DE102017206968A1

DE102017206968A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Riblets

Info

Publication number: DE102017206968A1
Application number: DE102017206968.6A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leonhard Jetter; Tobias Dyck
Original assignee: 4JET Microtech GmbH and Co KG
Current assignee: 4JET Microtech GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2037-04-27
Also published as: BR112019022431B1; BR112019022431A2; AU2018260194A1; JP7346786B2; DE102017206968B4; CN111093883A; AU2018260194B2; KR20200032031A; JP2020518458A; CN111093883B; US20200139488A1; WO2018197555A1; CA3061498A1; EP3615258A1; KR102626040B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Riblets 1, wobei die Riblets 1 mittels Laserinterferenzstrukturierung oder DLIP - Direct Laser Interference Patterning - insbesondere in eine bereits lackierte und ausgehärtete Oberfläche eingebracht werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil mit den auf diese Weise hergestellten Riblets. Flugzeuge, Schiffe und Windkraftanlagen können auf diese Weise mit einem geringeren Strömungswiderstand betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Riblets sowie ein entsprechend herstellbares Bauteil mit Riblets.
Seit ungefähr dreißig Jahren ist bekannt, dass in turbulenten Strömungen die Reibung an einer Oberfläche durch Riblets reduziert werden kann. Die Entdeckung von Riblets, dessen Begrifflichkeit sich an das englische Wort für „kleine Rippen“ oder „Rippchen“ anlehnt und sich als gängiger Fachbegriff auf dem Gebiet der Strömungsmechanik etabliert hat, geht nicht zuletzt auf die Untersuchung der Oberflächengeometrie von Schuppen schnell schwimmender Haie zurück, die häufig sehr feine Furchen bzw. Rippen mit sehr scharfen Rippenspitzen haben. Gegenüber einer glatten Oberfläche kann durch Riblets der Strömungswiderstand häufig um bis zu 10 % reduziert werden, wobei grundsätzlich gilt, dass die Größe der Riblets an das Medium und die Strömungsgeschwindigkeit angepasst ist und ferner gilt je spitzer die Rippen der Riblets, desto größer die mögliche Reduzierung des Strömungswiderstands.
Langstreckenflugzeuge fliegen in großer Höhe mit nahezu konstanter Relativgeschwindigkeit, Windkraftanlagen werden in einem engen Drehzahlbereich betrieben und Handelsschiffe fahren weite Strecken mit konstanter Reisegeschwindigkeit. Daher kann man in diesen Fällen eine positive Wirkung durch angepasste Riblets erwarten. Überraschenderweise haben fluiddynamische Berechnungen und Laboruntersuchungen gezeigt, dass in all diesen Fällen trotz der sehr unterschiedlichen Einsatzweise die geeignete Größe der Riblets im Bereich von 40 - 200 µm liegt. Der optimale Wert ist jedoch grundsätzlich an die charakteristischen Einsatzbedingungen anzupassen. Größere Abweichungen können zu Minderungen des positiven Effekts führen und unter Umständen sogar kontraproduktiv sein.
Um die strömungsmechanischen Vorteile von Riblets auch bei Flugzeugen, Schiffen und anderen Bauteilen wie Rotorblätter von Windkrafträdern nutzen zu können, die dazu eingerichtet sind, im Betrieb einer Strömung ausgesetzt zu werden, ist es wünschenswert, die feinen Ribletstrukturen großflächig und innerhalb einer wirtschaftlich akzeptablen Bearbeitungszeit applizieren zu können.
Zu den derzeit bekannten Verfahren zählt das Bekleben einer Flugzeugoberfläche mit einer Klebefolie, die eine aufgeprägte Riblet-Struktur aufweist. Jedoch können die Rippen der Riblets bei diesem Verfahren nur begrenzt spitz bereitgestellt werden, so dass das Potenzial einer Reduzierung des Strömungswiderstands durch die Riblets regelmäßig nur zu einem vergleichsweise geringen Teil ausgeschöpft werden kann. Dazu kommt, dass die geprägte Klebefolie im Vergleich zur normalen Lackierung relativ dick und schwer ist und somit das Gewicht des beklebten Bauteils erhöht. Außerdem muss die Klebefolie für Reparaturarbeiten oder Neulackierungen aufwändig von Hand entfernt werden.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von Riblets auf einer Flugzeugoberfläche basiert auf einem speziellen Lacksystem für die Flugzeugoberfläche, einem umlaufenden Silikonband zum Einprägen einer Ribletstruktur in den noch nicht ausgehärteten Lack und einer nachfolgenden UV-Licht-Aushärtung der auf diese Weise geprägten Oberfläche. Die Ribletstruktur ist als Negativbild in die Silikonfolie eingeprägt. Die Silikonfolie schmiegt sich an die Flugzeugoberfläche an und überträgt so die Struktur in die frisch aufgetragene, noch weiche Lackschicht. Zusätzlich muss die so erzeugte Flugzeugoberfläche mit Riblets regelmäßig für mehrere Stunden bei Raumtemperatur weiter aushärten, um vollständig zu vernetzen und um so die für den Flugbetrieb erforderliche Zähigkeit und Abriebfestigkeit zu erreichen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwändig und fehleranfällig, weil die Silikonfolie mit einem regelmäßig eng definierten Anpressdruck in bevorzugt exakt parallelen Bahnen über die zum Teil freigeformte Flugzeugoberfläche geführt werden muss. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit von ungefähr einem Quadratmeter pro Minute ist angesichts der mehr als tausend Quadratmeter großen Flugzeugfläche vergleichsweise langsam und häufig unwirtschaftlich.
