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Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer Oberfläche, die von einem Partikel enthaltenden Gasstrom angeströmt oder umströmt und mit der ein Anhaften von Partikeln verhindert oder reduziert wird sowie ein Herstellungsverfahren dafür. Dabei kann es sich vorteilhaft um ein Bauelement einer Vakuumpumpe, einer Ablufteinrichtung, einer Klimaanlage, insbesondere ein Element eines Ventils, wie z.B. einen Ventilteller, das in einer solchen Einrichtung eingesetzt werden kann, handeln. Bei den in Rede stehenden Bauelementen muss auf den Einsatz einer Flüssigkeit und hier insbesondere von Wasser für eine Entfernung von Partikeln verzichtet werden.
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Adhäsion (von lateinisch adhaerere ,anhaften‘ oder,anhängen‘) beschreibt die Haftung zwischen Körpern verschiedener Art. Die Adhäsionsneigung bezeichnet den Grad der Anziehungskraft zwischen zwei verschiedenartigen Körpern. Ist die Rede von einer großen Adhäsionsneigung, haften die beiden Körper gut aneinander (z. B. Lack auf Fahrzeugkarosserie). Wird von einer geringen Adhäsionsneigung gesprochen, haften die beiden Körper schlecht oder gar nicht aneinander. Eine geringe Adhäsionsneigung hat daher eine Antihaftwirkung zur Folge. Die Adhäsionsneigung einer Oberfläche ist dabei im Wesentlichen von Material, Oberflächenbeschaffenheit auf mikroskopischen Level (Topografie), geometrischer Form der Oberfläche sowie der prozessbedingten Kinetik abhängig.
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In zahlreichen Industriezweigen kommt es prozessbedingt zu Anlagerungen von Kleinstpartikeln verschiedener Größe und Form auf dem Prozess zugänglichen Oberflächen. Dies kann einerseits im Falle von Beschichtungsprozessen, insbesondere Vacuum arc-Prozessen gewollt sein, um einen gezielten Schichtauftrag zu erreichen. Dies ist andererseits bei entstehenden prozessbedingten Schmutzpartikeln (als Nebenprodukte) nachteilig. Die genutzten Prozesse, bei denen das (un)kontrollierte Ablagern von Partikeln auftritt, können dabei sowohl auf abtragenden Verfahren wie Zerspanung oder Laserablation, aber auch aus auftragenden Verfahren, wie Beschichtungen oder additiver Fertigung gerichtet sein. Dabei ist es prozessabhängig, ob die für eine Oberfläche geltende Adhäsionsneigung als positiv oder negativ zu werten ist. Bei vielen Prozessen hat eine Ablagerung infolge anhaftender Partikel aber eine die Funktion be- oder gar verhindernde Wirkung.
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Beispielsweise werden in der Halbleiterindustrie alle vorwiegend nicht reinraumtauglichen Equipments (z.B. Vorvakuumpumpen, Scrubber, Reingungssysteme etc.) im sogenannten «Subfab» installiert. Im Subfab werden auch die Abgase und Nebenprodukte, die beim Herstellungsprozess entstehen gefiltert und freigesetzt.
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Bei einem plötzlichen Pumpenausfall (meistens Vorvakuumpumpe) im Subfab entsteht ein Rückfluss in der Pumpenleitung, der zur Prozesskammer (oberhalb vom Subfab) führt. Dieser Rückstrom bringt die Verunreinigungen und Nebenprodukte im Gasstrom in die Prozesskammer zurück, wodurch die Kammer verunreinigt wird. Diese Verunreinigung verursacht erhebliche Kosten durch die entstandenen Ausfallzeiten und einen Produktionsstopp, die für die Reinigung der Beschichtungsanlage benötigt werden. Ein sofort schließendes Ventil soll diesen Rückstrom verhindern. Dabei ist es wesentlich, die Funktion auch über die Betriebszeit zu gewährleisten. Im Betriebszustand befindet sich der Ventilteller im Gasstrom (Druckbereich 10E-3mbar), der der Verunreinigung und Nebenprodukten ausgesetzt ist. Bei einer Ablagerung auf der Telleroberfläche kann das dichte Schließen massiv beeinträchtigt werden, so dass bei einem Pumpenausfall, die Dichtfunktion des Ventils nicht mehr gewährleistet ist.
