7b can be varied to produce structures of different periodicity. Using the sliding table 14 can be a move of the elements 1 . 2 so that large, flat as well as non-planar (eg cylindrical) surfaces deep-structured 3 can be. The displacement can be both orthogonal to the beam axis 7 (eg lateral or vertical), parallel to the beam axis 7 and / or from a rotation of the elements 1 . 2 consist. The lateral extent l and / or the depth h of the structures 3 can be set via the beam intensity, irradiation duration and / or number of pulses.

8 skizziert den Überlagerungsbereich U aus 5 im Detail: Beide sich unter dem Winkel β überlagernde Strahlen 7a, 7b bilden im Überlagerungsbereich U, in dem die Oberfläche der Substratbasis 1 bzw. die Substratbasis 1 angeordnet ist, ein Interferenz-Muster aus, an dessen Maxima eine periodische Tiefenstrukturierung 3 des Substrats 1 erfolgt (an den zwischen den Maxima liegenden Knoten der Interferenz-Struktur erfolgt keine Tiefenstrukturierung des Substrats, da hier die einfallende Intensität niedriger ist (evtl. auch Null)). 8th outlines the overlay area U 5 in detail: Both rays overlapping at the angle β 7a . 7b form in the overlapping area U, in which the surface of the substrate base 1 or the substrate base 1 is arranged, an interference pattern at the maxima of a periodic deep structuring 3 of the substrate 1 (at the nodes of the interference structure lying between the maxima there is no deep structuring of the substrate, since here the incident intensity is lower (possibly also zero)).

Die in den 5 und 8 gezeigte direkte Laserstrahlinterferenzstrukturierungsmethode ermöglicht somit die Herstellung periodischer zweidimensionaler oder dreidimensionaler Mikrostrukturierungen auf nahezu allen Arten von Substratoberflächen und Bauteilgeometrien. Um eine Interferenzstruktur zu erzeugen, werden N (mit N ≥ 2) kollimierte und kohärente Laserstrahlen 7a, 7b, ... auf einer Oberfläche 1, 2 überlagert. Hiermit ergibt sich insbesondere auch der Vorteil, dass sowohl ebene, als auch nicht ebene, gekrümmte Oberflächen strukturiert werden können, da die Interferenz in dem gesamten überlappenden Volumen der einzelnen Teilstrahlen 7a, 7b, ... stattfindet.The in the 5 and 8th Thus, the direct laser beam interference patterning technique shown enables the production of periodic two-dimensional or three-dimensional microstructures on almost all types of substrate surfaces and component geometries. To generate an interference structure, N (with N ≥ 2) become collimated and coherent laser beams 7a . 7b , ... on a surface 1 . 2 superimposed. This also results in particular the advantage that both flat, and not flat, curved surfaces can be structured, since the interference in the entire overlapping volume of the individual partial beams 7a . 7b , ... takes place.

