Neue Herstellungsverfahren für funktionale Oberflächen: Schlüsseltechnologien für die Zukunft

Die VolkswagenStiftung bewilligt erstmals Vorhaben in ihrer Initiative „Innovative Methoden zur Herstellung funktionaler Oberflächen“. Gefördert werden fünf Projekte mit insgesamt rund 3,3 Millionen Euro.

Die Natur kennt viele gute Rezepte für funktionale Oberflächen. Haie etwa sind mit einer rauen Haut ausgestattet, die den Strömungswiderstand im Wasser minimiert. Wenn Ingenieure und Naturwissenschaftler Oberflächen mit besonderen Funktionen entwickeln, brauchen sie dagegen nicht nur gute Konzepte für entsprechende Funktionalitäten, sie brauchen auch geeignete Herstellungsverfahren. Techniken und Methoden müssen angepasst und oft völlig neu entwickelt werden. Auf solche Herstellungsverfahren zielt die neue Förderinitiative „Innovative Methoden zur Herstellung funktionaler Oberflächen“. Unter den ersten fünf bewilligten Projekten sind gleich zwei – darunter eine Pilotstudie -, die sich damit beschäftigen, die Strömungsvorteile von „Haifischhaut“ auf verschiedenste Bauteil-Oberflächen zu übertragen und damit nutzbar zu machen. Ein weiteres Projekt widmet sich der effizienten Fertigung spezieller Optiken. Diese Vorhaben, die wir Ihnen im Folgenden etwas ausführlicher vorstellen, stehen exemplarisch für das Ziel der Initiative. Insgesamt fördert die VolkswagenStiftung die fünf Vorhaben mit rund 3,3 Millionen Euro, darunter:

1. 645.300 Euro für das Vorhaben „Fast nanometer pattern generation by a new hybrid cutting process for generating discontinuous diffractive optics“ von Professor Dr.-Ing. Ekkard Brinksmeier von der Hauptabteilung Fertigungstechnik der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen und Professor Dr.-Ing. Werner Jüptner vom Bremer Institut für Angewandte Strahltechnik GmbH (BIAS).

Im Gegensatz zu konventionellen Optiken, bei denen Lichtstrahlen durch Brechung an einer gekrümmten Oberfläche beeinflusst werden, verändern „diffraktive Optiken“ das Licht durch Beugung an Strukturen, die die Größenordnung von Lichtwellenlängen haben. Diffraktive Optiken haben gegenüber herkömmlichen refraktiven Optiken große Vorteile: Sie sind kompakter und leichter handhabbar. Kein Wunder also, dass die industrielle Bedeutung diffraktiver Optiken steigt. Was bislang aber fehlt, ist ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einzelner, maßgeschneiderter, diffraktiver Optiken – wie sie etwa in der Sicherheitstechnik oder als Referenz in der Optikprüfung gebraucht werden. Das wollen die Bremer Forscher ändern: Ihr Ziel ist die Entwicklung eines Fertigungsverfahrens, das auf der Diamantbearbeitung zur spanenden Fertigung diffraktiver, multifunktionaler Strukturen basiert. Parallel zu diesem formgebenden Schritt soll ein so genannter Fast Tool Servo, der einen Hub im Bereich weniger hundert Nanometer hat, Muster in die Oberfläche schreiben. Das Höhenprofil dieses Musters: wenige Nanometer. Für Einzelanfertigungen ist dieses Verfahren ideal, denn es erfordert weder eine aufwändige Werkstückvor- noch -nachbereitung und erlaubt damit eine Fertigung der Optiken in einem Schritt.

Innerhalb Europas beschreiten die Forscher mit ihrem Vorhaben Neuland – und auch im Vergleich mit den USA, wo ähnliche Verfahren erforscht werden, kann sich das Projekt sehen lassen. Es wird die dort bestehenden Labormöglichkeiten deutlich übertreffen und aller Erwartung nach wichtige Grundlagen für die Anwendbarkeit und technische Realisierbarkeit des Verfahrens liefern.

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Kontakte zu Projekt 1:

Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) Bremen
Hauptabteilung Fertigungstechnik
Prof. Dr.-Ing. Ekkard Brinksmeier
Telefon: 0421 218 2318
E-Mail: brinksmeier@iwt.uni-bremen.de

Bremer Institut für Angewandte Strahltechnik GmbH (BIAS)
Prof. Dr.-Ing. Werner Jüptner
Telefon: 0421 218 5002
E-Mail: jueptner@bias.de
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2. Mit 714.100 Euro gefördert werden Wissenschaftler dreier Arbeitsgruppen der RWTH Aachen für ihr Vorhaben „RibletSkin“: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke vom Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren am Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL); Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt vom Institut für Bildsame Formgebung und Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder, Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut.

3. Des Weiteren bewilligt wurde eine Machbarkeitsstudie zum Thema „Production of low-drag surfaces on large structures“ des Nachwuchswissenschaftlers Dr. Volkmar Stenzel aus der Arbeitsgruppe Plasmatechnik und Oberflächen am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen.

Zu 2. und 3.: Möglicherweise teilen die Wissenschaftler aus Aachen und Bremen eine gewisse Bewunderung für Haie. Denn die raue Struktur der Rillenschuppen auf deren Haut beruhigt gewissermaßen turbulente Strömungen, winzige Gräben ermöglichen ein geordnetes, „laminares“ Fließen. Auf diese Weise wird der Strömungswiderstand reduziert, und das auf völlig natürliche Weise. Was für Haie im Wasser gilt, gilt auch für Flugzeuge in der Luft: Raue Flügeloberflächen reduzieren den Widerstand – und damit natürlich auch den Kerosinbedarf.

