WO2011072664A1 - Struktur enthaltend einen festschmierstoff (festschmierstoffstruktur), insbesondere für eine vakuumtribologische anwendung ausgebildete festschmierstoffstruktur, und herstellungsverfahren derselben - Google Patents

Struktur enthaltend einen festschmierstoff (festschmierstoffstruktur), insbesondere für eine vakuumtribologische anwendung ausgebildete festschmierstoffstruktur, und herstellungsverfahren derselben Download PDF

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WO2011072664A1
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layer system
substrate base
layer
solid lubricant
laser
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Andrés Fabián LASAGNI
Volker Weihnacht
Teja Roch
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1095—Construction relative to lubrication with solids as lubricant, e.g. dry coatings, powder

Definitions

  • Solid lubricant structure Structure containing a solid lubricant (solid lubricant structure), especially for a vacuum-tribological application formed solid lubricant structure, and production process thereof
  • the present invention relates to a
  • a structure containing a solid lubricant in particular a solid lubricant structure designed for vacuum tribological applications, and a manufacturing method for such a solid lubricant structure.
  • 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).
  • the known technical solutions for tribologically stressed surfaces under unfavorable lubrication conditions usually use solid lubricants from the group of chalcogenides (eg MoS 2 , WS 2 , NbSe 2 ), in the form of a powder, a lubricating varnish or in other bonded form by manual application , Dipping, spraying or plasma coating on surfaces.
  • 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) zei ⁇ conditions.
  • a disadvantage of these solutions is on the one hand the low mechanical stability of the relatively soft solid lubricants and thus the .Materiallust, even at 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.
  • the USAGE ⁇ extension of the known technical solutions is at least critical to see under wech ⁇ selnden ambient conditions (for example between vacuum and air).
  • the object of the present invention is to be ⁇ starting a prior art, a solid lubricant structure (as well as a manufacturing method for such a structure) to provide, under any lubricated and unlubricated conditions a low coefficient of friction and low wear, as well as has sufficient mechanical Sti ⁇ ity that even with changing ambient conditions ⁇ (eg of air in vacuum or vice versa) without significant shortening their lifetime ein- can be made, which is easy to manufacture and which is insensitive to ionizing radiation, is thermally stable and shows a stable outgassing behavior.
  • ambient conditions ⁇ eg of air in vacuum or vice versa
  • 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).
  • DLC diamond-like carbon
  • the shift system can also have several sol- comprise diamond-like carbon-containing or consisting of individual layers.
  • solid lubricant eg MoS 2
  • the depth structuring or the surface modification takes place by means of a laser (laser structuring).
  • 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 well structure structured into the surface.
  • 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
  • recesses cavities such as trenches or the like
  • the considered structure eg individual layer
  • the underlying structure eg substrate or substrate base
  • a thickness variation or Well structure has. If, for example, a substrate that varies sinusoidally in its thickness is coated with a DLC layer of constant thickness, the minima of the sinusoidal profile not only form recesses of the substrate base, but also depressions of the DLC layer.
  • a solid lubricant structure thus comprises a substrate base (e.g., part of a tool surface) and a layer system formed adjacent to and / or bonded thereto.
  • the layer system contains at least one (possibly also several) layer (s) which consists of diamond-like carbon or contain this / contain.
  • 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.
  • at least some of the recesses are each at least partially filled with at least one solid lubricant.
  • the depression structure exclusively in the layer system (eg also bounded on both sides by further DLC monolayers without depressions), but it is also possible to provide depressions in the substrate base, for example in trench form, and the surface of the substrate base having the depressions then coated with the DLC coating system of constant thickness (so that the wells of the substrate base are transferred to the DLC coating system) and finally the wells in the DLC Fill layer system with the solid lubricant.
  • the depressions can thus run only within the layer system itself or from the
  • portions of the Vertiefun ⁇ gene only in the individual layers (or in the single layer) are formed in 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.
  • a periodic recess structure in the layer system and / or in the substrate base is realized in one direction or in two (eg perpendicular to one another) directions.
  • Particularly advantageous distances of adjacent individual depressions of such a depression structure corresponds to the periodicity of the depressions
  • particularly advantageous expansions of the depressions perpendicular to the layer plane or substrate surface (depth extent) particularly preferred lateral expansions (in the layer plane) of the individual wells and especially Advantageous aspect ratios will be described in detail below.
  • Under the aspect ratio of a depression is the ratio of their Tie ⁇ fenausdehnung (perpendicular to the layer plane) and. their lateral extent (in the layer plane) understood.
  • periodic depression structures are one-dimensional or two-dimensional (ie in the latter intersecting at an angle of, for example, 90 °) trench structures consisting of one Variety of individual, linear, parallel to each other and each with a constant trench spacing extending trenches.
  • 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).
  • the above-described layer system consists of exactly one single layer of diamond-like carbon DLC. It is the same. possible to form the layer system of several 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.
  • the individual carbon layer (s) may have a Vickers hardness between 1,000 HV and 8,000 HV and / or a layer thickness between 2 nm and 50 ⁇ .
  • 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.
  • To the. can be provided between the layers or the layer system and the substrate base adhesion promoter layers. The above-described depressions can then also be formed in these adhesion promoter layers.
  • a substrate base 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.
  • 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.
  • the substrate base for example, a micro- rolinsen array or using.
  • a direct laser interference method see below
  • the substrate base recesses parallelar ⁇ worked into the surface of the substrate base.
  • the DLC layer system can be deposited on the deep-structured surface of the substrate base (possibly after previous deposition of primer layers).
  • the depression structures of the substrate base in the form are also transferred unchanged to the layer system.
  • the solid lubricant are introduced.
  • the DLC layer system on a (eg flat or curved) surface of a recessless substrate base, before finally exposing the recesses of the recess structure to the layer system by laser irradiation of the layer system applied to the substrate base and / or the substrate base are introduced.
  • 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 monolayers can take place before finally the solid lubricant is introduced into the recesses produced by the laser patterning.
  • the laser irradiation of the substrate base and / or the layer system takes place in that a laser beam via a micro lens array (which separates the laser beam into a plurality of individual beams) on a defined area (nach ⁇ following: focus area) is blasted (advantageously focused).
  • the substrate base The layer system is then arranged behind the microlens array at a predefined position, viewed in the laser beam direction.
  • This position can lie gene in 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:
  • the lateral expansion from and / or the depth extent of the individual wells of the recess structure onstreetur Value can be set (minimum structure size in the arrangement of substrate base and / or
  • the substrate base and / or the layer system is hereby positioned at a predefined position in the interference or overlay region.