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Generell kann es vorteilhaft sein, dass entweder das selektive Anlagern von Partikeln auf Oberflächen zu verringern bzw. gänzlich zu vermeiden oder gegenteilig Oberflächen im Prozess existieren, die bedingt durch ihre erhöhte Adhäsionsneigung die im Prozess enthaltenden Schmutzpartikel sammeln. Im Fall eines Subfabs wird eine Oberfläche mit Antihafteigenschaften benötigt, die das Ablagern von Partikeln und Nebenprodukten auf dem Teller eines Ventils möglichst vollständig verhindern kann.
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Die Adhäsion von nicht-oberflächeninhärenten (d.h. nicht der ursprünglichen OF zugehörige) Partikeln auf Oberflächen aus einem gasförmigen Medium kann durch zwei fundamentale Ansätze, Oberflächenbeschichtung und - strukturierung, modifiziert werden.
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Zum Erreichen einer Antihaftwirkung einer Oberfläche sollte die Oberflächenbeschichtung eine möglichst geringe Adhäsionsneigung zwischen der Beschichtung und den Substanzen oder Medien, die sie berühren, zeigen. Dies kann bspw. durch das Nutzen unterschiedlicher Beschichtungen wie diamantartigen Kohlenstoffbeschichtungen (kurz: DLC), Ethylen-Tetrafluorethylen (kurz: ETFE), Polytetrafluorethylen (kurz: PTFE; bekannt auch als Teflon) oder verschiedene Silikone erreicht werden. In vielen Fällen zeigen die genutzten Beschichtungen jedoch eine unzureichende Langzeitwirkung, da sich Partikel und andere Nebenprodukte auf den Oberflächen trotzdem ablagern.
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Durch ein gezieltes Oberflächenstrukturieren können andererseits selbstreinigende Oberflächen realisiert werden, die auf dem Realisieren des Lotus-Effektes basieren. Die Oberflächenstrukturen (üblicherweise mit Merkmalen im Mikro- bis Nanometerbereich) können dabei bspw. elektrochemisch mittels Reverse-Pulse-Plating durch Variation der Pulslängen des Stromimpulses hergestellt werden [RPP]. Weitere Verfahren zum Ausprägen von Anti-Adhäsionseigenschaften einer Oberfläche nutzen dabei Laserstrahlung. In allen Fällen bewirken die erzeugten Oberflächenstrukturen im Wesentlichen eine Veränderung des Wasserkontaktwinkels, d.h. es wird eine gezielte Modifikation der Oberflächenbenetzungseigenschaft induziert, die mit einem flüssigen Medium wechselwirkt. Die gemessenen Wasserkontaktwinkel müssen, um einen Selbstreinigungseffekt und infolge eine Anti-Adhäsion von Wasser zu ermöglichen, einen kritischen statischen sowie dynamischen Kontaktwinkel überschreiten (statischer Kontaktwinkel > 150 °; dynamischer Kontaktwinkel < 10°). In einigen Fällen wird das Phänomen Selbstreinigung auch mit der Eigenschaft einer Oberfläche in Verbindung gebracht, bei dem lose aufliegende Schmutzpartikel durch dynamisches Wechselwirken zwischen abperlenden Wasserstropfen und aufliegendem Schmutz mitgerissen und abtransportiert werden.