Im Labormaßstab wurde in einem weiteren Verfahren mittels Laserabtrag eine Ribletstruktur in eine Turbinenschaufel für Turboverdichter eingebracht. Dabei wurde ein fokussierter Laserstrahl mittels Scanner entlang der Ribletfurchen geführt. Die erzielte Bearbeitungsgeschwindigkeit war in diesem Beispiel 30 mm²/min. Selbst wenn man berücksichtigt, dass in diesem Fall ein besonders zäher Stahl bearbeitet wurde, so ist eine wirtschaftliche Übertragung des Verfahrens auf eine Flugzeugoberfläche kaum vorstellbar. Wenn die Riblets auf der Lackoberfläche eines Flugzeugs durch das Scannen eines fokussierten Laserstrahls erzeugt werden sollen, ist die hiermit erreichbare Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt und kann bei bestimmten Anwendungen für den wirtschaftlichen Einsatz zu gering sein. Eine 1 m² große Ribletfläche mit äquidistanten 100 µm breiten Furchen weist 10⁴ m = 10 km Furchenlänge auf. Würde ein einzelner Laserstrahl benutzt werden, um diese Furchenlänge zu erzeugen, und um somit beispielsweise die Flächenrate 1 m²/min zu realisieren, so wären hierfür als durchschnittliche Scangeschwindigkeit 167 m/s erforderlich, was zur Realisierung mit einem großen technischen Aufwand einhergehen würde. Denn die heute gängigen Scangeschwindigkeiten liegen in der Regel im Bereich von einigen Metern pro Sekunde. Die genannte Flächenleistung wäre theoretisch durch eine Vielzahl von parallelen Teilstrahlen zu erreichen, z.B. mit zehn oder zwanzig Teilstrahlen. Eine entsprechend exakte Aufteilung des Ursprungslaserstrahls und eine individuelle Fokussierung jedes einzelnen Teilstrahls geht jedoch einher mit einem großen technischen Aufwand und einer möglicherweise komplexen Anlage mit hohem Justieraufwand aufgrund der Vielzahl der sich andernfalls gegenseitig behindernden Komponenten
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren nebst Vorrichtung und Bauteil bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe dienen ein Verfahren zum Herstellen von Riblets gemäß dem Hauptanspruch sowie eine Vorrichtung und ein Bauteil gemäß der Nebenansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zum Herstellen von Riblets, wobei die Riblets mittels Laserinterferenzstrukturierung oder DLIP - Direct Laser Interference Patterning - in eine Oberfläche eingebracht werden, insbesondere in eine bereits lackierte und ausgehärtete Oberfläche,
Riblets bezeichnen bekanntlich eine Oberflächengeometrie, auch Ribletstruktur genannt, mit feinen Rippen, die sehr scharfe Rippenspitzen aufweisen.
Die Riblets (frei übersetzt „kleine Rippen“ oder „Rippchen“) erstrecken sich in der Regel in eine Längsrichtung. Insbesondere ist die Längsrichtung längs eines Bauteils parallel zu einer vorgesehenen Strömungsrichtung orientiert.
Zwei benachbarte Rippen definieren eine Furche zwischen den beiden benachbarten Rippen. Die Furche hat grundsätzlich eine Furchenbreite, die dem Abstand der gegenüberliegenden Flanken der beiden benachbarten Rippen entspricht. Gemeint ist grundsätzlich die lichte Breite der Furche, also zum Beispiel der Abstand einer rechten Flanke einer ersten Rippe zur linken Flanke einer rechts von der ersten Rippe angeordneten zweiten Rippe. Eine Rippe hat zu beiden Seiten je eine Flanke.
Die Furche hat grundsätzlich eine Furchentiefe, die der Rippenhöhe entspricht. Grundsätzlich sind zwei benachbarte Rippen in der Längsrichtung parallel oder im Wesentlichen parallel zu einander orientiert, d.h. insbesondere mit Winkelabweichungen < 5°.
Zwei benachbarte Furchen weisen einen Furchenabstand auf, der in der Regel von Furchenmitte zu Furchenmitte der zwei benachbarten Furchen insbesondere in Längsrichtung der Furchen gemessen wird. Grundsätzlich weisen Riblets eine Furchentiefe auf, die näherungsweise der Hälfte des Furchenabstands entspricht, mit einer Abweichung < 30%.