  • the desired (periodic) structures with the desired lateral extensions 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 with the aid of beam splitters and then beamed into the overlay area via beam deflectors (eg mirrors) from different directions or at the desired angles.
  • 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.
  • SchichtSystems on the substrate base (or on corresponding primer layers) by means of a coating process 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.
  • 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 well as a dipping of the in the substrate base and / or the
  • a planar or contoured surface of a component or of a tool can be used before or even after coating with a DLC.
  • Layer with a ⁇ - 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 the laser structuring according to the To perform deposition. In the latter case, after the laser structuring again DLC-coated.
  • the DLC coating can be made by PVD techniques (e.g., are evaporation or magnetron sputtering), by PECVD techniques, or by a combination of both.
  • Single layers, multiple layers or even gradient layers can be deposited as DLC layers.
  • layers of amorphous carbon e.g. of the type a-C, ta-C, a-C: H and / or ta-C: H as well as possibly doped with a metal or other elements types such.
  • these layers have a hardness between 1000 HV and 8000 HV and a layer thickness between 2 nm and 50 ⁇ .
  • Structures may be formed as follows:
  • Period p is equal to line distance d.
  • 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 sulfides (eg MoS 2 , WS 2 ), selenides (for example
  • 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).
  • 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).
  • Another advantage lies in the wide tolerance range of environmental conditions under which the surface according to the invention retains its sliding properties.
  • 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.
  • a reservoir of lubricant is provided which always provides the necessary lubricant even under unfavorable environmental conditions without being rapidly consumed.
  • 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 stressed components and components, in particular at Components ⁇ th and components, which are supplied due to heavy loads, constructive aspects or due to the prevailing environmental conditions otherwise insufficiently with lubricant.
  • the surfaces modified according to the invention or the solid lubricant structures according to the invention are suitable for mechanical components such as gears, 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).
  • solid lubricant structures according to the invention are tribologically highly stressed parts, e.g. in the automotive sector _ (distributor pumps, injection components, piston rings, piston pins, gears in gears).
  • dry-running friction / sliding pairings are fields of use for solid lubricant structures according to the invention.
  • Figure 1 shows the structure of two inventive solid lubricant structures.
  • Figure 2 shows various pit structure shapes of the present invention.
  • FIG. 3 shows a microlens array configuration for carrying out a production method according to the invention.
  • FIG. 4 shows different microlens arrays for the structure according to FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a direct laser interference patterning structure for a manufacturing method according to the present invention in a two-beam configuration.
  • Figure 6 shows a corresponding structure in three-beam configuration.
  • Figure 7 shows a corresponding structure in four-beam configuration.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the invention for producing a depression structure in a substrate base by laser interference.
  • FIGS 9 to 11 in two, three or four-beam configuration generated intensity pattern.
  • FIGS. 12 to 14 examples of DLC layer systems structured according to the invention.
  • a solid lubricant structure comprising a substrate base. made of hardened steel, eg 100Cr6, on which by means of a PVD coating process a 2.5 ⁇ thick homogeneous layer of Ta-C is deposited.
  • the substrate base hereinafter also referred to as a member
  • gerei ⁇ nigt in the usual manner and it is in the coating chamber, first a plasma cleaning and deposition of an adhesive ⁇ network layer performed before then finally the homogeneous layer of ta-C is coated.
  • the deposition of the ta-C layer is carried out with a pulsed vacuum arc method, for example with a laser arc method of a graphite cathode.
  • the coating is carried out with a plasma filter in order to deposit the smoothest possible layer.
  • the solid lubricant is applied to the surface structured in this way.
  • the application of the solid lubricant can be carried out in a conventional manner, as described, for example, in B. Bhushan, BK Gupta, Handbook of Tribology: Materials, Coatings and Surface Treatments. McGraw Hill Inc., New York 1991.
  • pasty solid lubricants are applied to rule with a brush or cloth, for example, bonded coatings (conventional example, lufttrock ⁇ designating bonded coatings based on MoS 2) are sprayed on the prescribed manner and sliding films are applied in accordance with the instructions by means of dipping method.
  • bonded coatings conventional example, lufttrock ⁇ designating bonded coatings based on MoS 2
  • sliding films are applied in accordance with the instructions by means of dipping method.
  • thermosetting products can also be used.
  • Excess solid lubricant, eg excess lubricating varnish can be removed by wiping off the structured surface, so that only in the formed depressions of the structured
  • Fig. 1 shows in cross section perpendicular through the
  • the ta-C layer 2a which here forms the single layer of the layer system 2 is first deposited on the steel substrate base 1 (after deposition of an adhesion promoter layer, not shown). Subsequently, a periodic recess structure 3 is patterned into the layer system 2 or the ta-C layer 2a by means of a laser beam, for example via a microlens array (see below).
  • the parameters of the laser irradiation are chosen such that the depressions 3a, 3b,... Of the depression structure 3 are formed exclusively in the ta-C layer 2a, ie do not extend to a depth in which the layer 2a faces Surface Ol of the substrate base 1 and the boundary between layer 2a and substrate base 1 is located.
  • the recess structure 3 which is periodic here comprises a multiplicity of individual, linearly extending, mutually parallel, arranged at constant distances d,. in the cross section rectangular-shaped trenches 3a, 3b, ... as wells.
  • the thickness of the ta-C layer 2a is here 2.5 ⁇
  • Fig. Lb shows a second example of a solid lubricant structure according to the invention in cross section; the structure here is basically the same as in the case shown in FIG. 1 a), so that only the differences will be described below.
  • Fig. Lb is not the layer system 2, but the substrate base 1 is patterned using the laser, before the adhesion promoter layer (not shown) and the layer system are applied ⁇ 2.
  • the bonding agent layer and the layer system 2 are used with constant layer thickness (here, for example, 1 .mu.m for the
  • FIG. 2 shows various periodic depression structures 3 that can be 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 layer system 2.
  • Fig. 2a shows a one-dimensional trench structure Gl in which a plurality of parallel trenches are spaced from each other.
  • the distance d immediately adjacent trenches or the periodicity p in the direction Rl perpendicular to the trench longitudinal axes for example, be between 1 ⁇ and 100 ⁇ .
  • the first trench structure G 1 (trench spacing d 1) can first be generated in the direction R 1 with the aid of a cylindrical lens microlens array are before the substrate base 1 is rotated by the layer system 2 by ⁇ , and then by re-laser irradiation through the cylindrical lens microlens array, the second trench structure G2 (trench spacing d2) in the direction R2 (which then rotated by ⁇ with respect to the direction Rl is) to generate.