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Für bestimmte Anwendungsfälle scheidet aber der Einsatz von Flüssigkeiten aus, da dies anwendungsspezifisch nicht möglich ist und eine Flüssigkeit einen unerwünschten Einfluss ausüben kann.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen eine Anhaftung von Partikeln, die in einem Gasstrom mitgeführt werden, an Oberflächen vermieden, zumindest erheblich behindert werden kann und ein Einsatz einer Flüssigkeit nicht erforderlich ist, um diesen Effekt zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Bauelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 7 definiert ein Verfahren zur Ausbildung einer Oberfläche eines Bauelements. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Die Idee zur Lösung der Problemstellung besteht darin, die Oberfläche der jeweiligen Oberfläche mittels definierten hierarchischen Mikrostrukturen unter Nutzung der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (engl. Direct Laser Interference Patterning - DLIP) in Kombination mit einer selbstorganisierten Oberflächenstruktur (engl. Laser-induced periodic surface structures - LIPSS) so zu strukturieren, dass:
- • sich weniger Nebenprodukte aus dem Partikel enthaltenden Gasstrom auf der jeweiligen Oberfläche ablagern
- • die Antihafteigenschaft der jeweiligen Oberfläche verbessert bzw. die Adhäsionsneigung der Oberfläche verringert wird
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Wichtig zu betonen ist, dass die Anhaftung der Partikel dabei direkt aus dem Gasstrom verhindert werden kann und nicht infolge von Effekten wie Superhydrophobizität (d.h. einem gezielten Benetzungszustand) abhängt, sondern primär mit der mechanischen Wechselwirkung bzw. einem „Interlocking“ zwischen jeweiligem Partikel und Oberfläche ver- bzw. behindert werden kann. Folglich kann die Problemstellung durch ein Reduzieren des für das Anhaftverhalten zur Verfügung stehenden Traganteils der jeweiligen Oberfläche erreicht werden.
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Das Herstellen der maßgeschneiderten, definierten und vielseitigen Oberflächentopografien zum Vermeiden der Partikelanhaftung kann dabei mittels DLIP-Verfahren realisiert werden. Die direkte Laserinterferenzstrukturierung erfolgt dabei mittels spezifisch aufeinander abgestimmter Optiken, die einen einzelnen Laserstrahl mittels Prismen, diffraktiver optischer Elemente, Spiegel oder optischer Linsen in mehrere Teilstrahlen aufteilt, die Teilstrahlen anschließend auf der Oberfläche eines Substrates überlappen und damit zur Interferenz gebracht werden.
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Das resultierende Interferenzmuster wird dabei verwendet, um im Bereich der Interferenzmaxima eine direkte Ablation der Oberfläche herbeizuführen. Die Bandbreite an realisierbaren Oberflächenstrukturen kann dabei durch die Wahl des jeweiligen DLIP-Setups (z.B. Wechsel zwischen 2- und 3-Strahlinterferenz; Änderung der Polarisation der einzelnen Teilstrahlen; Prozessstrategie) frei gewählt werden (siehe z.B.
DE 10 2018 200 036 B3 ). Die Geometrie der erzeugten Strukturelemente an der jeweiligen Oberfläche eines Bauelements lässt sich durch die Anzahl der verwendeten Teilstrahlen sowie deren Phase und Polarisation und insbesondere der Strukturperiode Λ des Interferenzmusters und damit auch der Strukturelemente weiter beeinflussen und folglich auf Größe und geometrische Form der Partikel optimieren. Zusätzlich kann in Abhängigkeit der Pulsdauer der verwendeten Laserquelle (insbesondere Ultrakurzpuls-Laserquelle - UKP) ein weiteres Erhöhen der Merkmalsdichte über die pulsdauerspezifische Laser-Material-Wechselwirkung durch Erzeugen von LIPSS, die mit der DLIP-Struktur eine hierarchische Oberflächenstruktur bilden, realisiert werden. So kann zwischen den DLIP- Strukturen eine weitere Struktur mit höherer Periodizität ausgebildet werden, wodurch Strukturmerkmale dichter angeordnet sind. D.h. zwischen den DLIP Strukturelementen befinden sich in einem solchen Fall noch kleinere periodisch angeordnete Strukturelemente (LIPSS), was zu einer größeren Merkmalsdichte führt. Es kann so eine sekundäre quasiperiodische Struktur mit einer Periode kleiner der Strukturperiode Λ mit der Strukturelemente durch Lasermaterialwechselwirkung ausgebildet sind, die gemeinsam mit den durch einer Interferenzstrukturierung ausgebildeten Strukturelementen eine hierarchische Struktur bilden, ausgebildet werden. Es kann aber auch eine Bauteiloberfläche so strukturiert werden, dass lediglich Strukturelemente mittels DLIP ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäß sind an der jeweiligen Oberfläche des Bauelements zumindest bereichsweise Oberflächenstrukturen mit alternierend nebeneinander angeordneten parallel zueinander ausgerichteten linienförmigen und/oder punktförmigen Strukturelemente in Form von Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet. Dabei sind die Strukturelemente mit einer Strukturperiode Λ mit jeweils gleichem Abstand zueinander ausgebildet, der kleiner als die mittlere Partikelgröße d50, der mit dem Gasstrom mitgeführten Partikel und dabei kleiner als 10 µm ist.