Riblets haben insbesondere für die genannten Einsatzarten jeweils einen typischen Furchenabstand zwischen 40 µm und 200 µm. Für den Fall des Langstrecken-Flugzeugs (d.h. typischerweise ungefähr 850 km/h Relativgeschwindigkeit in ungefähr 10.000 m Höhe) sollte beispielsweise der Abstand der Furchen vorteilhaft 100 µm betragen.
Bei dieser Ausgestaltung oder in einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Furchenabstand ungefähr 100 µm. Insbesondere sollten dann die Furchen idealerweise 50 µm tief sein und einen rechteckigen Querschnitt besitzen. Die Stege zwischen den Furchen sollten möglichst schmal sein Als häufiger Kompromiss zwischen dieser aerodynamischer Forderung und der mechanischen Stabilität hat sich für die Querschnittsform der Stege ein senkrecht stehendes Dreieck ergeben, das an der oberen Spitze insbesondere einen 30° Flankenwinkel aufweist. Solche Riblets können wie oben erwähnt bei einem Langstreckenflugzeug, d.h. mit einer typischen vorgesehenen Geschwindigkeit von ungefähr 850 km/h in ungefähr 10.000 m Höhe, besonders effektiv zur Reduzierung des Strömungswiderstandes verwendet werden.
Das Herstellen von Riblets durch Laserinterferenzstrukturierung ermöglicht das großflächige Applizieren Ribletstrukturen mit besonders hoher Prozessgeschwindigkeit und ermöglicht so ein besonders wirtschaftliches, einfaches und flexible anwendbares Herstellen von Riblets auf Flugzeugen, Schiffen und Windkraftanlagen. Zusätzliche mechanische Bearbeitungsprozesse wie zum Beispiel Schleifen entfallen.
DLIP ist die Abkürzung für Direct Laser Interference Patterning (wörtlich übersetzt „Direktes Laser Interferenz Musterung“) und ist eine bekannte Mehrstrahl-Laserinterferenz-Technik, bei der Interferenz gezielt zur Mikrostrukturierung von Oberflächen eingesetzt wird. Tests haben ergeben, dass Zweistrahl-Laserinterferenzstrukturierung besonders geeignet zur Erzeugung einer Ribletstruktur ist Für DLIP wird grundsätzlich hinreichend kohärentes Laserlicht eingesetzt, so dass es in zwei identische Teilstrahlen aufgeteilt werden kann, die miteinander interferieren können. Diese Teilstrahlen werden dann unter einem definierten Winkel auf der Lackoberfläche zur Überlappung gebracht. Da die Wellenstruktur der Teilstrahlen identisch ist, bilden sich im Überlappungsbereich regelmäßige Zonen mit konstruktiver und destruktiver Interferenz, das heißt mit maximaler und minimaler Lichtintensität. Entsprechend bilden sich auf der Lackoberfläche durch den intensitätsabhängigen Laserabtrag parallele Furchen, deren Abstand a von der Wellenlänge λ des Laserlichts und von dem Vereinigungswinkel 2α zwischen den beiden Teilstrahlen abhängig ist, wobei L der zu dem Furchenabstand a korrespondierende Abstand zweier benachbarter Intensitätsmaxima ist: L = λ / 2 sinα (siehe 3 bis 6).
Für eine gegebene Wellenlänge λ kann durch Variation des Winkels α der Abstand L und somit die Ribletstruktur mit dem Furchenabstand a vorteilhaft an die verschiedenen Einsatzgebiete angepasst werden. Vorteilhaft ist zudem, dass die Feinheit der Struktur nicht durch entsprechend starke Fokussierung des Laserstrahls geschaffen wird, sondern dass sie sich durch die Interferenz selbst generiert. Dadurch ist sie weitgehend unabhängig vom Arbeitsabstand des Bearbeitungskopfs bzw. Optikkopfes.
Vorteilhafterweise gestaltet man den Überlappungsbereich der Teilstrahlen als langgestrecktes Rechteck (z. B 100:1), indem zur Bündelung der Strahlen Zylinderlinsen benutzt werden. Man erhält so einen relativ breiten Streifen mit Ribletstruktur, der mit Geschwindigkeiten im Bereich Meter pro Sekunde in Querrichtung verfahren wird. So wird das großflächige Applizieren von Riblets mit besonders hoher Prozessgeschwindigkeit ermöglicht. Dabei ist das Verfahren besonders einfach und flexibel anwendbar und ermöglicht dadurch den wirtschaftlichen Einsatz von Riblets bei Flugzeugen, Schiffen und Windkraftanlagen.