  • Fig. 2d shows an example in which the recess structure 3 is not formed 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 here a two-dimensional periodicity of the recess structure in two mutually perpendicular directions Rl and R2 results (the hole spacing or the hole period dl in the direction Rl and the hole spacing or the hole period d2 in the direction R2 are identical here).
  • the laser beam 5 of this laser is here in pulsed form (however, a continuous laser beam can also be generated, the element 10 is omitted then) first by a device 10 for controlling the number of pulses, here ei ⁇ nen mechanical shutter blasted. Behind the mechanical shutter 10, a homogenizer 11 is arranged in the beam path of the laser beam 5.
  • the laser beam 5 of this laser is here in pulsed form (however, a continuous laser beam can also be generated, the element 10 is omitted then) first by a device 10 for controlling the number of pulses, here ei ⁇ nen mechanical shutter blasted.
  • a homogenizer 11 is arranged in the beam path of the laser beam 5.
  • Homogenizer consists of a system of optical elements, e.g. a top-has generate beam profile.
  • a telescope system 12 for controlling the or
  • a diaphragm here: iris diaphragm
  • a rectangular diaphragm 13 before the laser beam 5 finally strikes a microlens array 6.
  • the aperture 13 is used to reduce the beam outline and beam diameter of the laser beam 5 to a predetermined shape (e.g.
  • the microlens array 6 here is a cylindrical lens microlens array having a multiplicity of cylindrical lenses arranged in a plane parallel to one another and at constant distances from one another (the longitudinal axes of which are arranged perpendicular to the plane shown).
  • the individual cylindrical lenses of the microlens array 6 have a focal distance f.
  • the laser beam 5 is thus divided into a plurality of individual partial beams 5a, 5b, 5c, ..., which are focussed at a distance f behind the microlens array 6 on a flat surface F.
  • the substrate 1 with the layer system 2 (the latter is not shown here) is now aligned in such a way that the substrate base surface Ol and the layer system surface O 2 (see FIG. 1) are aligned by means of a displacement stage 14 movable in the three translational directions x, y and z of a Cartesian coordinate system ) are aligned parallel to the focal surface F.
  • the surface of the oil fall
  • the distance a between the microlens array 6 and the substrate base 1 can be changed: by moving the substrate base 1 by means of the displacement table 14 in the + z-direction, the focal plane F is moved behind the surface Ol of the substrate base 1 inside the substrate base 1; depressions 3a, 3b,... with enlarged lateral extent 1 are then produced. The same happens with a method in the -z direction, since the focal plane F then lies outside of the substrate 1 and before it.
  • the distance a can thus be selected to be greater or smaller than the focal distance f.
  • both the components 6 and 10 to 13 and the substrate base 1 can be coupled to the displacement table and / or robot.
  • fiber-coupled lasers it is advantageous to use fiber-coupled lasers.
  • microlens arrays can be used: line-generating microlens arrays with cylindrical (FIG. 4b)), point-producing microlenses with crossed cylindrical
  • FIG. 4c microlenses, hexagonal (Fig. 4d)) or square (Fig. 4e)) lens arrays and quadratic microlens arrays (FIG. 4f)). All of these microlens arrays 6a to 6b from FIGS. 4b) to 4f) can thus be used in the construction shown in FIG.
  • different laser wavelengths can be used.
  • pulsed lasers with pulse lengths, for example, in the nanosecond, picosecond, or femtosecond range
  • various processes such as ablation, reflow, phase transformation, local hardening, etc. can be achieved in the formation of well structure 3 in elements 1, 2.
  • direct surface modifications are possible with a laser pulse.
  • the number of laser pulses may be varied to control the shape and depth of the surface modifications 3.
  • the laser intensity can be varied to obtain different geometries of the modifications 3.
  • Fig. 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 a predefined intensity is first irradiated by a device 10 for controlling the number of pulses (here: mechanical shutter)
  • a continuous laser beam may be used, in which case device 10 may be omitted).
  • device 10 In the beam path after the device 10 is a homogenizer
  • the laser beam leaving the homogenizer is irradiated via a telescope system 12 with which the beam diameter is brought to a predefined, desired size (eg 5 mm).
  • the telescope system 12 is followed by a diaphragm (eg iris diaphragm) or a rectangular aperture 13 to arrive at a predefined desired shape (eg, rectangular) and beam size.
  • the first partial beam 7a is deflected via two beam deflectors arranged in its beam path in the form of mirrors 9b and 9c and finally irradiated at a predefined angle to the substrate 1 together with the layer system 2 (not shown here).
  • the substrate base 1 is here, as shown in Fig. 3, arranged on a translation stage 14.
  • the second partial beam 7b leaving the beam splitter 8a is deflected via a further mirror 9a and likewise irradiated onto the substrate 1 and the layer system 2 at a defined angle.
  • the two aforementioned irradiation angles of the two partial beams 7a and 7b are designed such that the two partial beams converge at an angle ⁇ of, for example, 30 ° to one another and intersect or overlap in an overlapping area U.
  • the element 1, 2 is arranged, in the surface of which the recess structure 3 is to be introduced.
  • the angle beta between the two laser beams 7a, 7b can be vari ⁇ ated to produce structures of different periodicity.
  • the elements 1, 2 can be displaced so that large, flat as well as non-planar (eg cylindrical) surfaces can be deeply structured 3.
  • the displacement can be either orthogonal to the beam axis 7 (eg lateral or vertical), parallel to the beam axis 7 and / or from a rotation of the elements. te 1, 2 exist.
  • the lateral extent 1 and / or the depth h of the structures 3 can be adjusted via the beam intensity, irradiation duration and / or number of pulses.
  • FIG. 8 outlines in detail the superposition area U of FIG. 5: Both beams 7a, 7b overlapping at the angle ⁇ form an interference pattern in the superposition area U, in which the surface of the substrate base 1 or the substrate base 1 is arranged at whose maxima a periodic depth structuring 3 of the substrate 1 takes place (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)).
  • the direct laser beam interference structuring method shown in FIGS. 5 and 8 thus makes it possible to produce periodic two-dimensional or three-dimensional microstructures on almost all types of substrate surfaces and
  • N (with N ⁇ 2) collimated and coherent laser beams 7a, 7b, ... are superimposed on a surface 1, 2.
  • 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.