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Dabei sollte die Partikelgröße, der bei dem jeweiligen Prozess in dem entsprechenden Gasstrom enthaltenen Partikel, bevorzugt die mit dem größten Anteil im jeweiligen Gasstrom enthalten sind, berücksichtigt werden. Es kann aber auch die Partikelgröße der Partikel, die im Gasstrom enthalten sind und an der jeweiligen Oberfläche die größte bzw. eine große Adhäsionsneigung aufweisen, berücksichtigt werden, wenn unterschiedliche Partikel in dem jeweiligen Gasstrom mitgeführt werden.
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Unter der Strukturperiode Λ kann man auch den Abstand zwischen den von der Oberfläche weg weisenden Spitzen zweier nebeneinander angeordneten Erhebungen verstehen, zwischen denen eine Vertiefung ausgebildet worden ist. Unter Strukturtiefe sollte man den Abstand zwischen den von der Oberfläche einer Erhebung wegweisenden Spitze einer Erhebung und dem Boden oder Grund einer daneben angeordneten Vertiefung verstehen. Sowohl für die Strukturperiode Λ, wie auch die Strukturtiefe sollte generell der Mittelwert der Werte aller Strukturelemente berücksichtigt werden.
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An einer Oberfläche können diskret zueinander angeordnete Bereiche innerhalb derer linienförmige oder punktförmige Strukturelemente ausgebildet sind, vorhanden sein. Solche Bereiche können durch eine Oberflächenstrukturierung, bei der punktförmige Bearbeitungsbereiche einzeln an definierten Positionen gleichzeitig strukturiert werden, erhalten werden.
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Punktförmige Strukturelemente können in einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet sein. Allein oder zusätzlich dazu können linienförmige parallel zueinander ausgerichtete Strukturelemente in zwei unterschiedlichen Achsrichtungen ausgerichtet sein, die gemeinsam eine romben- oder kreuzförmige Oberflächenstruktur bilden.
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Bei überwiegend sphärischen Partikeln sollte die Strukturperiode Λ kleiner als bei überwiegend in einer Achsrichtung länger ausgebildeten Partikeln gewählt werden, was bedeutet, dass im erstgenannten Fall die Strukturperiode Λ in jedem Fall kleiner 10 µm sein sollte.
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Die Strukturtiefe der Strukturelemente sollte mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 5 % der jeweiligen Strukturperiode Λ entsprechen.
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So können beispielsweise Strukturelemente in Form von linien- oder kreuzförmig ausgebildeten Strukturelementen mit einer Strukturperiode Λ von beispielsweise 5 µm ausgewählt werden, damit die Merkmalsgröße auf der Oberfläche kleiner als die im Prozess vorherrschende Partikelgröße von Siliziumpartikeln, bei einem Vakuumprozess ist. Der Einsatz einer Laserquelle (UKZ-Laserquelle), die mit ultrakurzen Pulsen betrieben wird, kann Vorteile beim Ausprägen von Strukturelementen durch Kombination von DLIP/LIPSS bewirken.
