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Die Kontrolle physikalischer Phänomene auf Oberflächen durch bestimmte Topographien ist eines der Ziele oberflächentechnischer Verfahren. Die Oberflächentopographie kann durch oberflächenmodifizierende Verfahren wie Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und das Direkte Laserschreiben (DLW) verändert werden. Dadurch können definierte und kontrollierte Mikro- und Nanostrukturen auf verschiedenen Materialien erzeugt werden. Darüber hinaus können spezifische Topographien entworfen und großflächig nachgebildet werden, welche die gleichen Oberflächeneigenschaft gewährleisten können. Diese Arbeit schlägt neue Ansätze zur Verbesserung der Mikro- und Nano-Oberflächenstrukturen vor, die durch DLIP auf Metalloberflächen erzeugt werden. DLIP Experimente werden in der Zweistrahlkonfiguration entweder mit infraroten Nano- oder Pikosekundenlasern durchgeführt. Damit werden die Möglichkeiten zur Verbesserung und Kontrolle von Oberflächeneigenschaften durch die Mikrofertigung mit Strukturperioden von 0,2 µm bis 7,2 µm erweitert. Anschließend wird die Homogenität der Oberflächentextur auf Basis der Pulsverteilung und der Laserparameter optimiert. Ein quantitatives Messschema der Homogenität, das auf etablierten Parametern wie mittlere Strukturhöhe, seiner Standardabweichung und Kurtosis basiert, wird vorgestellt. Darüber hinaus wird die Herstellung hierarchischer linien- und säulenartiger Mikrostrukturen mittels DLIP in Abhängigkeit von der Anzahl der Pulse und der Fluenz untersucht. Zusätzlich zu den Mikrostrukturen, die der Interferenzverteilung entsprechen, wurden gleichzeitig laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) erzeugt, die zu hierarchischen Mikro- und Nanostrukturen führen. Überdies wird als weitere Technologie das DLW eingesetzt, um Mikrozellen im Bereich von 17 µm bis 50 µm zu generieren. Anschließen werden Mikro- und Nanostrukturen mittels DLIP auf den Mikrozellen hergestellt. Die finale Topographie besteht aus multiskaligen hierarchischen Mikro- und Nanostrukturen. Um den Durchsatz des DLIP-Verfahrens zu verbessern, wird ein Ablationsmodell entwickelt und mit experimentellen Daten verifiziert. Das Modell ermöglicht die Berechnung von Strukturtiefe in Abhängigkeit von optimalen Laserprozessparametern. Darüber hinaus wird die Benetzbarkeit auf den Mikrosäulen im Rahmen des Füllfaktors und der Kombination von hierarschischen und einskalen Strukturen ausgewertet. Dazu wird ein hydrophobes Lösungsmittel auf die hierarchischen Strukturen aufgetragen, um den Wasserkontaktwinkel auf bis zu 152 ° ± 2 ° und die Kontaktwinkelhysterese von 4 ° ± 2 ° zu erreichen. Mikrosäulen mit einer Periode von 5,20 µm werden auf einer Flugzeugtragfläche hergestellt. Auf diese Weise wird der mögliche Einfluss von Mikrostrukturen auf die Ermüdungseigenschaften untersucht. Schließlich werden Mikrosäulen mit ca. 40 % geringeren Reibungskoeffizienten als die Referenz in einem grenzflächengeschmierten Bereich getestet. Zusammenfassend kann ausgesagt werden, dass die durch DLIP erzeugten Mikrosäulen eine vielversprechende und gut realisierbare Struktur für die Oberflächenfunktionalisierung von Metallen darstellen.:Selbstständigkeitserklärung Abstract Kurzfassung Acknowledgments Symbols and abbreviations 1 Motivation 2 Theoretical background 2.1 Laser-matter interactions 2.2 Principle of interference 2.3 Wetting on solid surfaces 2.4 Introduction to friction 2.5 Introduction to fatigue 3 State of the art 3.1 Properties of natural surfaces 3.2 Texturing techniques for creating micro/nanoroughness 3.3 Surface microstructuring of metals using pulsed laser sources 3.3.1 Direct Laser Writing 3.3.2 Direct Laser Interference Patterning 3.3.3 Laser-Induce Periodic Surface Structures 3.3.4 Challenges for laser surface texturing methods 3.4 Surface properties affected by laser micro/nano texturing on metals 3.4.1 Impact of laser surface textures and chemistry on wettability 3.4.2 Control of the friction coefficient 3.4.3 Impact on fatigue performance 4 Materials and methods 4.1 Materials 4.2 Direct Laser Writing 4.3 Direct Laser Interference Patterning 4.4 Surface chemical treatment 4.5 Characterisation methods 4.5.1 Water Contact Angle 4.5.2 White Light Interferometry and Confocal Microscopy 4.5.3 Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy 4.5.4 Raman Spectroscopy 4.5.5 X-ray Photoelectron Spectroscopy 4.5.6 Tribological test 4.5.7 Fatigue test 5 Results and discussion 5.1 Interference structuring of Ti6Al4V using nanosecond laser pulses 5.1.1 Strategy to fabricate homogeneous DLIP line-like structures 5.1.2 Development of topographical parameters for homogeneity quantification 5.1.3 Impact of process parameters on surface structure homogeneity 5.2 Interference structuring of stainless steel using picosecond laser pulses 5.2.1 Fabrication of hierarchical periodic micro/nanostructures 5.2.2 Control of nanostructure orientation 5.2.3 Fabrication of hierarchical pillar-like microstructures 5.2.4 Control of nanostructures on hierarchical periodic microstructures 5.3 Fabrication of multi-scale periodic structures by DLW and DLIP 5.3.1 Laser surface texturing of Ti6Al4V 5.3.2 Laser surface texturing of Al2024 5.4 Structuring of a large aircraft surface for a flight test 6. Development of an analytical ablation model for ps-DLIP 7. Surface properties of textured materials 7.1 Determination of wetting behaviour 7.1.1 Wetting transition on single and hierarchical microstructures 7.1.2 Surface chemistry influence on wetting 7.1.3 Wetting response after the chemical surface modification 7.2 Wetting on multi-scale periodic structures fabricated by DLW and DLIP 7.3 Tribological properties of laser treated surfaces 7.4 Influence of laser treated surfaces on fatigue 8. Conclusions and outlook References Curriculum Vitae List of publications |