6 und 7 zeigen zwei weitere Aufbauten für direkte Laserinterferenz-Strukturierungen. Diese sind grundsätzlich wie der in 5 gezeigte Aufbau ausgebildet, sodass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden: Beim in 6 gezeigten Aufbau handelt es sich um einen Drei-Strahl-Aufbau, bei dem über zwei hintereinander in den Strahlengang des Laserstrahls 7 eingebrachte Strahlteiler 8a, 8b eine Aufspaltung in drei einzelne Teilstrahlen 7a, 7b und 7c erfolgt, die dann mithilfe entsprechender Spiegel 9a bis 9d aus drei unterschiedlichen Richtungen, also unter unterschiedlichen Winkeln auf das Substrat 1 eingestrahlt werden. Die drei Teilstrahlen 7a bis 7c überlappen sich somit ebenfalls in einem Überlagerungsbereich U, in dem das Substrat 1 angeordnet ist. 7 zeigt eine entsprechende Vier-Strahl-Anordnung, bei der über drei hintereinander im Strahlengang der Laserstrahlung 7 angeordnete Strahlteiler 8a bis 8c eine Aufsplittung des Strahls 7 in insgesamt vier unterschiedliche Teilstrahlen 7a bis 7d erfolgt, die wiederum mittels unterschiedlich angeordneter und ausgerichteter Strahlumlenker 9a bis 9e aus vier unterschiedlichen Richtungen auf das im Überlagerungsbereich U angeordnete Substrat 1 eingestrahlt werden. Auch hier kreuzen bzw. überlappen sich alle vier Einzelstrahlen 7a bis 7d im Überlagerungsbereich U. 6 and 7 show two further structures for direct laser interference patterning. These are basically like the ones in 5 shown construction, so that only the differences are described below: When in 6 shown construction is a three-beam structure, in which two successive in the beam path of the laser beam 7 introduced beam splitter 8a . 8b a split into three individual partial beams 7a . 7b and 7c done, then using appropriate mirror 9a to 9d from three different directions, ie at different angles to the substrate 1 be irradiated. The three partial beams 7a to 7c thus also overlap in a superposition area U, in which the substrate 1 is arranged. 7 shows a corresponding four-beam arrangement, in which over three consecutive in the beam path of the laser radiation 7 arranged beam splitter 8a to 8c a splitting of the beam 7 in a total of four different partial beams 7a to 7d takes place, in turn, by means of differently arranged and aligned beam deflector 9a to 9e from four different directions on the arranged in the overlay area U substrate 1 be irradiated. Here, too, all four individual rays intersect or overlap 7a to 7d in the overlay area U.

9 zeigt ein Beispiel für eine durch zwei einzelne Teilstrahlen (b) 7a, 7b erzeugte (a) linienartige Interferenzstruktur sowie ein weiteres Beispiel für eine durch Überlagerung bzw. Interferenz von insgesamt drei Teilstrahlen 7a bis 7c (d) erzeugte hexagonale punktartige Interferenzstruktur (c) (I = Intensität). 9 shows an example of one by two individual partial beams (b) 7a . 7b produced (a) line-like interference structure and another example of one by superposition or interference of a total of three sub-beams 7a to 7c (d) generated hexagonal point-like interference structure (c) (I = intensity).

10 zeigt ebenfalls Beispiele für Interferenzstrukturen durch Interferenz von zwei einzelnen Strahlen (d), von drei einzelnen Strahlen (e) oder von vier einzelnen Laserstrahlen (f): Durch Zwei-Strahl-Interferenz ergibt sich eine linienförmige Intensitätsverteilung I (a), durch Drei-Strahl-Interferenz bei symmetrischer Strahlkonfiguration die in 10(b) gezeigte Interferenzstruktur mit Interferenzmaxima gleicher Intensität und durch Vier-Strahl-Interferenz mit der in (f) gezeigten Strahlkonfiguration eine Interferenzstruktur I mit Maxima unterschiedlicher Intensität (c). 10 also shows examples of interference structures by interference of two individual beams (d), three individual beams (e) or four individual laser beams (f): Two-beam interference results in a linear intensity distribution I (a), by three Beam interference in symmetric beam configuration in 10 (b) shown interference structure with interference maxima of equal intensity and by four-beam interference with the beam configuration shown in (f) an interference structure I with maxima of different intensity (c).

11 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Interferenzstruktur durch Vier-Strahl-Interferenz (I = Intensität; x und y bezeichnen zwei orthogonale Richtungen in der Schichtebene des Schichtsystems 2 bzw. tangential zur Oberfläche der Substratbasis 1). 11 shows another example of an interference structure by four-beam interference (I = intensity, x and y denote two orthogonal directions in the layer plane of the layer system 2 or tangential to the surface of the substrate base 1 ).