  • Figures 6 and 7 show two further structures for direct laser interference patterning. These are basically designed like the construction shown in FIG. 5, so that only the differences are described below:
  • FIG. 5 In the construction shown in FIG it is a three-beam structure in which two successive introduced into the beam path of the laser beam 7 beam splitter 8a, 8b splitting into three individual partial beams 7a, 7b and 7c, then using corresponding mirror 9a to 9d of three different directions, ie at different angles to the substrate 1 are irradiated.
  • the three partial beams 7a to 7c thus also overlap in a superposition area U, in which the substrate 1 is arranged.
  • Fig. 10 also shows examples of interference structures by interference of two individual ones
  • Two-beam interference results in a linear intensity distribution I (a), by three-beam interference in symmetric beam configuration, the interference structure shown in Fig. 10 (b) 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).
  • FIGS. 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 one or more laser pulses with pulse durations of several
  • Femtoseconds can be used up 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 .
  • a pulsed 10 ns UV laser with a wavelength of 355 nm was used to cover the different DLC layer systems 2 on steel. and deep structure on silicon 3, with energy densities (laser fluence) between 60 and 900 mJ / cm 2 .
  • Figs. 12 and 13 show examples of direct laser interference patterning.
  • Fig. 13b Shows the surface embossing of two orthogonal staggered line structures.
  • FIG. 13c shows the surface embossing of two orthogonal staggered line structures.
  • FIG. 14 shows two further examples of a deep structuring 3 of a sample 1, 2, which was carried out by means of a microlens array.
  • ⁇ 266 nm
  • laser fluence (impinging on the microlens array) 60 mJ / cm 2
  • 10 laser pulses, pulse durations: 10 ns, period spacing d 120 ⁇ m
  • the microlens array used was a point-generating array with a square lattice structure (120 ⁇ " pitch size.)
  • Sample 1, 2 is a 2.5 ⁇ DLC coating on a steel substrate (optical microscope image).
  • ⁇ 355 nm
  • laser fluence (when hitting the microlens array) 80 mJ / cm 2
  • 10 laser pulses, pulse durations: 10 ns, period spacing d 300 ⁇ , line width or lateral extent of
  • the microlens array used is designed as a line generator (parallel cylindrical lens arrangement) with 300 ⁇ pitch size.
  • Sample 1, 2 2.5 ⁇ DLC layer on steel substrate (optical microscope image).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Festschmierstoffstruktur, insbesondere für eine vakuumtribologische Anwendung ausgebildete Festschmierstoffstruktur, mit einer Substratbasis (1) und einem angrenzend an diese und/oder verbunden mit dieser Substratbasis (1) ausgebildeten Schichtsystem (2), wobei dieses Schichtsystem (2) mindestens eine Schicht (2a) enthaltend oder bestehend aus diamantartigen/m Kohlenstoff DLC umfasst, wobei entweder im Schichtsystem (2) oder sowohl im Schichtsystem (2), als auch in der Substratbasis (1) eine Vielzahl einzelner, eine Vertiefungsstruktur (3) ausbildende Vertiefungen (3a, 3b,...) ausgebildet ist, und wobei mindestens eine der, bevorzugt mehrere der, bevorzugt alle der Vertiefungen (3a, 3b,...) zumindest teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff (4) gefüllt ist/sind.

Description

Struktur enthaltend einen Festschmierstoff (Festschmierstoffstruktur ) , insbesondere für eine vakuum- tribologische Anwendung ausgebildete Festschmierstoffstruktur, und Herstellungsverfahren derselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Struktur, die einen Festschmierstoff enthält, insbesondere auf eine für vakuumtribologische Anwendungen ausgebildete Festschmierstoffstruktur, sowie auf ein Herstellungsverfahren für eine solche Festschmierstoffstruktur .
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, Zürich, Switzerland, 4th to 6th October 1995, p. 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) zei¬ gen .
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 Verwen¬ dung der bekannten technischen Lösungen unter wech¬ selnden Umgebungsbedingungen (z.B. zwischen Vakuum und Luft) zumindest kritisch zu sehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausge¬ hend vom Stand der Technik, eine Festschmierstoff- struktur (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 Stabili¬ tät aufweist, die auch bei wechselnden Umgebungsbe¬ dingungen (z.B. von Luft in Vakuum oder umgekehrt) ohne deutliche Verkürzung ihrer Lebensdauer einge- setzt werden kann, die einfach hergestellt werden kann und die unempfindlich gegenüber ionisierender Strahlung ist, thermisch stabil ist und ein stabiles Ausgasungsverhalten zeigt.
Diese Aufgabe wird durch eine Festschmierstoffstruktur gemäß Anspruch 1 sowie ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Struktur und des Herstellungsverfahrens lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Erfindungemäße Verwendungen sind in Anspruch 16 beschrieben.
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 .
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, um- fasst. Das Schichtsystem kann dabei auch mehrere sol- che diamantartigen Kohlenstoff enthaltende oder daraus bestehende Einzelschichten umfassen. In die Vertiefungen wird Festschmierstoff (z.B. MoS2) eingebracht. Durch die Kombination einer Tiefenstrukturie- rung 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 Tiefen- strukturierung bzw. die Oberflächenmodifikation mittels eines Lasers (Laserstrukturierung) .
Die vorliegende Erfindung 1öst die vorstehende Aufga- be somit durch eine Kombination einer laserstruktu- rierten, DLC-beschichteten Oberfläche mit einem Fest- Schmierstoff, der in die Mikrovertiefungen der in die Oberfläche einstrukturierten Vertiefungsstruktur ein- gebracht wird.
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.
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.
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.
Es ist somit möglich, dass Abschnitte der Vertiefun¬ gen 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.
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 Tie¬ fenausdehnung (senkrecht zur Schichtebene) und. ihrer lateralen Ausdehnung (in der Schichtebene) verstanden.
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) .
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.
Vorteilhafterweise kann/können die einzelnen KohlenstoffSchicht (en) eine Vickershärte zwischen 1.000 HV und 8 000 HV und/oder eine Schichtdicke zwischen 2 nm und 50 μπι 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. 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.
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.
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 einer ersten vorteilhaften Herstellungsvariante ist es möglich, die Substratbasis (z.B. über ein Mik- rolinsen-Array oder auch mithilfe. eines direkten Laserinterferenzverfahrens, siehe nachfolgend) mit Laserstrahlung zu bestrahlen, um in die Oberfläche der Substratbasis erfindungsgemäß Vertiefungen einzuar¬ beiten. 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.
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 Abschei- dung einer oder mehrerer DLC-Einzelschichten erfolgen, bevor dann schließlich in die durch die Laser- strukturierung erzeugten Vertiefungen der Festschmierstoff eingebracht wird.