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Es können unterschiedliche Werkstoffe mit denen eine entsprechende Oberfläche gebildet ist, strukturiert werden. Dies trifft daher auch auf Metalle zu.
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Die Strukturelemente können erfindungsgemäß mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung, bei der mindestens ein Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen geteilt wird, und die Teilstrahlen miteinander interferierend so auf die Oberfläche gerichtet werden, ausgebildet werden.
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Strukturelemente können bei der Durchführung des Verfahrens in mehreren in einem Abstand zueinander angeordneten Bearbeitungsbereichen sukzessive nacheinander nach einer entsprechenden Relativbewegung zwischen der jeweiligen Oberfläche und der Einrichtung, mit der die direkte Laserinterferenzstrukturierung durchgeführt wird, ausgebildet werden.
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Romben- oder kreuzförmige Strukturelemente können durch eine relative Rotationsbewegung zwischen der jeweiligen Oberfläche und der Einrichtung, mit der die direkte Laserinterferenzstrukturierung durchgeführt wird, in einem Bereich, der bei der in einem gemeinsamen Bearbeitungsbereich strukturiert worden ist, ausgebildet werden.
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Das Verfahren kann vorteilhaft mit Einhaltung mindestens eines der nachfolgenden Parameter:
- - Laserleistung des zu teilenden Laserstrahls im Bereich 0,1 kW bis 5 kW,
- - Größe einer Fläche eines punktförmigen Bearbeitungsbereiches im Bereich eines Durchmessers zwischen 10 µm und 12.000 um oder einer Flächendiagonale zwischen 10 µm und 12.000 um,
- - einer Repetitionsrate bei einem gepulsten Betrieb einer Laserquelle im Bereich 1 kHz bis 500 MHz,
- - einer Pulsenergie bei einem gepulsten Betrieb der Laserquelle im Bereich 50 uJ bis 300 J,
einer Strukturperiode Λ von 100 nm bis 200 um, - - einem Pulsüberlapp von -100% bis 99.99% und
- - einer Strukturtiefe von 100 nm bis 100 µm
durchgeführt werden. Mit Hilfe der ausgebildeten Strukturelemente wird die jeweilige effektive Kontaktfläche zwischen Partikeln und der jeweiligen Oberfläche, die mit dem Partikel enthaltenden Gasstrom in Kontakt gelangt, verkleinert. Je nach Verhältnis von Partikelgrößen und Strukturperiode Λ kann eine bessere oder schlechte Haftung erreicht werden. Partikel, deren Größe die Strukturperiode Λ übersteigt, weisen eine geringere effektive Kontaktfläche zur Bauteiloberfläche und damit eine reduzierte Haftung auf, während Partikel kleiner als die Strukturperiode Λ durch Verkantung mit den geometrischen Strukturelementen im Gegensatz dazu eine höhere Adhäsionswirkung aufweisen können.
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Bereits existierende Verfahren zur Selbstreinigung von Oberflächen durch Mikrostrukturen basieren auf dem Effekt der Hydrophobisierung von Oberflächen, auch als Lotuseffekt bekannt. Dieser tritt allerdings nur bei Benetzung der Oberfläche mit polaren Flüssigkeiten in Erscheinung und kann daher die selbstreinigenden Eigenschaften nur unter solchen Bedingungen entfalten. Der bei dieser Erfindung genutzte Effekt ist daher klar von selbstreinigenden Verfahren unter Nutzung des Lotuseffekts zu unterscheiden. Er beruht stattdessen auf dem Ausnutzen der geometrisch-mechanischen Anti-Sticking-Wirkung der Mikrostruktur für Partikelgrößen größer der Strukturperiode Λ.