12 bis 14 zeigen weitere Beispiele für Laserstrukturierungen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Interferenz-Methode oder unter Einsatz von Mikrolinsen-Arrays. Die Strukturierung kann mit unterschiedlichen Wellenlängen im UV-, im IR- oder im visuellen Bereich (beispielsweise 266 nm, 355 nm, 532 nm oder 1064 nm) erfolgen, indem ein oder mehrere Laserpulse mit Pulsdauern von einigen Femtosekunden bis hin zu mehreren Nanosekunden verwendet werden. Die Laserfluenz (auftreffende Energie pro Flächeneinheit) jedes einzelnen Laserpulses kann beispielsweise im Bereich von einigen mJ/cm2 bis hin zu mehreren J/cm2 variiert werden. In den gezeigten Beispielen der 12 u. 13 wurde ein gepulster 10 ns UV-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm verwendet, um die unterschiedlichen DLC-Schichtsysteme 2 auf Stahl und auf Silizium tiefenzustrukturieren 3, mit Energiedichten (Laserfluenz) zwischen 60 und 900 mJ/cm2. 12 to 14 show further examples of laser structuring according to the present invention using the interference method or using microlens arrays. The structuring can be carried out with different wavelengths in the UV, in the IR or in the visual range (for example 266 nm, 355 nm, 532 nm or 1064 nm) by using one or more laser pulses with pulse durations from a few femtoseconds to several nanoseconds , The laser fluence (incident energy per unit area) of each individual laser pulse can be varied, for example, in the range from a few mJ / cm 2 up to several J / cm 2 . In the examples shown the 12 u. 13 A pulsed 10 ns UV laser with a wavelength of 355 nm was used to detect the different DLC layer systems 2 Deep restructure on steel and on silicon 3 , with energy densities (laser fluence) between 60 and 900 mJ / cm 2 .

12 und 13 zeigen Beispiele der direkten Laserinterferenzstrukturierung.
12a): λ = 355 nm, Laserfluenz: 80 mJ/cm2, 1 Laserpuls, Pulsdauer: 10 ns, Periodenabstand d = 180 nm, Probe (Substratbasis und/oder Schichtsystem) 1, 2: 100 nm DLC-Schicht auf Silizium-Substrat (Rasterkraftmikroskopische Abbildung).
12b): λ = 355 nm, Laserfluenz: 100 mJ/cm2, 1 Laserpuls, Pulsdauer: 10 ns, Periodenabstand d = 240 nm, Probe 1, 2: 80 nm DLC-Schicht auf Silizium-Substrat (Rasterkraftmikroskopisches Bild).
13a): λ = 355 nm, Laserfluenz: 470 mJ/cm2, 1 Laserpuls, Pulsdauer: 10 ns, Periodenabstand d = 4.7 μm, Probe 1, 2: 2.5 μm DLC-Schicht auf Stahl-Substrat (Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme).
12 and 13 show examples of direct laser interference patterning.
12a) : λ = 355 nm, laser fluence: 80 mJ / cm 2 , 1 laser pulse, pulse duration: 10 ns, period spacing d = 180 nm, sample (substrate base and / or layer system) 1, 2: 100 nm DLC layer on silicon substrate ( Atomic force microscopic picture).
12b) : λ = 355 nm, laser fluence: 100 mJ / cm 2 , 1 laser pulse, pulse duration: 10 ns, period spacing d = 240 nm, sample 1, 2: 80 nm DLC layer on silicon substrate (atomic force microscope image).
13a) : λ = 355 nm, laser fluence: 470 mJ / cm 2 , 1 laser pulse, pulse duration: 10 ns, period spacing d = 4.7 μm, sample 1, 2: 2.5 μm DLC layer on steel substrate (scanning electron micrograph).

13b): Zeigt die Oberflächenprägung zweier orthogonal zueinander versetzter Linienstrukturen. Dabei wurden zwei Linienstrukturen nacheinander erzeugt, wobei vor dem Aufbringen der zweiten Linienstruktur das Substrat um 90° gedreht wurde. λ = 355 nm, Laserfluenz = 0.9 J/cm2, 50 Laserpulse pro Linienmuster, Pulsdauern: 10 ns, Periodenabstand d = 10 μm, Probe 1, 2: 2.5 μm DLC-Schicht auf Stahl-Substrat (Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme). 13b) : Shows the surface embossing of two orthogonal staggered line structures. Two line structures were generated one after the other, whereby the substrate was rotated by 90 ° before the application of the second line structure. λ = 355 nm, laser fluence = 0.9 J / cm 2 , 50 laser pulses per line pattern, pulse durations: 10 ns, period spacing d = 10 μm, sample 1, 2: 2.5 μm DLC layer on steel substrate (scanning electron micrograph).