In einer vorteilhaften Variante erfolgt die Laserbestrahlung der Substratbasis und/oder des Schichtsystems dadurch, dass ein Laserstrahl über ein Mikrolin- sen-Array (das den Laserstrahl in mehrere Einzelstrahlen auftrennt) auf eine definierte Fläche (nach¬ folgend: Fokusfläche) gestrahlt wird (vorteilhafterweise fokussiert eingestrahlt wird) . Die Substratba- sis 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 lie gen: Je nach Einstellung kann damit die laterale Aus dehnung und/oder die Tiefenausdehnung der einzelnen Vertiefungen der Vertiefungsstruktur auf einen vorbe stimmten Wert eingestellt werden (minimale Strukturgröße bei Anordnung von Substratbasis und/oder
Schichtsystem im Bereich der Fokusfläche, mit wachsendem oder sinkendem Abstand zur Fokusfläche vergrö ßert sich die Ausdehnung der einstrukturierten Vertiefungen) .
Alternativ dazu ist es auch möglich, mehrere kohären te 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 ge wünschten (periodischen) Strukturen mit den gewünsch ten lateralen Ausdehnungen und/oder Tiefenausdehnungen realisiert werden. Die mehreren Laserstrahlen können dabei mithilfe von Strahlteilern erzeugt und dann über Strahlumlenker (z.B. Spiegel) aus verschie denen Richtungen bzw. unter den gewünschten Winkeln in den Überlagerungsbereich eingestrahlt werden. 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.
Vorteilhafterweise erfolgt das Aufbringen des
SchichtSystems auf die Substratbasis (oder auf entsprechende Haftvermittlerschichten) mittels eines Be- schichtungsverfahrens . Die chemische Gasphasenab- scheidung 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.
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 .
Nach dem Einbringen des Festschmierstoffs in die Vertiefungen kann eine Nachbehandlung in Form von Trocknen, Aushärten, Sintern und/oder Brennen erfolgen.
Erfindungsgemäß kann somit eine planare oder kontu- rierte Oberfläche eines Bauteils oder eines Werkzeugs vor oder auch nach der Beschichtung mit einer DLC- Schicht mit einer μιη- 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 La- serstrukturierung nach der Abscheidung durchzuführen. Im letzteren Fall kann nach der Laserstrukturierung erneut DLC-beschichtet werden.
Die DLC-Beschichtung kann mithilfe von PVD-Verfahren (z.B. Are-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 μπι auf.
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 di 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.
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. AI, 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. 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.
Ein weiterer Vorteil liegt in der großen Toleranzbreite von Umgebungsbedingungen, unter denen die erfindungsgemäße Oberfläche ihre Gleiteigenschaften beibehält.
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 Laserstrukturie- rung 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 Komponen¬ ten und Bauteilen, die aufgrund starker Belastungen, konstruktiver Aspekte oder aufgrund der herrschenden Umgebungsbedingungen ansonsten nur unzureichend mit Schmierstoff versorgt werden, eingesetzt werden. Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäß modifizierten Oberflächen bzw. die erfindungsgemäßen Festschmierstoffstrukturen für mechanische Komponenten wie L ger, 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) .
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 .
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 den Aufbau zweier erfindungsgemäßer Festschmierstoffstrukturen .
Figur 2 verschiedene Vertiefungsstrukturformen der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 eine Mikrolinsen-Array-Konfiguration zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
Figur 4 verschiedene Mikrolinsen-Arrays für den Aufbau gemäß Figur 3. Figur 5 einen direkten Laser-Interferenz- Strukturierungsaufbau für ein Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in Zwei-Strahl- Konfiguration.
Figur 6 einen entsprechenden Aufbau in Drei-Strahl- Konfiguration.
Figur 7 einen entsprechenden Aufbau in Vier-Strahl- Konfiguration.
Figur.8 eine Prinzipskizze zur erfindungsgemäßen Erzeugung einer Vertiefungsstruktur in einer Substratbasis durch Laser-Interferenz.
Figuren 9 bis 11 in Zwei-, Drei- oder Vier-Strahl- Konfiguration erzeugte Intensitätsmuster.
Figuren 12 bis 14 Beispiele für erfindungsgemäß strukturierte DLC-Schichtsysteme .
Sofern nachfolgend nichts anderes gesagt ist, bezie¬ hen 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 μπι dicke homogene Schicht aus ta-C abgeschieden ist. Vor dem Abscheiden wird die Substratbasis (nachfolgend auch als Bauteil bezeichnet) in üblicher Weise gerei¬ nigt und es wird in der Beschichtungskammer zunächst eine Plasmareinigung und eine Abscheidung einer Haft¬ vermittlungsschicht 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.
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 treat- ments",. McGraw Hill Inc., New York 1991, beschrieben. So werden beispielsweise pastenförmige Festschmierstoffe nach Vorschrift mit Pinsel oder Lappen aufgetragen, Gleitlacke (z.B. konventionelle, lufttrock¬ nende 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.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt senkrecht durch die
Schichtsystemebene (hier: Ebene der ta-C-Schicht ) zwei verschiedene erfindungsgemäße FestSchmierstoff- strukturen . Beim in Fig. la) 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 Ol der Substratbasis 1 bzw. die Grenze zwischen Schicht 2a und Substratbasis 1 liegt.
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 μπι, die Tiefe h der Vertiefungen 3a, 3b, ... senkrecht zur Schichtebene 1,25 μπι, der Abstand d zweier benachbarter Gräben 3a, 3b, ... (also die Periodizität p=d) beträgt hier 10 μπι und die laterale Ausdehnung 1 der Gräben in der Schichtebene und senk¬ recht zur Grabenlängsachse beträgt hier 1 = 5 μπι (die Darstellung ist somit nicht maßstabsgerecht) .
Nach Einbringen der Vertiefungsstruktur 3 in die Schicht 2a erfolgt ein Eintrag des Festschmierstoffs 4 in Form von z.B. M0S2 in die einzelnen Vertiefungen 3a, 3b, ... wie vorbeschrieben. Die Vertiefungen sind hier vollständig mit Festschmierstoff 4 aufgefüllt. Festschmierstoff, der über die substratbasisabgewand- te Seite (Oberfläche 02) des Schichtsystems 2 übersteht, wird entfernt.
Fig. lb) zeigt ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Festschmierstoffstruktur im Querschnitt; der Aufbau ist hier grundsätzlich wie beim in Fig. la) gezeigten Fall, sodass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden.