Für eine besonders effektive Laserstrukturierung vorteilhaft ist, wenn das Laserlicht vom Lack hinreichend stark absorbiert wird. Das heißt, die Wellenlänge des Lasers überlappt mit einer spektralen Absorptionsbande des Lacks. Die Tiefe des Laserabtrags kann dann in einer Ausgestaltung über die Intensität und Einwirkdauer der Strahlung eingestellt werden. Die Einwirkdauer kann in einer Ausführungsform so gewählt sein, dass der Laserabtrag schneller erfolgt als die Dissipation der Energie durch Wärmeleitung. Damit kann vermieden werden, dass die Mikrostruktur „verschmiert“. Eine Ribletstruktur mit z. B. a = L = 100 µm wird in der Regel nicht wesentlich beeinträchtigt, wenn die für die Wärmeleitung relevante materialabhängige thermische Diffusionslänge < 10 µm ist. Bei typischen Lacksystemen kann dies vorteilhaft gewährleistet werden, wenn in einer Ausführungsform die Einwirkdauer der Laserstrahlung < 1 msek ist. (Bei Metallen liegt dieser Wert beispielsweise bei < 1 µsek.)
Sowohl die Decklacke bei Flugzeugen und Windkraftanlagen als auch die Unterwasseranstriche bei Schiffen sind überwiegend Polyurethansysteme (PUR). Es kommen jedoch auch Epoxy- und Acrylsysteme zum Einsatz. Für all diese Systeme bzw. typische Lacksysteme zeigen die Absorptionsspektren mehr oder weniger ausgeprägte Überlappungen mit dem Emissionsbereich des CO₂-Lasers. Dieser Laser kann mit selektiven Wellenlängen im Bereich zwischen 9 µm und 11 µm betrieben werden. Ribletstrukturen von 40 - 200 µm können somit in einer Ausführungsform gemäß der obigen Formel mit einem Vereinigungswinkel 2α im Bereich zwischen 25° und 3° erzeugt werden. Somit ist der CO₂-Laser ein besonders geeignetes Werkzeug, um die genannten Lacksysteme zu strukturieren. In einer Ausgestaltung ist die Einwirkdauer der Laserstrahlung < 1 msek. Der Prozess ist vorzugsweise so eingerichtet, dass die innerhalb dieser Zeit vom Lack absorbierte Energie ausreicht, um den Materialabtrag in der gewünschten Tiefe zu bewirken.
Beim CO₂-Laser kann man Pulsdauern < 1 msek durch gepulste elektrische Anregung erzielen. Alternativ kann man bei einem kontinuierlich emittierenden Laser die Größe des Bearbeitungsfelds und die Scangeschwindigkeit so auf einander abstimmen, dass sich eine Einwirkzeit < 1msek ergibt.
Die Energie, die innerhalb einer bestimmten Dicke des Lacks absorbiert wird, ist grundsätzlich abhängig von dem wellenlängenspezifischen Absorptionskoeffizienten und der Intensität des Laserlichts. Der CO₂-Laser besitzt typischerweise zwei besonders intensive Emissionslinien bei 10,6 µm und 9,6 µm. In PUR-Systemen ist der Absorptionskoeffizient fünffach größer bei 9,6 µm als bei 10,6 µm. Um in einer definierten Schichtdicke also die gleiche Energie zu deponieren, müsste daher bei λ = 10,6 µm die fünffach höhere Laserintensität als bei 9,6 µm eingesetzt werden. Um mit der 9,6 µm Laserlinie auf einer PUR-Oberfläche eine Ribletstruktur zu generieren, beträgt die Energiedichte vorzugsweise ca. 1J/cm², wobei dieser Wert entsprechend der gewünschten Abtragtiefe angepasst werden kann. Geht man beispielsweise bei 1 J/cm² von einem 1 kW Laser und 1 ms Einwirkzeit aus, so resultiert daraus für den Überlappungsbereich der Teilstrahlen eine Fläche von 1 cm². Wenn diese Fläche als langgestrecktes Rechteck (100 : 1) gestaltet wird, so ergibt sich daraus als Interferenzbild ein 10 cm breiter und 1 mm hoher Streifen, der mit 1 m/s Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt wird. Dies entspricht 0,6 m²/min Flächenleistung bzw. Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Vorzugsweise wird der gesamte Aufbau für die Oberflächenbearbeitung als kompakter, monolithischer Block entlang der Lackoberfläche geführt. Vorteilhaft dabei ist, dass das Verfahren berührungslos und verschleißfrei arbeitet. Der Arbeitsabstand ist unkritisch, besonders solange die Teilstrahlen auf der Lackoberfläche hinreichend stark überlappen. Selbst freigeformte Oberflächen können daher auch ohne extrem komplexe Bahnsteuerung bearbeitet werden.
Dass die Mikro-Strukturierung von Lacken mit Millisekunden-Pulsen eines CO₂-Lasers oder sogar mit einem Dauerstrich CO₂-Laser möglich ist, ist für Fachkreise überraschend. Dort herrscht die Meinung vor, dass bei Lacken auf Polymerbasis (z.B. PUR) bei dem relativ langsamen Energieeintrag, entgegen der gemachten Beobachtung, Rußbildung und andere unerwünschte Zersetzungs- und Schmelzeffekte auftreten. Offensichtlich denkt man bei Mikrostrukturierung fälschlicherweise immer an Laserablation; ein Prozess bei dem mit Nanosekundenpulsen lokal eine sprunghafte Temperaturerhöhung erzeugt wird, die ohne Rußbildung das Abplatzen von Material bewirkt.