13c): Zeigt die Oberflächenprägung zweier orthogonal zueinander versetzter Linienstrukturen. Dabei wurden zwei Linienstrukturen nacheinander erzeugt, wobei vor dem Aufbringen der zweiten Linienstruktur das Substrat um 90° gedreht wurde. λ = 355 nm, Laserfluenz = 470 mJ/cm2, 30 Laserpulse pro Linienmuster, Pulsdauern: 10 ns, Periodenabstand d = 10 μm, Probe 1, 2: 2.5 μm DLC-Schicht auf Stahl-Substrat (Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme). 13c) : Shows the surface embossing of two orthogonal staggered line structures. Two line structures were generated one after the other, whereby the substrate was rotated by 90 ° before the application of the second line structure. λ = 355 nm, laser fluence = 470 mJ / cm 2 , 30 laser pulses per line pattern, pulse durations: 10 ns, period spacing d = 10 μm, sample 1, 2: 2.5 μm DLC layer on steel substrate (scanning electron micrograph).

14 zeigt schließlich zwei weitere Beispiele für eine Tiefenstrukturierung 3 einer Probe 1, 2, die mittels eines Mikrolinsen-Arrays durchgeführt wurde. 14 finally shows two more examples of deep structuring 3 a sample 1, 2, which was carried out by means of a microlens array.

14a): λ = 266 nm, Laserfluenz (auftreffend auf dem Mikrolinsen-Array) = 60 mJ/cm2, 10 Laserpulse, Pulsdauern: 10 ns, Periodenabstand d = 120 μm, Lochdurchmesser l ca. 30 μm. Als Mikrolinsen-Array wurde ein punktgenerierendes Array mit quadratischer Gitterstruktur (120 μm Pitchgröße) eingesetzt. Bei der Probe 1, 2 handelt es sich um 2.5 μm DLC-Beschichtung auf einem Stahlsubstrat (optisches Mikroskopbild). 14a) : λ = 266 nm, laser fluence (impinging on the microlens array) = 60 mJ / cm 2 , 10 laser pulses, pulse durations: 10 ns, period spacing d = 120 μm, hole diameter l approx. 30 μm. The microlens array used was a point-generating array with a square lattice structure (120 μm pitch size). Sample 1, 2 is a 2.5 μm DLC coating on a steel substrate (optical microscope image).

14b): λ = 355 nm, Laserfluenz (beim Auftreffen auf das Mikrolinsen-Array) = 80 mJ/cm2, 10 Laserpulse, Pulsdauern: 10 ns, Periodenabstand d = 300 μm, Linienbreite bzw. laterale Ausdehnung der einstrukturierten Gräben l ca. 35 μm. Das verwendete Mikrolinsen-Array ist als Linienerzeuger ausgebildet (parallele Zylinderlinsen-Anordnung) mit 300 μm Pitchgröße. Probe 1, 2: 2,5 μm DLC-Schicht auf Stahlsubstrat (optisches Mikroskopbild). 14b) : λ = 355 nm, laser fluence (when hitting the microlens array) = 80 mJ / cm2, 10 laser pulses, pulse durations: 10 ns, period spacing d = 300 μm, line width or lateral extent of the structured trenches l approx. 35 μm. The microlens array used is designed as a line generator (parallel cylindrical lens arrangement) with a pitch of 300 μm. Sample 1, 2: 2.5 μm DLC layer on steel substrate (optical microscope image).

Claims (17)

