Funktionalisierung von Oberflächen mittels Lasertechnologien

Von Dr. Wolfgang Waldhauser

Einleitung

Die ersten Laser zur Erzeugung von monochromatischem kohärenten Licht wurden in den frühen 70-er Jahren des 20. Jahrhunderts gebaut. Heute fi ndet das Laserlicht in den unterschiedlichsten Bereichen wie Fertigungstechnik, Medizin, Messtechnik, Kommunikationstechnik, Unterhaltungselektronik und Computertechnik sowie Nukleartechnik seinen Einsatz. Je nach Anwendungsfeld wird Laserlicht mit Wellenlängen aus dem ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich mit Lichtleistungen von wenigen Milliwatt bis in den Kilowattbereich verwendet.Im Bereich der Oberfl ächentechnik kommen Laser zum Beschriften und Strukturieren, Oberflächenhärten, Reinigen und Entschichten, Aktivieren sowie zum Aufbringen von Beschichtungen und zum Laserlegieren zur Anwendung. Zur Funktionalisierung von Kunststoffoberfl ächen mithilfe von Laserstrahlen stehen prinzipiell vier Varianten zur Verfügung, die im Vortrag vorangestellt werden:

  • Strukturierung der Werkzeugoberfl äche mit dem Laser
  • Laserunterstütztes Beschichten der Kunststoffteile
  • Laserabtragen zur Strukturierung der Bauteiloberfläche
  • Laserstrahlinduzierte Oberflächenmodifizierung der Kunststoffteile

Das Laserzentrum Leoben der JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH beschäftigt sich mit der Entwicklung und industriellen Umsetzung von Prozessen für das Laserschweißen, Laserauftragsschweißen und Laserlegieren von metallischen Werkstoffen sowie mit einem laser- und plasmaunterstützten Beschichtungsverfahren, das sich hervorragend zum Auftragen von funktionellen dünnen Beschichtungen auf Kunststoffen eignet.

Laserdünnschichttechnik

Bei dieser sogenannten Pulsed Laser Deposition (PLD), die dem PVD-Verfahren zugeordnet werden kann, wird mithilfe von gepulster Laserstrahlung der Schichtwerkstoff in einer Beschichtungskammerverdampft [1]. Der im gasförmigen Zustand vorliegende Werkstoff kann je nach Prozessführung mit weiteren Reaktivgasen reagieren und bildet an der Oberfläche der Werkstücke Beschichtungen mit Dicken von wenigen Nanometern bis einigen Mikrometern.

Im Gegensatz zu anderen Vakuumbeschichtungsverfahren liegt die Substrattemperatur während des Beschichtungsprozesse bei nahezu Raumtemperatur, was auch eine Beschichtung von temperaturempfindlichen Substraten wie z. B. Kunststoffen ermöglicht. Die ablatierten Teilchen (Ionen- und Neutralteilchen) sind im PLD-Prozess entscheidend höher energetisch als bei konventionellen Verfahren. Dies erlaubt durch die gesteigerte Diffusionsfähigkeit der Atome auf der Oberfläche eine zusätzliche Stimulation des Schichtwachstums, welches ohne die Notwendigkeiteiner Substratbeheizung (thermische Diffusionsaktivierung) oder eines zusätzlichen Ionenbeschusses zu sehr dichten und glatten Schichten mit einer sehr guten Schichthaftung am Substrat [2] führt. Der Verzicht auf die Beheizung des Substrats erlaubt auch die Abscheidung hochqualitativer Viellagenschichten. Hohe Beschichtungsraten und eine homogene Schichtdickenverteilung sind erreichbar, wenn mehrere Lasersysteme gleichzeitig verwendet werden und spezielle Techniken der Target-, Substrat- oder Laserstrahlbewegung zur Verfügung stehen, um eine Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Teilchenstrom zu gewährleisten [3]. Ein derartiges Mehrquellen-Verdampfersystem, welches auf der optimierten Überlagerung von mehreren Verdampfungspunkten ablatierten Teilchenströmen basiert, wurde am Laserzentrum Leoben der JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH installiert. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Kombination des PLD-Verfahrens mit konventionellen Beschichtungsverfahren. Derartige Hybridbeschichtungsprozesse erlauben durch die gleichzeitige oder einander folgende Anwendung verschiedener Beschichtungstechnologien die Modifikation und Abscheidung komplexer Schichtstrukturen wie z. B. Gradienten- oder Viellagenschichten in einer Beschichtungsanlage. Da die Target-Verdampfung bei der PLD nur gering vom Prozessgas oder  verschiedenen anderen Beschichtungsparametern abhängt, ist die Kombination der PLD mit anderen Beschichtungstechnologien wie Ionenstrahlbeschichtung, Magnetronsputtern, Lichtbogenverdampfensehr einfach möglich.

Mögliche Einsatzgebiete der PLD

Der PLD-Prozess und die daraus abgeleiteten Hybrid-PLD-Verfahren ermöglichen neue Raumtemperatur-Beschichtungskonzepte für Anwendungen in der Optik, Optoelektronik, Sensorik, dem Verschleißschutz, der Kunststoffbeschichtung, im dekorativen Bereich sowie im Bereich biokompatibler Beschichtungen. Aufgrund der niedrigen Beschichtungstemperaturen eignen sich die Verfahren hervorragend zur Metallisierung von Kunststoffen und Kunststoffverbundwerkstoffen. Derartige Beschichtungen können als Haftschichten für eine nachfolgende Galvanisierung oder als Funktionsschichten mit speziellen Eigenschaften (z. B. defi nierte elektrische Leitfähigkeit, verbessertes tribologisches Verhalten) dienen. Da die Substratwerkstoffe niedrige chemische Bindungsenergien besitzen, können durch die Implantation von Beschichtungsteilchen in die Kunststoffoberfläche (bis zu 120 nm tief) durch die PLD verstärkte Übergangszonen gebildet werden, welche im Vergleich zu konventionellen PVD-Verfahren den Schichten eine außergewöhnliche Haftung verleihen. Daher lassen sich schwer oder nichtbeschichtbare Kunststoffe (z. B. Gummi, Kautschuk, Polyurethan, Tefl on) und Kunststoffverbundwerkstoffe (z. B. GFK, CFK) mit der PLD in vielen Fällen ausgezeichnet beschichten [4].

Literatur

[1] D.B. Chrisey, G.K. Hubler (Eds.), Pulsed Laser Deposition of Thin Films, Wiley, New York, 1994

[2] J.M. Lackner, W. Waldhauser, R. Ebner, J. Keckés. T. Schöberl, Surface and Coatings Technology 177-178 (2004) 447

[3] R. Ebner, W. Waldhauser, W. Lenz; Pulsed laser deposition: A new technique for coating sheet materials and three dimensional industrial components, Proc Materials Week 2001, 1-4 October 2001, Munich

[4] J.M. Lackner, W. Waldhauser, R. Ebner, W. Lenz, W. Mroz, Galvanotechnik 5 (2003), 1226

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