Für die Strukturierung oder Texturierung von lackierten Oberflächen mit Lasern zur Erzielung von Strukturen im Mikrometerbereich ist die Einwirkdauer der Laserstrahlung insbesondere < 1 ms, damit die Strukturierung nicht infolge der thermischen Diffusion „verschmiert“ wird. Entsprechende Einwirkdauern kann man erzielen, indem man die Scangeschwindigkeit und die Geometrie des Bearbeitungsbereichs passend wählt oder indem man die elektrische Anregung des Lasers taktet.
In einer Ausführungsform werden die Riblets in eine bereits lackierte Oberfläche, die dazu geeignet ist, im Betrieb einer Strömung ausgesetzt zu werden, nachträglich mittels des Laserinterferenzstrukturierung eingebracht. Bereits lackierte Oberfläche meint, dass der Lack bereits ausgehärtet ist und die Oberfläche grundsätzlich für den späteren Betrieb einsatzbereit ist. Durch das nachträgliche Einbringen der Riblets wird lediglich der Strömungswiderstand reduziert.
In einer Ausführungsform ist der Laser ein CO₂-Laser. Ein besonders hoher Absorptionsgrad kann so in gebräuchlichen Lacken insbesondere in Lacken auf PUR-Basis erzielt werden.
In einer Ausführungsform ist der Laser ein Dauerstrich CO2- Laser. Solche Laser mit entsprechenden Fokussier- und Kohärenzeigenschaften sind in einem Leistungsbereich bis zu Multikilowatt für die Materialbearbeitung im industriellen Einsatz.
In einer Ausführungsform ist der Laser, insbesondere CO₂-Laser, für ein Emittieren eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 9,3 µm, 9,6 µm oder 10,6 µm eingerichtet ist, undr die Riblets werden in r einen Lack, bevorzugt Klarlack, auf Basis von Polyurethan oder Acryl oder Epoxy eingebracht.. Riblets mit besonders hoher Qualität mit besonders sauberen Furchen und Rippen können so hergestellt werden. Besonders bei Einsatz eines CO₂-Lasers, der im 001 - 020 Band bei der Wellenlänge λ = 9,6 µm betrieben wird, können Riblets in Oberflächenlack in Form eines Polyurethansystems mit besonders hoher Prozessgeschwindigkeit und Qualität eingebracht werden.
Interferierende Laserstrahlung umfasst bevorzugt zwei Strahlenbündel, die so auf die Oberfläche gerichtet werden, dass die beiden Strahlenbündel miteinander interferieren. Die beiden Strahlenbündel und somit die interferierende Laserstrahlung können insbesondere durch Strahlteilung des Ausgangs-Laserstrahls gewonnen werden, so dass die interferierende Laserstrahlung auf die Oberfläche entsprechend verteilte Energie einbringt. Die interferierende Laserstrahlung erzeugt eine sinusförmige Interferenzstruktur auf der Oberfläche mit periodisch nebeneinander angeordneten Intensitätsmaxima im Abstand L voneinander. Beim synchronen Bewegen der beiden Strahlenbündel in Längsrichtung wird so eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Furchen erzeugt.
Geht man von einem intensitätskonformen Materialabtrag aus, so erzeugt das sinusförmige Intensitätsprofil ein ebenfalls sinusförmiges Höhenprofil auf der Lackoberfläche.
Idealerweise sollte bei den Furchen der Riblets in einer Ausführungsform das Verhältnis von Breite zu Tiefe 2 zu 1 sein und die Stege sollten insbesondere möglichst dünn sein. Bei einem sinusförmigen Höhenprofil mit 2/1 Breite zu Tiefe sind die Kuppen und Täler extrem flach. Das heißt es gibt in der Regel keine ausgeprägten Stege. Somit können solche Riblets nur bedingt wirksam sein. Wünscht man ein Sinusprofil mit scharfen Spitzen, so ist insbesondere die Amplitude der Welle groß gegenüber ihrer Periode einzustellen. Da aber beispielsweise die Furchenbreite und somit die Periode mit 100 µm festliegt, würde sich daraus für die Furchentiefe ein theoretischer Wert > 500 µm ergeben, was wiederum im Widerspruch zur Funktionalität der Riblets stünde.