Herstellungsverfahren für eine Festschmierstoffstruktur, wobei auf eine Substratbasis (1) und/oder verbunden mit einer Substratbasis (1) ein mindestens eine Schicht (2a) enthaltend oder bestehend aus diamantartigen/m Kohlenstoff DLC umfassendes Schichtsystem (2) ausgebildet wird, wobei entweder nur im Schichtsystem (2) oder sowohl im Schichtsystem (2), als auch in der Substratbasis (1) eine Vielzahl einzelner Vertiefungen (3a, 3b, ...), die zusammen eine Vertiefungsstruktur (3) ausbilden, ausgebildet wird, und wobei Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff (4) gefüllt werden, wobei der Abstand d (d1, d2) benachbarter Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) und/oder die Periodizität p der Vertiefungen (3a, 3b, ...) in der Schichtebene des Schichtsystems (2) zwischen 80 nm und 500 μm beträgt/betragen, wobei die Tiefenausdehnung h der Vertiefungen (3a, 3b, ...) zwischen 5 nm und 50 μm beträgt, wobei die laterale Ausdehnung l der Vertiefungen (3a, 3b, ...) in der Schichtebene des Schichtsystems (2) zwischen 10 nm und 250 μm beträgt und/oder wobei das Aspektverhältnis A = h/l von vorstehender Tiefenausdehnung h und vorstehender lateraler Ausdehnung l 0,1 bis 10 beträgt und die Laserbestrahlung der Substratbasis (1) oder des Schichtsystems (2) erfolgt, indem mehrere kohärente Laserstrahlen (7a, 7b, ...) in einem Überlagerungsbereich (U) unter vordefiniertem/n Winkel(n) zur Interferenz gebracht werden und indem die Substratbasis (1) oder das Schichtsystem (2) an einer vordefinierten Position in diesem Überlagerungsbereich (U) positioniert wird.Manufacturing method for a solid lubricant structure, wherein on a substrate basis ( 1 ) and / or connected to a substrate base ( 1 ) at least one layer ( 2a ) comprising or consisting of diamond-like / DLC carbon layer system ( 2 ), whereby either only in the layer system ( 2 ) or both in the shift system ( 2 ), as well as in the substrate base ( 1 ) a plurality of individual wells ( 3a . 3b , ...), which together form a specialization structure ( 3 ), and wherein depressions ( 3a . 3b , ...) of the specialization structure ( 3 ) partially with at least one solid lubricant ( 4 ), the distance d (d1, d2) of adjacent depressions ( 3a . 3b , ...) of the specialization structure ( 3 ) and / or the periodicity p of the recesses ( 3a . 3b , ...) in the layer plane of the layer system ( 2 ) is between 80 nm and 500 μm, the depth extent h of the depressions ( 3a . 3b , ...) is between 5 nm and 50 μm, the lateral extent l of the depressions ( 3a . 3b , ...) in the layer plane of the layer system ( 2 ) is between 10 nm and 250 μm and / or wherein the aspect ratio A = h / l of the above depth extension h and the protruding lateral extent l is 0.1 to 10 and the laser irradiation of the substrate base ( 1 ) or the layer system ( 2 ) is carried out by several coherent laser beams ( 7a . 7b , ...) are brought into interference in a superposition area (U) at a predefined angle (s) and in that the substrate base (FIG. 1 ) or the layer system ( 2 ) is positioned at a predefined position in this overlay area (U). Herstellungsverfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausbilden des Schichtsystem(s) (2) durch Laserbestrahlung der Substratbasis (1) Vertiefungen in eine Oberfläche (O1) der Substratbasis (1) so eingebracht werden und dass anschließend das Schichtsystem (2) so auf diese Oberfläche (O1) aufgebracht oder so mit dieser Oberfläche (O1) verbunden wird, dass in der Substratbasis (1), in dem Schichtsystem (2) oder in der der Substratbasis (1) abgewandten Oberfläche (O2) dieses Schichtsystems (2) die Vertiefungsstruktur (3) mit ihren Vertiefungen (3a, 3b, ...) entsteht, wobei bevorzugt nach der Laserbestrahlung eine oder mehrere Haftvermittlerschicht(en) auf die Oberfläche (O1) aufgebracht werden.Manufacturing method according to the preceding method claim, characterized in that before the formation of the layer system (s) ( 2 ) by laser irradiation of the substrate base ( 1 ) Depressions in a surface (O1) of the substrate base ( 1 ) are introduced so that then the layer system ( 2 ) is applied to this surface (O1) or connected to this surface (O1) in such a way that in the substrate base (O1) 1 ), in the layer system ( 2 ) or in the substrate base ( 1 ) facing away from the surface (O2) of this layer system ( 2 ) the specialization structure ( 3 ) with their depressions ( 3a . 