In Fig. lb) 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 pm für die
Schicht 2a) auf der bereits strukturierten, also mit Vertiefungen versehenen Oberfläche Ol 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 1) werden vollständig mit Festschmierstoff 4 gefüllt; über die substratabgewandte Oberfläche 02 des
Schichtsystems 2 hinaus stehender Festschmierstoff wird entfernt.
Fig. 2 zeigt verschiedene periodische Vertiefungsstrukturen 3, die durch Laserstrukturierung und parallel zur Schichtebene und/oder den Oberflächen Ol und 02 verlaufend in der Substratbasis 1 und/oder im Schichtsystem 2 ausgebildet werden können. So zeigt Fig. 2a) eine eindimensionale Grabenstruktur Gl, bei der eine Vielzahl von parallelen Gräben beabstandet voneinander verläuft. Der Abstand d unmittelbar benachbarter Gräben bzw. die Periodizität p in Richtung Rl senkrecht zu den Grabenlängsachsen kann beispielsweise zwischen 1 μπι und 100 μπι betragen.
Fig. 2b) zeigt eine Überlagerung zweier solcher Grabenstrukturen unter einem Winkel α Φ 0° (hier: α = 70°): Beispielsweise kann zunächst mithilfe eines Zy- linderlinsen-Mikrolinsen-Arrays die erste Grabenstruktur Gl (Grabenabstand dl) in Richtung Rl 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 Rl gedreht ist) zu erzeugen.
Fig. 2c) zeigt den Fall aus Fig. 2b) , bei dem α = 90° ist, also zwei senkrecht zueinander ausgerichtete und in der Substratbasis 1 und/oder dem Schichtsystem 2 ausgebildete Grabenstrukturen Gl, G2 (Kreuzgitter) .
Fig. 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 Rl und R2 ergibt (der Lochabstand bzw. die Lochperiode dl in Richtung Rl und der Lochabstand bzw. die Lochperiode d2 in Richtung R2 sind hier identisch) . Beispielsweise ist dl = d2 = 150 μπι und es werden ein Lochdurchmesser 1 in der Schichtebene von 30 μηα und eine Lochtiefe h senk¬ recht zur Schichtebene von 10 μπι gewählt. Das Aspektverhältnis a = h/1 = 10 μιη/30 μπι beträgt somit 0.3.
Fig. 2e) zeigt einen weiteren Fall einer periodischen Lochstruktur wie in Fig. 2d) , wobei hier jedoch die beiden Richtungen Rl und R2, in denen die einzelnen Löcher LO jeweils in periodischen Abständen in Reihen angeordnet sind, nicht senkrecht aufeinander stehen, sondern einen Winkel von = 70° ausbilden.
Fig. 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 ei¬ nen 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 Mikrolin- sen-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 Fig. 3 gezeigt gewählt werden. Gegebenenfalls kann auf die Elemente 10 bis 13 verzichtet werden.
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 Mikro- linsen-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 .
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 Ol und die Schichtsystemoberfläche 02 (vgl. Fig. 1) parallel zur Fokusfläche F ausgerichtet sind. Im gezeigten Fall fallen die Oberfläche Ol 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 Ol) . 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.
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 Verschiebe- tisches 14 in +z-Richtung wird die Fokusebene F hinter die Oberfläche Ol der Substratbasis 1 ins Innere der Substratbasis 1 verschoben; es werden dann Vertiefungen 3a, 3b, ... mit vergrößerter lateraler Ausdehnung 1 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.
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.
Fig. 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. Fig. 4b) bis f) zeigt, dass unterschiedliche Mikrolinsen- Arrays verwendet werden können: Linienerzeugende Mik- rolinsen-Arrays mit zylindrischen (Fig. 4b)), punkterzeugende Mikrolinsen mit gekreuzten zylindrischen
(Fig. 4c) ) Mikrolinsen, hexagonalen (Fig. 4d) ) oder quadratischen (Fig.4e)) Linsenanordnungen und quadra- tische Mikrolinsen-Arrays (Fig. 4f ) ) . All dies Mikro- linsen-Arrays 6a bis 6b aus den Fig. 4b) bis 4f) können somit im in Fig. 3 gezeigten Aufbau verwendet werden.
Beim in den Fig. 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. Auch kann die Laserintensität variiert werden, um unterschiedliche Geometrien der Modifikationen 3 zu erhalten.
Fig. 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.
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 Fig. 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 ß 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 ß zwischen den beiden Laserstrahlen 7a, 7b kann vari¬ iert 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 Elemen- te 1, 2 bestehen. Die laterale Ausdehnung 1 und/oder die Tiefe h der Strukturen 3 können über die Strahlintensität, Bestrahlungsdauer und/oder Pulsanzahl eingestellt werden.
Fig. 8 skizziert den Überlagerungsbereich U aus Fig. 5 im Detail: Beide sich unter dem Winkel ß 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 Tiefen- strukturierung 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)).
Die in den Fig. 5 und 8 gezeigte direkte Laserstrahl- interferenzstrukturierungsmethode 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.
Fig. 6 und 7 zeigen zwei weitere Aufbauten für direkte Laserinterferenz-Strukturierungen. Diese sind grundsätzlich wie der in Fig. 5 gezeigte Aufbau ausgebildet, sodass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden: Beim in Fig. 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. Fig. 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 er¬ folgt, 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 Ü.
Fig. 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 hexago- nale punktartige Interferenzstruktur (c) (I = Intensität ) .
Fig. 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 In- tensitätsverteilung I (a) , durch Drei-Strahl- Interferenz bei symmetrischer Strahlkonfiguration die in Fig. 10 (b) gezeigte Interferenzstruktur mit In- terferenzmaxima gleicher Intensität und durch Vier- Strahl-Interferenz mit der in (f) gezeigten Strahlkonfiguration eine Interferenzstruktur I mit Maxima unterschiedlicher Intensität (c) .
Fig. 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).
Fig. 12 bis 14 zeigen weitere Beispiele für Laser- strukturierungen 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 Figuren 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.
Fig. 12 und 13 zeigen Beispiele der direkten Laserinterferenzstrukturierung . Fig. 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 (Raster- kraftmikroskopische Abbildung) .
Fig. 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) .
Fig. 13a): λ = 355 nm, Laserfluenz: 470 mJ/cm2, 1 Laserpuls, Pulsdauer: 10 ns, Periodenabstand d = 4.7 μπι, Probe 1, 2: 2.5 μπι DLC-Schicht auf Stahl-Substrat (Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) .
Fig. 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 μιη, Probe 1, 2: 2.5 ym DLC-Schicht auf Stahl-Substrat (Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) .
