Zusätze entscheidend: Optimierte Materialien für die Photonik

12.02.2015 - Deutschland

Das Smartphone als Gesundheitsmonitor, 3D-Druck für Jedermann oder energieeffizientere Autos: Photonische Produktionsabläufe werden immer wichtiger. Umso erstaunlicher, dass sich viele der verwendeten Materialien kaum für die Laseranwendung eignen oder dafür optimiert sind. Wie Materialien für die photonische Prozessierbarkeit besser adaptiert werden können, zeigt eine Studie unter der Leitung von Dr. Bilal Gökce von der Universität Duisburg-Essen (UDE). Der viel versprechende Lösungsansatz wurde jetzt in der Fachzeitschrift für Optische Technologien abgedruckt.

Das Herstellen individueller und komplexer Produkte, nur einen Knopfdruck entfernt – möglich ist dies durch die geschickte Verkettung photonischer Fertigungsprozesse. Hier sind Design, Konstruktion, Materialauswahl und Produktionsabläufe als ein ganzheitliches System auf die optische Fertigung ausgerichtet. Damit soll der zunehmenden Bauteilkomplexität durch individuelle Produkte zu marktfähig hergestellten Preisen begegnet werden. Gökce: „Meist bleibt es jedoch beim Wunschdenken, denn das enorme Potenzial photonischer Fertigungsverfahren wurde bisher nicht ausgeschöpft.“

Der Grund: viele verfügbare Materialien sind noch unzulänglich für die heutzutage geforderten Bearbeitungsaufgaben. Eine bundesweite Wissenschaftlergruppe zeigt nun auf, wie Materialien an die zunehmend verbreiteten photonischen Produktionsprozesse und spezifischen Wechselwirkungen angepasst werden können. Lasergestützte Verfahren gehören zu den wichtigsten Produktionsverfahren der Zukunft, sowohl wegen ihres Durchsatzes als auch wegen ihrer Präzision. „Voraussetzung ist, dass Metalle, Polymere und deren Kompositmaterialien gezielt verändert werden. Zumindest kann es sie wesentlich verbessern“, davon ist Prof. Dr.-Ing. Stephan Barcikowski vom Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE) überzeugt.

Einen Lösungsansatz sieht Dr. Gökce in der generativen Fertigung: Hierbei werden meistens pulverförmige oder seltener auch drahtförmige Zusatzwerkstoffe verwendet. Betrachtet man alle relevanten Prozessparameter eines generativen Fertigungsprozesses, so ist der Zusatzwerkstoff der wichtigste Prozessparameter. Der Anwender kann ihn nur im Rahmen der marktverfügbaren Lösungen beeinflussen. Er ist jedoch ausschlaggebend für die Eigenschaften und Qualität des generativ gefertigten Bauteils.

Ein eher einfacher aber wirksamer Ansatz zur Anpassung von verschiedenen Materialklassen an die photonische Bearbeitung ist das Additivieren mit Nanopartikeln. Für pulverförmige Ausgangsmaterialien kann dies durch Mischen von Mikropulvern mit flüssigen Nanopartikel-Suspensionen erreicht werden. Beispiele zeigen, dass Metalle, Keramiken und Polymere für zugesetzte Nanopartikel zugänglich sind. Gökce: „Hier ist ein großes Potential für die verbesserte Prozessierbarkeit von Materialien. Attraktiv ist der Ansatz auch deshalb, weil eine hohe Bandbreite kommerzieller Rohpulver verwendet werden kann.“

Auch verzweigte Makromoleküle scheinen für photonische Prozesse attraktiv: Neue Werkstoffe mit geeigneten Funktionseigenschaften wie optische Lichtleiter, leitfähige Materialien oder Biohybridmaterialien können in mikroskaligen Bauteilen die Bandbreite der Anwendung erweitern. Für das selektive Laserschmelzen von funktionalen Polymer-Nanokompositen bieten Nano-Füllstoffe dabei die Möglichkeit, die Bauteileigenschaften und die thermische Stabilität der polymeren Ausgangstoffe zu verbessern. Zudem können Funktionen wie Leitfähigkeit, magnetische oder auch bestimmte optische Eigenschaften in das polymere Material eingebracht werden.

Ein hohes Potenzial bietet auch hier die Nutzung von verzweigten Polymerarchitekturen als Additive und Blendkomponenten zur Fließverbesserung, thermischen Stabilisierung und verbesserten Wechselwirkung mit nanoskaligen Füllstoffen. Neuartige Materialien führen deshalb zu besonderen Funktionalitäten des Endprodukts in laserbasierten Produktionsverfahren.