Forschung & Entwicklung

Lotuseffekt-Nanostrukturen auf Flugzeugoberflächen

Damit die Luftströmung glatt bleibt und so den Luftwiderstand eines Flugzeugs gering hält, wurde ein Laserverfahren entwickelt, das strukturierte Oberflächen mit hohem Durchsatz erzeugt und hierdurch die Oberflächenkontamination erschwert.

Das europäische Projekt ‚Laser4Fun‘, an dem das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und Airbus mitarbeiten, zielt auf spürbare Vorteile für Fluggesellschaften und Passagiere ab: Mit bloßem Auge kaum sichtbare Nanostrukturen auf ausgewählten Tragflächen sollen Wasser, Insekten, Schmutz und generell unerwünschte Verunreinigungen abweisen. „Mit unserem Verfahren wollen wir jede Form der Verunreinigung von Flugzeugoberflächen vermeiden“, sagt Dr. Tim Kunze, der die Gruppe Oberflächenfunktionalisierung am IWS leitet. Das könnte beispielsweise mit mikro- und nanostrukturierten Oberflächen geschehen. Der aktuelle Stand der Technik ist jedoch, dass die Strukturierung mit anderen Technologien kombiniert werden muss. Nicht so bei der IWS-Lösung.

Ein Lichtstrahl, der einen Doppelspalt passiert, bildet ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Linien – ein sogenanntes Interferenzmuster. Solch ein Interferenzmuster erzeugen die neuen DLIP-Optikmodule (Direct Laser Interference Patterning; direkte Interferenzmuster-Erzeugung durch Laser)  aus Dresden. Spezielle Optiken teilen einen Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen auf, die später zum Strukturieren auf der Materialoberfläche zusammengeführt werden. Somit lassen sich sehr präzise und kontrollierbare Lichtmuster erzeugen. Wird das Interferenzmuster auf ein Titanblech fokussiert, schmilzt das hochenergetische Laserlicht das Material und trägt es in den hellen Bereichen ab, während es das Material in den dunklen Bereichen unbeeinflusst lässt. Dadurch erzeugen die Wissenschaftler auf der Titanoberfläche winzig kleine Strukturen, die – unterm Mikroskop betrachtet – zum Beispiel Säulenhallen oder Wellblechdächern ähneln. Die Abstände zwischen den Säulen lassen sich frei zwischen 150 Nanometer und 30 Mikrometer einstellen. Das Ziel: Durch die Nano- und Mikrostrukturen auf dem Metall können sich Wassertropfen nicht mehr auf der Oberfläche ausbreiten und anheften. Weil sie nicht genug Kontakt auf der Oberfläche finden, rollen oder rutschen sie ab (Lotuseffekt). Die mit der DLIP-Methode hergestellten Strukturen können im Vergleich zu Beschichtungstechnologien durchaus über Jahre hinweg Bestand haben und werfen keine Umweltprobleme auf.

Lotuseffekt-Nanostrukturen ließen sich zwar mit Lasertechnologie erzeugen, aber nur sehr langsam. Dank der Interferenztechnologie konnte das Bearbeitungstempo deutlich gesteigert werden: Je nachdem ob Titan, Polymere oder andere Werkstoffe zu strukturieren sind, kommen die DLIP-Optiken auf fast einen Quadratmeter pro Minute. Zusammen mit IWS-Kollegen hat ein Team um Professor Andrés Lasagni von der TU Dresden das weltweit größte DLIP-System entwickelt. Das von der Exzellenzinitiative der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) geförderte System, ermöglicht das Behandeln großer Flächen mit einem hohen Durchsatz. Darüber hinaus lassen sich die DLIP-Laserköpfe in handelsübliche Industriemaschinen integrieren, sodass heute auch mittelständische Unternehmen auf diese Technologie zugreifen können.

All dies empfiehlt die neue Technologie für die Luftfahrtindustrie. Airbus-Ingenieure testen daher nun auf diese Weise nanostrukturierte Tragflächen auf einem Flugzeug in der Praxis. Dazu wurde eine Titantestfläche mit einer Säulenstruktur versehen. Nun muss die von DLIP hergestellte Beschichtung ihr Potenzial in der Praxis unter Beweis stellen. Elmar Bonaccurso, Materialwissenschaftler bei Airbus Central R&T, sagt: „Flugtests unter verschiedenen Betriebsbedingungen und regelmäßige Beschichtungsinspektionen sind besonders nützlich, um die Haltbarkeit und Funktionalität solcher wasser- und schmutzabweisenden Beschichtungen zu untersuchen, die sich im Labor bereits sehr gut bewährt haben.“

Derweil loten die Ingenieure vom Fraunhofer IWS und der TU Dresden schon weitere Anwendungen für ihre Nanostrukturen aus. Denn die können nicht nur wasserabweisende Oberflächen erzeugen, sondern auch dafür sorgen, dass Wasser oder andere Flüssigkeiten ausgewählte Areale benetzen und so hydrophil oder lyophil werden. Auch zur Kennzeichnung fälschungssicherer Nummernschilder oder zur Erhöhung der Biokompatibilität von Zahnimplantaten kann die Technologie eingesetzt werden.

von mn

www.iws.fraunhofer.de

www.tu-dresden.de

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