3b , ...), wherein preferably after the laser irradiation one or more adhesion promoter layer (s) are applied to the surface (O1). Herstellungsverfahren nach dem vorvorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vertiefungslosen Oberfläche (O1) der Substratbasis (1) zunächst das Schichtsystem (2) ausgebildet wird, bevor durch Laserbestrahlung des aufgebrachten Schichtsystems (2) die Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) eingebracht werden, wobei vor dem Ausbilden des Schichtsystems (2) zunächst auf der Oberfläche (O1) der Substratbasis (1) eine Haftvermittlerschicht aufgebracht wird, bevor das Aufbringen des Schichtsystems (2) erfolgt.Manufacturing method according to the Vorvorhergehenden method claim, characterized in that on a recessless surface (O1) of the substrate base ( 1 ) first the layer system ( 2 ) is formed before, by laser irradiation of the applied layer system ( 2 ) the depressions ( 3a . 3b , ...) of the specialization structure ( 3 ), wherein before forming the layer system ( 2 ) first on the surface (O1) of the substrate base ( 1 ) a bonding agent layer is applied before the application of the layer system ( 2 ) he follows. Herstellungsverfahren nach einem der beiden vorhergehenden Verfahrensansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbestrahlung der Substratbasis (1) oder des Schichtsystems (2) erfolgt, indem ein Laserstrahl (5) durch ein Mikrolinsenarray (6) gestrahlt und hierdurch in mehrere Einzelstrahlen (5a, 5b, ...) aufgeteilt wird, die auf eine bevorzugt ebene Fläche (F) gestrahlt werden und indem die Substratbasis (1) oder das Schichtsystem (2) in Laserstrahlrichtung gesehen hinter dem Mikrolinsenarray (6) an einer vordefinierten Position positioniert wird, oder mehrere Laserstrahlen (7a, 7b, ...) mittels mindestens eines Strahlteilers (8a, 8b, ...) aus einem einzelnen, von einem Laser emittierten Laserstrahl (7) erzeugt und unter Verwendung mindestens eines Strahlumlenkers (9a, 9b, ...) in den Überlagerungsbereich (U) geführt werden.Manufacturing method according to one of the two preceding method claims 2 or 3, characterized in that the laser irradiation of the substrate base ( 1 ) or the layer system ( 2 ) is carried out by a laser beam ( 5 ) through a microlens array ( 6 ) and thereby into several individual beams ( 5a . 5b , ...), which are blasted onto a preferably flat surface (F) and the substrate base ( 1 ) or the layer system ( 2 ) seen in the laser beam direction behind the microlens array ( 6 ) is positioned at a predefined position, or multiple laser beams ( 7a . 7b , ...) by means of at least one beam splitter ( 8a . 8b , ...) from a single laser beam emitted by a laser ( 7 ) and using at least one beam deflector ( 9a . 9b , ...) into the overlay area (U). Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen und/oder Verbinden mindestens einer der Schichten (2a) des Schichtsystems, auf/mit die/der Substratbasis (1) und/oder das Aufbringen einer Haftvermittlerschicht auf die Substratbasis (1) mittels eines Beschichtungsverfahrens, das ausgewählt ist aus physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD), Magnetronsputtern und gepulsten Vakuumbogenverfahren, erfolgt.Manufacturing method according to one of the preceding method claims, characterized in that the application and / or bonding of at least one of the layers ( 2a ) of the layer system, on / with the substrate base ( 1 ) and / or the application of a primer layer to the substrate base ( 1 ) by means of a coating process selected from physical vapor deposition (PVD), plasma assisted chemical vapor deposition (PECVD), magnetron sputtering and pulsed vacuum arc processes. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vertiefung(en) (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) eingefüllter Festschmierstoff (4) nach dem Einfüllen getrocknet, ausgehärtet, gesintert oder gebrannt wird.Manufacturing method according to one of the preceding method claims, characterized in that in the recess (s) ( 3a . 