Konventionelle Flugzeuglackierungen sind insbesondere 100 - 150 µm stark, also deutlich dünner als die obige theoretische Abtragtiefe. Dies sind Mehrschichtsysteme, die im Wesentlichen aus der Grundierung, dem Basislack mit Farbpigmenten und der Klarlackdeckschicht bestehen. Die Transmissionseigenschaften der verschiedenen Schichten sind für das Laserlicht sehr unterschiedlich. So wird beispielsweise IR - Strahlung mit der Wellenlänge λ = 9,6 µm in der PUR -Klarlackschicht aufgrund der entsprechenden PUR - Absorptionsbande zu einem erheblichen Teil absorbiert und kann dort bei entsprechender Intensität Furchen mit relativ spitzen Stegen dazwischen generieren. In dem darunter liegenden Epoxi - Basislack ist die Absorption der 9,6 µm Strahlung wesentlich kleiner, so dass von vornherein weniger Material abgetragen würde. Hinzu kommt, dass der Basislack fein suspendiert Titandioxid - Pigmente enthält, die aufgrund ihrer starken Streueigenschaft zur Homogenisierung der Lichtintensität und somit zum Verwischen der Interferenzstruktur führen. Ein wesentlicher Materialabtrag in der Basislackschicht findet daher nicht statt. Diese Schicht bildet daher eine Barriere und begrenzt somit den weiteren Tiefenabtrag in den Furchen. In einer Ausführungsform wird die Tiefe der Ribletfurchen somit durch die Dicke der Klarlackschicht bestimmt.
In einer Ausführungsform werden die Riblets durch einen Laserstrahl und einen zusätzlichen Laserstrahl hergestellt, wobei der Laserstrahl und der zusätzliche Laserstrahl um einen Versatz ΔL quer zu einer Vorschubrichtung oder quer zu einer Längsrichtung der Riblets örtlich versetzt auf eine Oberfläche zum Herstellen der Riblets fallen. Längsrichtung der Riblets meint Längsrichtung der Rippen und/oder Furchen der Riblets. Vorschubrichtung meint die Richtung einer Relativbewegung des Laserstrahls und/oder des zusätzlichen Laserstrahls relativ zur Oberfläche. Riblets mit besonders steilen Flanken, d.h. Wände, und besonders schlanken Rippen, d.h. Stegen, können auf diese Weise hergestellt werden.
In einer Ausführungsform wird der zusätzliche Laserstrahl von einem zusätzlichen Laser emittiert oder der zusätzliche Laserstrahl wird durch Teilung des Laserstrahls bzw. Abtrennung oder Abzweigung vom Laserstrahl erzeugt. In einer weiteren Ausführungsform entspricht der zusätzliche Laserstrahl dem Laserstrahl, jedoch zeitlich versetzt z.B. bei einer späteren Bearbeitungsbahn über denselben Oberflächenbereich. In allen diesen drei Ausführungsformen wird ermöglicht, dass mittels eines oder mehrerer Laser mindestens zwei Intensitätsmaxima im Abstand L quer zur Vorschubrichtung eines Laserstrahls, zusätzlichen Laserstrahls und/oder Teilstrahlen erzeugt werden, und zwar gleichzeitig oder zeitlich versetzt. Diese Intensitätsmaxima bilden sich bei einer Relativbewegung in Vorschubrichtung als Furchen auf der Oberfläche ab. Besonders schmale Rippen zwischen zwei solcher Furchen können auf diese Weise erzeugt werden. Zudem können quer zur Vorschubrichtung überlappende Furchen erzeugt werden, wobei die beiden Flanken einer Rippe zwischen zwei solchen überlappenden Furchen dann jeweils zeitlich versetzt oder durch unterschiedliche Laserstrahlen oder Teilstrahl erzeugt werden.
In einer Ausführungsform werden mittels des Lasers die Riblets in eine äußere Decklackschicht eingebracht und/oder eine unter der Decklackschicht angeordnete Basislackschicht weist einen verglichen mit der Decklackschicht geringen Absorptionsgrad für die Wellenlänge des Lasers auf, d.h. für die Wellenlänge des durch den Laser emittierten Laserstrahls bzw. interferierende Laserstrahlung.
Bevorzugt ist die Decklackschicht eine Klarlackschicht, insbesondere auf Polyurethan-Basis. Die Basislackschicht ist vorzugsweise ein Kunststoff und/oder Harz, besonders bevorzugt ein Epoxidharz.
In einer Ausführungsform wird die unter der Decklackschicht angeordnete Basislackschicht mittels des Lasers teilweise freigelegt. In einer weiteren Ausführungsform wird eine unter einer Materialschicht angeordneten Unterschicht mittels des Lasers teilweise freigelegt, wobei die Materialschicht die Decklackschicht und/oder die Unterschicht die Basislackschicht sein kann. Teilweise freilegen meint, dass in einem oder mehreren Teilen die Unterschicht nicht von der Materialschicht bedeckt wird oder die Basislackschicht nicht von der Decklackschicht bedeckt wird. Die Oberfläche kann an diesem Teil oder diesen Teilen von der Unterschicht bzw. der Basislackschicht gebildet werden. Durch das teilweise Freilegen der Unterschicht oder Basislackschicht kann eine besonders flache Talfläche oder ebener Grund einer Furche eines Riblets ermöglicht werden. Eine besonders effektive Strömungswiderstandsreduzierung ist möglich.
