6.2 Material- und Oberflächentechnologien
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Advances in ultrafast laser manufacturing: nanostructures, thin films, and scaling perspectives
(2024)
Advanced ultrafast laser technology is a rapidly growing field that currently enables many new industrial and scientific applications. During the last decades, this has been significantly driven by the availability of high-repetition-rate laser sources and novel beam delivery concepts. At the laser side, Moore’s law equally manifests for ultrafast laser technologies, since the average output power of such lasers doubles approximately every two years. This development is mainly driven by the increase of the pulse repetition rates of energetic laser pulses, currently enforcing the development of smart beam control and novel scanning strategies for preventing heat-accumulation and plasma-shielding effects during laser-based materials processing. This keynote presentation addresses the advantages, recent developments, and perspectives of laser processing with ultrashort laser pulses. A special focus is laid on the tailored structuring of thin films as well as the manufacturing and probing of sub-diffraction surface nanostructures – an ongoing race to extreme scales. Current limitations are identified and an outlook to future scaling perspectives will be provided.
Der Vortrag gibt einen Überblick zu ultrakurzen Laserpulsen, der Ultrakurzpulslaser-Materialbearbeitung und der dabei ggf. auftretenden unerwünschten Röntgenstrahlung. Es wird die Laserbearbeitung von technischen und biologischen Materialien diskutiert. Schutzmöglichkeiten gegenüber der Röntgenstrahlung werden erörtert.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächenfunktionalisierung mittels Mikro- und Nanostrukturierung durch Ultrakurzpuls-Lasermaterialbeabeitung. Dies schließt eine Diskussion des Phänomens der Laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, engl.: Laser-induced Periodic Surface Structures, Ripples), sowie deren Klassifikation und Bildungsmechanismen mit ein. Ein Schwerpunkt der Präsentation liegt auf der Diskussion verschiedener Anwendungsmöglichkeiten der LIPSS in Bereichen der Optik, Fluidik, Tribologie und Medizin, sowie auf einem Ausblick auf die industrielle Skalierbarkeit der LIPSS-Technologie.
Bakterielle Biofilme stellen in medizinischen und industriellen Bereichen ein ernsthaftes Problem dar. Eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen liegt in der zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen Biozide, die bei antimikrobiellen Behandlungen eingesetzt werden, z.B. durch übermäßigen Einsatz in Medizin, Industrie und Landwirtschaft oder durch Reinigung und Desinfektion in Privathaushalten. Daher sind neue effiziente bakterienabweisende Strategien, die den Einsatz von Bioziden vermeiden, dringend erforderlich.
Ein vielversprechender Weg zur Erzielung bakterienabweisender Oberflächen liegt in der berührungslosen und aseptischen großflächigen Laserbearbeitung von technischen Oberflächen. Maßgeschneiderte Oberflächentexturen, ermöglicht durch verschiedene Laserbearbeitungsstrategien, die zu topographischen Skalen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern führen, können eine Lösung für diese Herausforderung darstellen.
In dem Vortrag wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik bei der subtraktiven Texturierung von Laseroberflächen zur Kontrolle der Biofilmbildung bei verschiedenen Bakterienstämmen und in unterschiedlichen Umgebungen gegeben. Auf der Grundlage spezifischer Eigenschaften von Bakterien und laserbearbeiteten Oberflächen werden die Herausforderungen antimikrobieller Oberflächendesigns erörtert und zukünftige Richtungen aufgezeigt.
Der Vortrag gibt einen Überblick über die Erzeugung und Charakterisierung anisotroper Nanostrukturen mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Phänomen der sogenannten Laser-induzierten periodischen Oberflächen-Nanostrukturen auf dielektrischen Werkstoffen und ihrer zeitlichen Dynamik. Weitere Beispiele von Volumen-Nanostrukturen aus der Literatur werden diskutiert.
Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
Die Laserbearbeitung von Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen kann zu einer sekundären Emission gefährlicher Röntgenstrahlen führen. Dieser Effekt wurde bisher bei der Bearbeitung von technischen Materialien wie Metallen beobachtet. Die Röntgenemission bei der abtragenden Bearbeitung von biologischen Geweben ist noch weitgehend unerforscht. Der Vortrag präsentiert erste Untersuchungen und Ergebnisse des radiologischen Gefährdungspotentials bei der medizinischen Anwendung von Ultrakurzpulslasern am Menschen.
The efficient exploration of novel alloy compositions is crucial for advancing the development of new materials. One widely utilized approach for creating phase diagrams is the use of diffusion-controlled synthesis for gradient alloys. This method is also an effective means for rapidly identifying potential material combinations.
The present study focusses on the exploration of quaternary multi-principle-element alloys (MPEAs) using diffusion multiples. We established a diffusion system by combining an equimolar ternary alloy (FeNiCr) with single diffusing elements Mn and Mo. Using ThermoCalc simulations, we determined suitable temperature ranges where we can expect the formation of single-phase alloys. Depending on the diffusion constants of the selected metals, diffusion times were adjusted to obtain diffusion zones with a depth of greater than 50 μm. Microstructural and compositional information was gathered via scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and correlated to local mechanical properties evaluated by means of nanoindentation. Local corrosion properties were examined using Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electrochemical Microscopy (SECM).
Our results indicate that the ThermoCalc simulations have a good predictive power for crystallographic phases. However, especially with the Mn-FeNiCr system, formation of Cr-rich secondary phases were observed, which led to Cr-depletion and thus to localized corrosion processes in the matrix at the vicinity of the secondary phases. Based on the results of the local electrochemical tests, we have selected single-phase compositions along the diffusion zone and synthesized these alloys in bulk for corrosion studies by means of potentiodynamic polarization and SECM.
The presentation will summarize our methodology using diffusion couples as an
efficient tool for exploring compositional spaces of MPEAs in the search for novel single-phase alloys and the results of our correlative study on the mechanical and corrosion properties of these materials.