3b , ...) of the specialization structure ( 3 ) filled solid lubricant ( 4 ) is dried after drying, cured, sintered or fired. Festschmierstoffstruktur hergestellt mit einem Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.A solid lubricant structure produced by a manufacturing method according to any one of the preceding claims. Festschmierstoffstruktur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass von der der Substratbasis (1) abgewandten Oberfläche (O2) des Schichtsystems (2) in Richtung hin zur dem Schichtsystem (2) abgewandten Seite der Substratbasis gesehen die Vertiefungen (3a, 3b, ...) ausgehend von dieser Oberfläche (O2) entweder lediglich innerhalb des Schichtsystems (2) verlaufen, oder vom Schichtsystem (2) bis hinein in die Substratbasis (1) verlaufen.Solid lubricant structure according to the preceding claim, characterized in that that of the substrate base ( 1 ) facing away from the surface (O2) of the layer system ( 2 ) towards the layer system ( 2 ) facing away from the substrate base seen the wells ( 3a . 3b , ...) starting from this surface (O2) either only within the layer system ( 2 ), or from the shift system ( 2 ) into the substrate base ( 1 ). Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich in mindestens einer der Schichten des Schichtsystems (2) zumindest Abschnitte der Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) ausgebildet sind, nicht jedoch in der Substratbasis (1), wobei die dem Schichtsystem (2) zugewandte, vertiefungslose Oberfläche (O1) der Substratbasis als ebene oder gekrümmte Fläche ausgebildet ist, oder dass sowohl in mindestens einer der Schichten des Schichtsystems (2), als auch in der dem Schichtsystem (2) zugewandten Oberfläche (O1) der Substratbasis (1) zumindest Abschnitte der Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) ausgebildet sind.Solid lubricant structure according to one of the preceding claims 7 or 8, characterized in that only in at least one of the layers of the layer system ( 2 ) at least portions of the recesses ( 3a . 3b , ...) of the specialization structure ( 3 ) are formed, but not in the substrate base ( 1 ), whereby the layer system ( 2 ), the recessless surface (O1) of the substrate base is formed as a flat or curved surface, or that in at least one of the layers of the layer system ( 2 ), as well as in the shift system ( 2 ) facing surface (O1) of the substrate base ( 1 ) at least portions of the recesses ( 3a . 3b , ...) of the specialization structure ( 3 ) are formed. Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine in einer Richtung (R1) periodisch ausgebildete Vertiefungsstruktur (3) oder eine in zwei zueinander unter einem Winkel (α) von ungleich 0°, bevorzugt von 90°, stehenden Richtungen (R1, R2) periodisch ausgebildete Vertiefungsstruktur (3) ausgebildet ist.Solid lubricant structure according to one of the preceding claims 7 to 9, characterized by a recessed structure formed periodically in one direction (R1) ( 3 ) or a recess structure formed periodically in two mutually at an angle (α) of not equal to 0 °, preferably of 90 °, (R1, R2) ( 3 ) is trained. Festschmierstoffstruktur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Vertiefungsstruktur (3) eine eine Vielzahl einzelner, linienförmiger, parallel zueinander und jeweils mit konstantem Grabenabstand (d, d1) voneinander verlaufende Gräben umfassende Grabenstruktur (G1) oder eine zwei solche sich unter einem Winkel (α) von ungleich 0°, bevorzugt von 90°, kreuzende Grabenstrukturen (G1, G2) mit gleichen oder unterschiedlichen Grabenabständen (d1, d2) aufweisende Struktur umfasst.Solid lubricant structure according to the preceding claim, characterized in that the periodic recess structure ( 3 ) one of a plurality of individual, linear, parallel to each other and each with a constant trench spacing (d, d1) extending trenches extending trench structure (G1) or a two such at an angle (α) of not equal to 0 °, preferably from 90 °, crossing Trench structures (G1, G2) having the same or different trench spacing (d1, d2) having structure. Festschmierstoffstruktur nach dem vorvorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dass die periodische Vertiefungsstruktur (3) eine eine Vielzahl von Löchern (LO) aufweisende, periodische Lochstruktur umfasst, wobei die Löcher (LO) dieser Lochstruktur in zwei zueinander unter einem Winkel (α) von ungleich 0° stehenden Richtungen (R1, R2) jeweils in periodischen Abständen (d1, d2) ausgebildet sind.Solid lubricant structure according to the preceding claim, characterized in that the periodic recess structure ( 3 ) comprises a periodic hole structure having a multiplicity of holes (LO), wherein the holes (LO) of this hole structure are arranged in two directions (R1, R2) which are at different angles (α) from directions other than 0 ° at periodic intervals (d1, d2) are formed. Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der diamantartigen Kohlenstoff DLC enthaltende oder daraus bestehende Schichten des Schichtsystems (2) eine amorphen Kohlenstoff enthaltende oder daraus bestehende Schicht ist. Solid lubricant structure according to one of the preceding claims 7 to 12, characterized in that at least one of the diamond-like carbon DLC-containing or consisting of layers of the layer system ( 2 ) is an amorphous carbon-containing or consisting of layer. Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dass mindestens eine der DLC enthaltenden oder daraus bestehende Schichten des Schichtsystem (2) als Gradientenschicht ausgebildet ist, wobei der Kohlenstoffanteil und/oder das Verhältnis von grafitartig zu diamantartig gebundenen Kohlenstoffatomen in Richtung senkrecht zur Schichtebene zur Substratbasis hin zu- oder abnimmt.Solid lubricant structure according to one of the preceding claims 7 to 13, characterized in that the at least one of the DLC-containing or consisting of layers of the layer system ( 2 ) is formed as a gradient layer, wherein the carbon content and / or the ratio of graphite-like diamond-like bonded carbon atoms in the direction perpendicular to the layer plane to the substrate base increases or decreases. Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Substratbasis (1) und der der Substratbasis (1) nächstliegenden Schicht des Schichtsystems (2) eine die Haftung des Schichtsystems (2) auf der Substratbasis (1) sicherstellende oder zumindest verbessernde Haftvermittlerschicht angeordnet ist.Solid lubricant structure according to one of the preceding claims 7 to 14, characterized in that between the substrate base ( 1 ) and the substrate base ( 1 ) nearest layer of the layer system ( 2 ) one the liability of the layer system ( 2 ) on the substrate base ( 1 ) is arranged ensuring or at least improving adhesion promoter layer. Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Festschmierstoff (4) mindestens eine(s/n) der folgenden chemischen Elemente, chemischen Verbindungen, Mineralien und/oder Stoffe und/oder eine Mischung daraus enthält oder daraus besteht: ein Sulfid eines Übergangsmetalls, insbesondere MoS2 und/oder WS2, ein Selenid eines Übergangsmetalls, insbesondere NbSe2, Graphit, einen Kunststoff oder Partikel davon, eine Keramik oder Partikel davon, oder ein Weichmetall oder Partikel davon, insbesondere Al, Cu und/oder Pb oder Legierungen davon.Solid lubricant structure according to one of the preceding claims 7 to 15, characterized in that the solid lubricant ( 4 ) contains or consists of at least one (s) of the following chemical elements, chemical compounds, minerals and / or substances and / or a mixture thereof: a sulfide of a transition metal, in particular MoS 2 and / or WS 2 , a selenide of a transition metal , in particular NbSe 2 , graphite, a plastic or particles thereof, a ceramic or particles thereof, or a soft metal or particles thereof, in particular Al, Cu and / or Pb or alloys thereof. Verwendung einer Festschmierstoffstruktur oder eines Herstellungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Bereich von zum Einsatz im Vakuum oder unter Schutzgas ausgebildeten mechanischen Komponenten, insbesondere Lagern, Getriebekomponenten, Führungen, Satellitenverstellsystemen oder Vakuumpumpen, im Bereich von tribologisch belasteten Teilen im Automobilbau, insbesondere Verteilerpumpen, Einspritzkomponenten, Ventiltriebkomponenten, Kolbenringen, Kolbenbolzen oder Getriebezahnrädern, oder im Bereich von trocken laufenden Reib-/Gleitpaarungen, insbesondere bei Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen oder im Flugzeugbau.Use of a solid lubricant structure or a production method according to one of the preceding claims in the range of mechanical components designed for use in a vacuum or under protective gas, in particular bearings, gear components, guides, satellite adjustment systems or vacuum pumps, in the field of tribologically stressed parts in the automotive industry, in particular distributor pumps, injection components, Valve train components, piston rings, piston pin or gear wheels, or in the range of dry-running friction / sliding pairings, especially in machine tools, textile machinery or aircraft.
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