In einer Weiterentwicklung ist der Absorptionsgrad der Basislackschicht in der Weise geringer als der Absorptionsgrad der Decklackschicht, dass die für einen Materialabtrag vorgesehene Bearbeitungsschwelle oder Schwellintensität des Laserstrahls oder der interferierenden Laserstrahlung in der Decklackschicht erreicht oder überschritten wird, nicht jedoch in der Basislackschicht.
In einer Weiterentwicklung umfasst die Basislackschicht TiO₂-Partikel, um eine verglichen mit der Decklackschicht geringe Absorption für z.B. die Wellenlänge λ = 9,6 µm eines CO₂-Lasers zu erhalten und/oder um ein Erreichen der Bearbeitungsschwelle oder Schwellintensität für einen Materialabtrag zu vermeiden.
Die durch den Laser in die Decklackschicht oder Materialschicht eingebrachte Energie sorgt für einen Materialabtrag, derart, dass sich die Intensitätsverteilung des Laserstrahls bzw. der Interferenzstruktur mit einer dazu zumindest näherungsweise korrespondierenden Form einer Ausnehmung oder Furche in der Decklackschicht oder Materialschicht abbildet.
Durch die geringere Absorption insbesondere unterhalb der Bearbeitungsschwelle oder Schwellintensität für einen Materialabtrag in der Basislackschicht bildet sich die Intensitätsverteilung in der Basislackschicht nicht ab. Die insbesondere ebene Oberseite der Basislackschicht, die an die Decklackschicht angrenzt und durch den Laser zumindest teilweise freigelegt wird, kann so erhalten bleiben.
Dies ist besonders aus nachfolgend beschriebenen Gründen von Vorteil.
Grundsätzlich gilt, je rechteckiger der Querschnitt, desto höher die Reduzierung des Strömungswiderstands.
Ferner gilt grundsätzlich, je spitzer die insbesondere stegförmigen Rippen oder Stege zwischen den Furchen, also je schmaler, desto höher die Reduzierung des Strömungswiderstands.
In einer Ausführungsform werden die Riblets in die Oberfläche eines Flugzeugs, eines Schiffes oder der Rotorblätter einer Windkraftanlage eingebracht. Eine besonders effektive Reduzierung des Strömungswiderstandes kann hierdurch ermöglicht werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Herstellen von Riblets mit einem für das Herstellen der Riblets eingerichteten Laser oder Dauerstrichlaser, insbesondere CO₂-Laser. Die Ausführungsformen dieser Vorrichtung sind bereits aus der Beschreibung des Verfahrens ersichtlich. Insbesondere umfasst die Vorrichtung mindestens einen Laser und einen Optikkopf mit mindestens einer Strahlteilungsvorrichtungen und mindestens einer Fokussierungsvorrichtungen.
Riblets, die durch einen Dauerstrichlaser hergestellt wurden, zeigen eine kontinuierlich erzeugte Furche, wobei vereinzelnd Schmelzspuren und/oder Zersetzungseffekte beobachtbar sein können.
Insbesondere können mittels Laser Riblets mit sehr spitzen Rippen mit einer Rippenspitzenbreite b_T von höchstens 1 µm oder 2 µm hergestellt werden, insbesondere wie in 5 gezeigt quer zur Längsrichtung gemessen und/oder gemessen genau 1 µm unterhalb des höchsten Punktes der Rippenspitze.
Insbesondere können mittels Laser Riblets mit sehr spitzen Rippen mit einer Breite der Rippe von höchstens 30% oder 40% des Furchenabstands hergestellt werden, wobei mit Breite der Rippen die Erstreckung quer zur Längsrichtung gemeint ist und zwar gemessen in einem Abstand unterhalb des höchsten Punktes der Rippenspitze von insbesondere einem Drittel der Furchentiefe oder Rippenhöhe.
Insbesondere weisen die Riblets Flanken von Rippen zwischen Furchen auf, die eine Intensitätsverteilung eines Laserstrahls oder einer Intensitätsverteilung einer Interferenzstruktur abbilden, d.h. einen Abschnitt einer entsprechenden Messkurve der Intensität I über eine Achse x auf der Oberfläche quer zur Vorschubrichtung.
Es zeigen:

1: Schematische Darstellung der Herstellung von Riblets mittels eines Lasers nachträglich auf eine bereits lackierte Flugzeugoberfläche.
2: Schematische Darstellung einer Strahlteilungs- und Fokussierungsvorrichtung zum Erzeugen einer Interferenzstruktur auf einer Oberfläche.
3: Schematische Darstellung des Abbildens einer Interferenzstruktur in eine Materialschicht.
4: Schematische Darstellung des Abbildens einer Interferenzstruktur in eine Decklackschicht und eine darunter liegenden Basislackschicht.
5: Schematische Darstellung eines Herstellens von Riblets durch das örtlich versetzte Einbringen von Laserstrahlung in eine Materialschicht.