Fig. 13c): Zeigt die Oberflächenprägung zweier orthogonal zueinander versetzter Linienstrukturen. Dabei wurden zwei Linienstrukturen nacheinander erzeugt, wobei vor dem Aufbringen der zweiten Linien¬ struktur das Substrat um 90° gedreht wurde, λ = 355 nm, Laserfluenz = 470 mJ/cm2, 30 Laserpulse pro Li¬ nienmuster, Pulsdauern: 10 ns, Periodenabstand d = 10 μιη, Probe 1, 2: 2.5 μιη DLC-Schicht auf Stahl-Substrat (Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) . Fig. 14 zeigt schließlich zwei weitere Beispiele für eine Tiefenstrukturierung 3 einer Probe 1, 2, die mittels eines Mikrolinsen-Arrays durchgeführt wurde.
Fig. 14a) : λ = 266 nm, Laserfluenz (auftreffend auf dem Mikrolinsen-Array) = 60 mJ/cm2, 10 Laserpulse, Pulsdauern: 10 ns, Periodenabstand d = 120 μπι, Lochdurchmesser 1 ca . 30 μπι. Als Mikrolinsen-Array wurde ein punktgenerierendes Array mit quadratischer Gitterstruktur (120 μπι "Pitchgröße ) eingesetzt. Bei der Probe 1, 2 handelt es sich um 2.5 μπι DLC-Beschichtung auf einem Stahlsubstrat (optisches Mikroskopbild) .
Fig. 14b) : ^ = 355 nm, Laserfluenz (beim Auftreffen auf das Mikrolinsen-Array) = 80 mJ/cm2, 10 Laserpulse, Pulsdauern: 10 ns, Periodenabstand d = 300 μπι, Linienbreite bzw. laterale Ausdehnung der
einstrukturierten Gräben 1 ca. 35 μπι. Das verwendete Mikrolinsen-Array ist als Linienerzeuger ausgebildet (parallele Zylinderlinsen-Anordnung) mit 300 μπι Pitchgröße. Probe 1, 2: 2,5 μιη DLC-Schicht auf Stahlsubstrat (optisches Mikroskopbild) .

Claims

Patentansprüche
1. Festschmierstoffstruktur, insbesondere für eine vakuumtribologische Anwendung ausgebildete Festschmierstoffstruktur, mit einer Substratbasis (1) und einem angrenzend an diese und/oder verbunden mit dieser Substratbasis (1) ausgebildeten Schichtsystem (2), wobei dieses Schichtsystem (2) mindestens eine Schicht (2a) enthaltend oder bestehend aus diamantartigen/m Kohlenstoff DLC umfasst, 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 ist, und wobei mindestens eine der, bevorzugt mehrere der, bevorzugt alle der Vertiefungen (3a, 3b, ...) zumindest teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff (4) gefüllt ist/sind.
2. Festschmierstoffstruktur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass von der der Substratbasis (1) abgewandten Oberfläche (02) des Schichtsystems (2) in Richtung hin zur dem Schichtsystem (2) abgewandten Seite der Substratbasis gesehen die Vertiefungen (3a, 3b, ...) ausgehend von dieser Oberfläche (02) entweder lediglich innerhalb des Schichtsystems (2) verlaufen, oder vom Schichtsystem (2) bis hinein in die Substratbasis (1) verlaufen.
Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich in mindestens einer der, bevorzugt in mehreren der, bevorzugt in allen 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 (Ol) der Substratbasis bevorzugt als ebene oder gekrümmte Fläche ausgebildet ist, oder dass sowohl in mindestens einer der, bevorzugt in mehreren der, bevorzugt in allen Schichten des Schichtsystems (2), als auch in der dem Schichtsystem (2) zugewandten Oberfläche (Ol) der Substratbasis (1) zumindest Abschnitte der Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) ausgebildet sind.
Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine periodische Vertiefungsstruktur (3), insbesondere eine in der Schichtebene des Schichtsystems (2) gesehen in einer Richtung (Rl) periodisch ausgebildete Vertiefungsstruktur (3) oder eine in zwei zueinander unter einem Winkel ( a ) von ungleich 0°, bevorzugt von 90°, stehenden Richtungen (Rl, R2) periodisch ausgebildete Ver- tiefungsstruktur (3), und/oder dadurch, dass der Abstand d (dl, 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 μπι, bevorzugt zwischen 0,5 μπι und 200 μιη, beträgt/betragen, dass die Tiefenausdehnung h der Vertiefungen (3a, 3b, ...) zwischen 5 nm und 50 μτα, bevorzugt zwischen 100 nm und 10 μιτι, beträgt, dass die laterale Ausdehnung 1 der Vertiefungen (3a, 3b, ...) in der Schichtebene des Schichtsystems (2) zwischen 10 nm und 250 pm, bevorzugt zwischen 100 nm und 100 m, beträgt, und/oder dass das Aspektverhältnis A=h/1 von vorstehender Tiefenausdehnung h und vorstehender lateraler Ausdehnung 1 bis 10, bevorzugt zwischen 0.1 und 3 beträgt.
5. 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, dl) voneinander verlaufende Gräben umfassende Grabenstruktur (Gl) oder eine zwei solche sich unter einem Winkel ( a ) von ungleich 0°, bevorzugt von 90°, kreuzende Grabenstrukturen (Gl, G2) mit gleichen oder unterschiedlichen Grabenabständen (dl, d2) aufweisende Struktur umfasst , und/oder dass die periodische Vertiefungsstruktur (3) eine eine Vielzahl von Löchern (LO) aufweisende, periodische Lochstruktur umfasst, wobei bevorzugt die Löcher (LO) dieser Lochstruktur in zwei zueinander unter einem Winkel (a) von ungleich 0°, bevorzugt von zwischen 45° und 90° einschließlich der Grenzen von 45° und 90°, stehenden Richtungen (Rl, R2) jeweils in periodischen Abständen (dl, d2) ausgebildet sind.
Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Schichtsystem (2) entweder aus genau einer Einzelschicht (2a) enthaltend oder bestehend aus diamantartigen/m Kohlenstoff DLC oder aus mehreren Einzelschichten jeweils enthaltend oder bestehend aus diamantartigen/m Kohlenstoff DLC besteht .
Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine der diamantartigen Kohlenstoff DLC enthaltende oder daraus bestehende Schichten des Schichtsystem (2) eine amorphen Kohlenstoff enthaltende oder daraus bestehende Schicht ist, bevorzugt eine amorphe KohlenstoffSchicht ist, die gemäß den VDI-Richtlinien VDI 2840 Ausgabe vom November 2005 Kapitel 4 in einer der Nummern 2.1 bis 2.7 ausgebildet ist, und/oder dass mindestens eine der diamantartigen Kohlenstoff DLC enthaltende oder daraus bestehende Schichten des Schichtsystem (2) eine Vickers- Härte. von zwischen 1000 HV und 8000 HV und eine Schichtdicke zwischen 2 nm und 50 μπι aufweist, und/oder dass mindestens eine der DLC enthaltende oder daraus bestehende Schichten des Schichtsystem (2) als Gradientenschicht ausgebildet ist, wobei der Kohlenstoffanteil und/oder das Verhältnis von grafitartig zu diamantartig gebundenen
Kolhenstoffatomen in Richtung senkrecht zur Schichtebene zur Substratbasis hin zu- oder abnimmt .
8. Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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, wobei diese Haftvermittlerschicht bevorzugt Chrom enthält oder daraus besteht und bevorzugt eine Dicke zwischen 5 nm und 1 μηα aufweist, und/oder dass die Substratbasis (1) zumindest ein Teilabschnitt eines Bauteils oder Werkzeugs ist und/oder eine Keramik, ein Metall und/oder einen Kunststoff enthält oder daraus besteht.
9. Festschmierstoffstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 M0S2 und/oder S2, ein Selenid eines Übergangsmetalls, insbesondere NbSe2, Graphit, einen Kunststoff oder Partikel davon, insbesondere Polytetrafluorethylen PTFE oder Partikel davon, eine Keramik oder Partikel davon, oder ein Weichmetall oder Partikel davon, insbesondere AI, Cu und/oder Pb oder Legierungen davon, und/oder dass der Festschmierstoff (4) in Pulverform oder in mit Flüssigkeit gebundener Form ausgebildet ist .
10. Herstellungsverfahren für eine Festschmierstoff- struktur, insbesondere für eine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildete Fes.t- schmierstoffstruktur und/oder für eine für eine vakuumtribologische Anwendung ausgebildete Festschmierstoffstruktur, wobei aufgebracht auf eine 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 so¬ wohl 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 mindestens eine der, bevorzugt mehrere der, bevorzugt alle der Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) zumindest teilweise mit mindestens einem Festschmierstoff (4) gefüllt wird/werden.
11. Herstellungsverfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausbilden des Schichtsystem ( s ) (2) durch Laserbestrahlung der Substratbasis (1) Vertiefungen in eine Oberfläche (Ol) der Substratbasis (1) so eingebracht werden und dass anschließend das Schichtsystem (2) so auf diese Oberfläche
(01) aufgebracht und/oder so mit dieser Oberfläche (Ol) verbunden wird, dass in der Substratbasis (1), in dem Schichtsystem (2) und/oder in der der Substratbasis (1) abgewandten Oberfläche
(02) dieses Schichtsystems (2) die Vertiefungsstruktur (3) mit ihren Vertiefungen (3a, 3b, ...) entsteht, wobei bevorzugt nach der Laserbestrahlung eine oder mehrere bevorzugt gemäß Anspruch 8 auszubildende Haftvermittlerschicht (en) auf die Oberfläche (Ol) aufgebracht werden, bevor das Aufbringen und/oder Verbinden des Schichtsystems (2) erfolgt.
12. Herstellungsverfahren nach dem vorvorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer vertiefungslosen, bevorzugt ebenen oder bevorzugt gekrümmten, Oberfläche (Ol) der Substratbasis (1) zunächst das SchichtSystem (2) ausgebildet wird, bevor durch Laserbestrahlung des aufgebrachten Schichtsystems (2) die Vertiefungen (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) in das Schichtsystem (2) , in sowohl das Schicht-^ System (2) , als auch die Substratbasis (1) und/oder in die der Substratbasis abgewandte Oberfläche (02) des Schichtsystems (2) eingebracht werden, wobei bevorzugt vor dem Ausbilden des Schichtsystems (2) zunächst auf der Oberfläche (Ol) der Substratbasis (1) eine bevorzugt gemäß Anspruch 8 auszubildende Haftvermittlerschicht aufgebracht wird, bevor schließlich das Aufbringen des SchichtSystems (2) erfolgt.
13. Herstellungsverfahren nach einem der beiden vorhergehenden Verfahrensansprüche, 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, bevorzugt auf diese Fläche (F) fokussiert werden, und indem die Substratbasis (1) oder das Schichtsystem (2) in Laserstrahlrichtung gesehen hinter dem Mikrolinsenarray (6) an einer vordefinierten Position vor dieser Fläche (F) , im Bereich dieser Fläche (F) oder hinter dieser Fläche (F) positioniert wird, und/oder dass 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, wobei bevorzugt die mehreren 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.
14. Herstellungsverfahren nach einem der drei vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbestrahlung gepulst oder kontinuierlich und/oder mit mindestens einer Laserwellenlänge im sichtbaren, im infraroten und/oder im ultravioletten Bereich, bevorzugt mit Laserlicht eines Nd:YAG gepulsten Lasers der Wellenlänge 355 oder 532 nm, erfolgt.
15. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass. das Aufbringen und/oder Verbinden mindestens einer der Schichten (2a) des Schichtsystems, bevorzugt aller Schichten des Schichtsystems (2) auf/mit die/der Substratbasis (1) und/oder das Aufbringen einer Haftvermittlerschicht auf die Substratbasis (1) mittels eines Beschichtungs- verfahrens, insbesondere mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD), bevorzugt mittels
Magnetronsputtern und/oder mittels eines bevorzugt gepulsten Vakuumbogenverfahrens , erfolgt, und/oder dass das Füllen der Vertiefung (en) (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) mit Festschmierstoff (4) durch mechanisches Einbringen von einem entweder in Pastenform oder in Pulverform und mit mindestens einem organischen und/oder anorganischen Bindemittel vermischt vorliegenden Festschmierstoff durch Spraydeposition eines in flüssiger Form vorliegenden Festschmierstoffs und/oder durch Eintauchen der ausgebildeten Ver¬ tiefungen in ein festschmierstoffhaltiges Fluid erfolgt, und/oder dass in die Vertiefung (en) (3a, 3b, ...) der Vertiefungsstruktur (3) eingefüllter Festschmierstoff (4) nach dem Einfüllen nachbehandelt wird, insbesondere getrocknet, ausgehärtet, gesintert und/oder gebrannt wird. 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, Satellitenvers- tellsystemen 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.
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