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Das gezielte Aufbringen einer hierarchischen Struktur mittels Kombination von DLIP-Struktur und LIPSS kann dabei eine multiskale Anti-Sticking-Wirkung für mehrere Partikeldimensionen entfalten, ohne dass eine Flüssigkeit zur Abreinigung erforderlich ist, da bereits das Anhaften von Partikeln an der jeweiligen Oberfläche ver- bzw. behindert wird.
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Aufgrund der 3D-Geometrie von zu bearbeitenden Oberflächen kann der Strukturierungsprozess so durchgeführt werden, dass sich mittels Linear- und Rotationsachsen ein optimales Interferenzvolumen an jeder jeweiligen Position der jeweiligen Oberfläche ausbilden lässt. Hierfür können unterschiedliche Strukturierungsvarianten genutzt werden. So können parallel zueinander ausgerichtete linienförmige Strukturelemente in radialer Richtung ausgehend von einer inneren Position der jeweiligen Oberfläche bis an deren äußeren Rand ausgebildet werden. Dies kann punktweise mit stufenweiser Bewegung eines Bearbeitungsbereichs, bei dem gleichzeitig eine direkte Laserinterferenzstrukturierung innerhalb des jeweiligen punktförmigen Bearbeitungsbereichs und sukzessiver Verlagerung des punktförmigen Bearbeitungsbereichs bei einer radial nach innen oder außen gerichteten Relativbewegung von punktförmigem Bearbeitungsbereich und der jeweiligen Oberfläche des Bauelements erreicht werden.
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Punktförmige Bearbeitungsbereiche können aber auch in parallel zueinander ausgerichteten Achsen ausgebildet werden.
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Eine radiale Ausrichtung von linienförmigen Strukturelementen über einen großen Oberflächenbereich der jeweiligen zu beachtenden Oberfläche des Bauelements kann mittels einer Rotationsbewegung der jeweiligen Oberfläche um eine geeignet gewählte Rotationsachse erreicht werden. Die Position der Rotationsachse kann insbesondere durch den Mittel- oder Flächenschwerpunkt der jeweiligen Oberfläche geführt sein. Eine zweite Variante zur flächendeckenden Ausbildung linienförmiger Strukturelemente besteht in der ständigen Anpassung des Arbeitsbereiches durch die Bewegung des DLIP Moduls, mit dem die linien- oder punktförmigen Strukturelemente an der jeweiligen Oberfläche ausgebildet werden, mittels einer Bewegung in Z-Achsrichtung entlang der Geometrie der Fläche der jeweiligen zu bearbeitenden Oberfläche. Die Positionierung und Überlagerung innerhalb eines punktförmigen Bearbeitungsbereichs kann dabei mit einer translatorischen Linearbewegung in X- und Y-Richtung erreicht werden.
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Es können aber auch romben- oder kreuzförmige Strukturelemente ausgebildet werden, indem in einem punktförmigen Bearbeitungsbereich linienförmige Strukturelemente, die in unterschiedlichen Achsrichtungen zueinander ausgerichtet sind, ausgebildet werden. So können mehrere parallel zueinander ausgerichtete linienförmige Strukturelemente in einer gemeinsamen Achsrichtung und weitere parallel zueinander ausgerichtete linienförmige Strukturelemente in einer gemeinsamen Achsrichtung, die aber um einen Winkel von bevorzugt mindestens 30°, für kreuzförmige Strukturen 90° abweicht im selben punktförmigen Bearbeitungsbereich ausgebildet werden. Dazu kann die jeweilige Oberfläche um einen entsprechenden Winkel um eine Rotationsachse gedreht werden.
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Es können anstelle von oder zusätzlich zu linienförmigen Strukturelementen auch punktförmige Strukturelemente, bevorzugt in einer Reihen- und Spaltenanordnung an der jeweiligen Oberfläche genutzt werden. Dabei sollte auch eine Strukturperiode Λ eingehalten sein, mit der die mittlere Partikelgröße dso und die Geometrie der jeweils zu beachtenden Partikel berücksichtigt werden kann.