Gezielt erzeugte, strömungsmindernde Oberflächenstrukturen – so genannte Riblets – könnten den Reibungswiderstand in unzähligen Anwendungen vom Flugzeug über Pipelines hin zu Turbinenschaufeln reduzieren. Doch noch fehlen die Technologien zur technischen Herstellung großer und nahezu beliebig geformter Flächen. Forscher aus den Bereichen Produktionstechnik und Strömungsmechanik der RWTH Aachen wollen das nun ändern. Ihr Ziel ist es, zwei innovative Walztechnologien zur Herstellung von Bauteilen mit derartigen Oberflächen zu entwickeln. Eine der beiden Technologien ermöglicht die schnelle Strukturierung großer Bleche aus weichen Metallwerkstoffen, die etwa für die Herstellung von Rohrleitungen und Flugzeugbeplankungen von Bedeutung sein könnten. Die andere Methode soll zur Strukturierung und gleichzeitigen Verfestigung geometrisch komplexer Fan-, Verdichter- und Turbinenschaufeln aus hochfesten Metallwerkstoffen eingesetzt werden.

Eine Alternative zu diesem Vorgehen stellt das Vorhaben des Forschers vom Fraunhofer-Institut in Bremen dar. Er wird zunächst in einer Machbarkeitsstudie testen, ob sich die „Haifischhaut-Strukturen“ direkt in den Farbanstrich beispielsweise eines Flugzeuges oder Hochgeschwindigkeitszuges implementieren lassen. Dazu will er einen strukturierten Lack auf großen, auch doppelt gekrümmten Flächen aufbringen. Applikation, Strukturierung und Lacktrocknung – alles soll in einem Schritt erfolgen.

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Kontakte zu Projekt 2:

RWTH Aachen
Lehrstuhl für Technologie
Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke
Telefon: 0241 80 27401
E-Mail: F.Klocke@wzl.rwth-aachen.de

Institut für Bildsame Formgebung
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt
Telefon: 0241 80 95917
E-Mail: hirt@ibf.rwth-aachen.de

Lehrstuhl für Strömungslehre / Aerodynamisches Institut
Prof. Dr.-Ing. W. Schröder
Telefon: 0241 80 95410
E-Mail: office@aia.rwth-aachen.de

Kontakt zu Projekt 3:

Fraunhofer-Institut Bremen, IFAM
Dr. Volkmar Stenzel
Telefon: 0421 2246 407
E-Mail: vs@ifam.fraunhofer.de
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4. Mit 1.172.600 Euro gefördert wird das Projekt „Microstructured surface treatment by atmospheric-pressure microplasmas“ von fünf Arbeitsgruppen in Braunschweig, von denen vier an der dortigen Technischen Universität und eine an der Gesellschaft für Biotechnologische Forschung mbH (GBF) angesiedelt sind. Das Forscherteam bilden von der Universität Braunschweig Professor Dr. Claus-Peter Klages vom Institut für Oberflächentechnik (IOT), Professor Dr. Stephanus Büttgenbach vom Institut für Mikrotechnik (IMT), Professor Dr.-Ing. Michael Kurrat vom Institut für Hochspannungstechnik und Elektrische Energie anlagen (HTEE) und Professor Dr. Karl-Heinz Gericke vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie (IPC). Die GBF ist beteiligt durch Dr. Ronald Frank vom Department for Chemical Biology.

Das von den Braunschweiger Ingenieuren vorgeschlagene neue Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen wird es erlauben, eine chemische Modifizierung und eine laterale Strukturierung der Oberfläche in einen einzigen Prozessschritt zu integrieren. Besonders attraktiv und zukunftsweisend: Das Plasmaverfahren, mit dem die lokale chemische Aktivierung erreicht wird, arbeitet unter Atmosphärendruck.

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Kontakte zu Projekt 4:

TU Braunschweig
Institut für Oberflächentechnik
Prof. Dr. Claus-Peter Klages
Telefon: 0531 391 9401
E-Mail: c-p.klages@tu-bs.de

GBF Braunschweig
Department for Chemical Biology
Dr. Ronald Frank
Telefon: 0531 6181 720
E-Mail: rfr@gbf.de
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5. 678.400 Euro wurden bewilligt für das Vorhaben „Process-integrated powder coating by radial axial rolling of rings“, an dem drei Arbeitsgruppen der Universität Bochum beteiligt sind: Professor Dr.-Ing. Werner Theisen vom Institut für Werkstoffe, Professor Dr.-Ing. Horst Meier vom Institut für Automatisierungstechnik und von Professor Dr.-Ing. Stefanie Reese von der Arbeitsgruppe Numerische Mechanik und Simulationstechnik.

Ziel der Bochumer ist es, ein innovatives Produktionsverfahren zu entwickeln, mit dem sich durch Modifizierung des so genannten Radial-Axial-Ringwalzens große, ringförmige Bauteile mit umlaufender Verschleißschutzschicht herstellen lassen.

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Kontakt zu Projekt 5:

Universität Bochum
Lehrstuhl für Werkstofftechnik
Institut für Werkstoffe
Prof. Dr.-Ing. Werner Theisen
Telefon: 0234 32 25963
E-Mail: wt@wtech.ruhr-uni-bochum.de