Ein Laser setzt kleine Strukturen ins richtige Licht, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Am Institut für Nanotechnische Kunststoffanwendungen FHNW steht die Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen im Mittelpunkt. Die Funktionalisierung erfolgt über die Einbringung definierter Oberflächenstrukturen mittels Spritzgussverfahren und Prägeprozessen oder die gezielte Veränderung der Oberflächenchemie. Dadurch verleihen die Forschenden der Oberfläche spezifische Eigenschaften, wie zum Beispiel die Fähigkeit Wasser abzustossen.

Insbesondere bei der Funktionalisierung durch Oberflächenstrukturierung reicht es jedoch nicht aus, die winzigen Strukturen nur herzustellen. Sie müssen auch sichtbar gemacht und überprüft werden, was eine enorme Herausforderung darstellt. Aber nur so lässt sich feststellen, ob die Modifikationen erfolgreich und zuverlässig auf dem Bauteil umgesetzt wurden und letztendlich die Oberfläche die gewünschten Eigenschaften besitzt.

Deshalb hat das Institut mit Unterstützung der Stiftung FHNW ein leistungsfähiges 3D-Laserscanning-Mikroskop der neuesten Generation angeschafft. Das Keyence VK-X1100 beleuchtet mit Hilfe eines integrierten Lasers die untersuchte Materialoberfläche und erstellt über das reflektierte Licht ein detailgetreues, hochauflösendes 3D-Modell der Oberfläche.

Mit einem Vorgängermodell konnte das Institut bereits seit 2011 über mehrere Jahre Erfahrungen sammeln und entsprechende, weitreichende Kompetenzen im Bereich der topographischen Oberflächenanalyse aufbauen.

Vorteile bietet das neue Mikroskop sowohl bei der Betrachtung wie auch bei der 3D-Vermessung der Oberfläche der untersuchten Objekte. Bei der Betrachtung werden über eine Farbkamera vollfokussierte Bilder, das heisst Bilder mit praktisch unendlicher Tiefenschärfe, dargestellt. Die Topographie lässt sich in den mit dem Laser erzeugten 3D-Modellen durch unterschiedliche Farbverläufe darstellen und nach Belieben vermessen. Das Mikroskop ist mit einem Revolverwechsler mit sechs verschiedenen Objektiven ausgestattet. So können Strukturen in unterschiedlichsten Grössenordnungen analysiert werden. Das Gerät erzielt in der Höhe wie in der Breite der untersuchten Strukturen bei maximaler Vergrösserung eine Auflösung bis in den einstelligen Nanometer-Bereich.

Die Messungen erfolgen vollautomatisch per motorisiertem Probentisch, gesteuert über eine eigene leistungsfähige Workstation. Das Mikroskop bietet auch einen signifikanten Geschwindigkeitsgewinn. Einzelne lokale Flächenmessungen mit Hilfe des Lasers sind innerhalb von wenigen Sekunden statt wie bisher innerhalb von Minuten durchgeführt. Für grössere Flächen werden mehrere Messungen zusammengesetzt („stitchen“). Zudem ist keine spezielle Probenvorbereitung notwendig und auch transparente Materialien können vermessen werden. Eine Beschädigung der untersuchten Messobjekte ist dabei durch das kontaktlose Messprinzip ausgeschlossen.

Ausserdem hat das Institut diverses Zubehör angeschafft, um das Mikroskop aufzuwerten und die Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. So steht das Mikroskop auf einer mächtigen, etwa 300 kg schweren Granitplatte, die Vibrationen minimiert, und es ist mit einem Vakuumtisch ausgestattet, um die untersuchten Proben während der Messung fixieren zu können, was insbesondere bei der Untersuchung von dünnen Folien wichtig ist.

Zum Einsatz kommt das neue Mikroskop tagtäglich bei Forschungsprojekten, bei denen die am Institut oder von Projektpartnern hergestellten Oberflächenstrukturen auf Bauteilen oder Werkzeugen vermessen werden. Bei zwei neuen, Anfang 2019 gestarteten Projekten müssen beispielsweise spezielle Mikrostrukturen für optische Anwendungen untersucht werden.

Im Rahmen von Dienstleistungsaufträgen kann das Mikroskop auch ausserhalb von Forschungsprojekten durch die Industrie oder andere akademische Institutionen in Anspruch genommen werden. Typische Aufträge stammen meist von Industrieunternehmen aus ganz unterschiedlichen Branchen und beinhalten die Vermessung von kleinsten Strukturen in verschiedensten Materialien oder die Bestimmung der Qualität und Rauheit einer Oberfläche.

Die Verantwortlichen am Institut freuen sich auf zukünftige Arbeiten an diesem hochpräzisen Gerät, das den Weg freimacht – im übertragenen und buchstäblichen Sinne – noch mehr Licht in die Welt des Kleinen zu bringen!