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Im Vergleich zum Stand der Technik ergeben sich folgende Vorteile:
- • Definierte periodische Oberflächenstrukturen können an die Größe und geometrische Form der jeweiligen Partikel angepasst werden
- • Eine Vor-und Nachbehandlung der zu strukturierenden Oberfläche ist nicht erforderlich
- • Es besteht eine extrem hohe Flexibilität der DLIP Parameter, riesiges potenzielles Parameterfenster
- • Es ist eine beschichtungslose Oberflächenbehandlung sowie eine hohe nutzbare Standzeit im Vergleich zu Beschichtungen erreichbar.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Oberfläche eines Tellers eines Ventils mit linienförmigen Strukturelementen innerhalb von Bereichen, die mit punktförmigen Bearbeitungsbereichen mit radialer Ausrichtung versehen ist;
- 2 eine Oberfläche eines Tellers eines Ventils mit linienförmigen Strukturelementen innerhalb von Bereichen, die mit punktförmigen Bearbeitungsbereichen mit paralleler Ausrichtung versehen ist;
- 3 eine Oberfläche eines Tellers eines Ventils mit kreuzförmigen Strukturelementen innerhalb von Bereichen, die mit punktförmigen Bearbeitungsbereichen mit paralleler Ausrichtung versehen ist und
- 4 eine Oberfläche, die mit punktförmigen Strukturelementen versehen ist, deren Strukturperiode Λ zu groß gewählt worden ist, so dass ein Partikel in einer der Vertiefungen haften konnte.
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Bei einem Bauteil aus Edelstahl wurde zur Ausbildung der Strukturelemente wie folgt vorgegangen:
- Für die Ausbildung kreuzförmiger Strukturelemente wird eine Anordnung, die zur direkten Laserinterferenzstrukturierung ausgebildet ist auf die gewünschte Periode eingestellt. Auf einem Dreiachssystem wird eine Rotationsachse mit Backenfutter montiert, auf dem das jeweilige Bauteil aus einem Stahlwerkstoff mit geeigneter Halterung eingespannt wird. Mittels Messuhr wird die Rundlaufabweichung auf ein Minimum reduziert. Die ideale Arbeitsposition wird auf einer Erhebung, die in der Mitte des Bauteils angeordnet ist, bestimmt. Anhand der Konstruktionszeichnung des Bauteils wird die ideale Arbeitsposition an jedem Punkt der zu strukturierenden Oberfläche des Bauteils relativ zur gemessenen Arbeitsposition in der Mitte der jeweiligen Bauteiloberfläche berechnet. Durch entsprechende Programmierung des Achssystems der Anordnung wird die Oberfläche des Bauteils in Linien aufgeteilt, die durch Relativbewegung des Bauteils durch Verfahren der horizontalen Achsen mit den Laserstrahlen bearbeitet werden. Dabei wird die Arbeitsposition dynamisch an die entsprechende Höhe der Bauteiloberfläche basierend auf den vorherigen Berechnungen angepasst, während die Bauteiloberfläche linienweise abgerastert wird. Auf der Basis von Vorversuchen werden hier geeignete Sturkturierungsparameter gewählt. Die Strukturperiode Λ der Strukturelemente wird beispielsweise auf 5 µm eingestellt. Es werden ein Pulsüberlapp von 99 % und ein Linienabstand von 200 µm bei einer Pulsrepetitionsrate von 5 kHz gewählt. Für die erste Strukturierung wird eine Laserleistung von 760 mW eingestellt. Nach beendeter Strukturierung der Bauteiloberfläche mit Linienstrukturen wird die Rotationsachse um 90° gedreht und der Vorgang mit einer niedrigen Laserleistung von 520 mW wiederholt, um Kreuzstrukturen auszubilden.
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Dieser Prozess kann durch Wahl entsprechender Parameter (erhöhte Laserleistung, erhöhte Repetitionsrate, Formung des Laserstrahls) hinsichtlich Durchsatz aufskaliert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018200036 B3 [0016]