6: Schematische Darstellung eines Herstellens von Riblets durch das örtlich versetzte Einbringen von Laserstrahlung in eine Oberfläche mit einer Decklackschicht und einer Basislackschicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der durch Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert und mit Bezug zu den Zeichnungen die Ausführungsformen sowie zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltungen näher beschrieben.
Die 1 zeigt eine exemplarische Vorrichtung zum Herstellen von Riblets 1 in die bereits lackierte Oberfläche 3 eines Flugzeugs 10, zum Beispiel nach einer Neu- oder Umlackierung oder bei einer Instandhaltung, wobei die Riblets 1 mittels eines Dauerstrichlasers 2, insbesondere CO₂-Laser, hergestellt werden. Die Oberfläche 3 ist also zu Beginn der Laserbearbeitung bereits getrocknet und ausgehärtet. Keine weiteren materialabtragenden Werkzeuge wie z.B. Schleifen werden eingesetzt.
Eine Bewegungseinheit in der Art eines 5 Achsenroboters 14 ist vorgesehen, die so eingerichtet ist, dass ein Laserstrahl 15, interferierende Laserstrahlung 16, ein zusätzlicher Laserstrahl 17 und/oder zusätzliche interferierende Laserstrahlung 18 relativ zur Oberfläche 3 bewegt werden kann, bevorzugt motorisiert mittels Antrieb und/oder automatisch mittels einer Steuerung für den Antrieb. Eine großflächige Laserstrukturierung oder DLIP mit besonders großer Flächenrate kann so realisiert werden.. Die Bewegungseinheit 14 umfasst eine Fokussierungsvorrichtung 20 und/oder eine Strahlteilungsvorrichtung 21, vorzugsweise als eine kompakte Baueinheit, so dass ein definierter Spotdurchmesser auf der Oberfläche 3 eingestellt werden kann, der insbesondere auch während der Relativbewegung konstant bleibt. Der Dauerstrichlaser 2 ist über eine bewegliche Strahlführungsvorrichtung mit der Fokussierungsvorrichtung 20 und/oder eine Strahlteilungsvorrichtung 21 verbunden, so dass die Bewegungseinheit 14 unabhängig von dem stehenden Dauerstrichlaser 2 bewegt werden kann. Die Bearbeitung erfolgt wie in 1 gezeigt in Vorschubrichtung 9.
Allgemein sind Flugzeuglackierungen Mehrschichtsysteme. Im Wesentlichen bestehen solche Mehrschichtsysteme für Flugzeuglackierungen aus einer Grundierung als Korrosionsschutz und Haftvermittler, einem Basislack der Basislackschicht 5 insbesondere mit Farbpigmenten und/oder einem Klarlack der Decklackschicht 4. Der Basislack ist in der Regel eine Mehr-Komponenten-Epoxidharzbeschichtung. Der Klarlack basiert dagegen bevorzugt auf einem Polyurethansystem (PUR). Damit der optische Eindruck der Flugzeugoberfläche nicht beeinträchtigt wird, ist es vorteilhaft, die Ribletstruktur in die insbesondere transparente Decklackschicht 4 einzubringen. Ist die Decklackschicht auf Polyurethanbasis ausgeführt, besitzt sie eine IR-Absorptionsstruktur im Emissionsbereich des CO₂-Lasers. Insbesondere überlappt eine charakteristische PUR-Absorptionsbande mit einer besonders starken Emissionswellenlängen (λ = 9,6 µm) des CO₂-Lasers. Wenn eine Ribletstruktur, also Riblets 1, mit einem Furchenabstand a = 100 µm herstellt werden sollen ist, so gilt bei der Wellenlänge λ = 9,6 µm für den Winkel θ zwischen den beiden Teilstrahlen 6, 7 die Gleichung 2 θ = 5° 30'.
2 zeigt einen exemplarischen optischen Aufbau einer Strahlteilungsvorrichtung 21 und Fokussierungsvorrichtung 20 zum Umwandeln eines Laserstrahls 15 in eine interferierende Laserstrahlung 16. Die folgenden Ausführungen gelten analog für einen zusätzlichen Laserstrahl 17, der in eine zusätzliche interferierende Laserstrahlung 18 umgewandelt wird.
Der einfallende Laserstrahl 15 wird wie in 2 gezeigt an einem bevorzugt nicht polarisierenden Strahlteiler, vorzugsweise ein teildurchlässiger Spiegel 22, in einen ersten Teilstrahl 6 und einen zweiten Teilstrahl 7 aufgeteilt.
Analog kann der einfallende Laserstrahl 15 in einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung so aufgeteilt werden, dass zwei unterschiedliche Laserstrahlen mit jeweils nur einem Intensitätsmaximum I_max eine Furche 13 in die Oberfläche 3 ziehen können.
In dem exemplarischen optischen Aufbau der 2 werden die Teilstrahlen 6, 7 mithilfe optischer Spiegel 23 so auf die Oberfläche 3 gelenkt, dass sie dort unter einem vorbestimmten Winkel α auftreffen. Der Abstand L ist grundsätzlich von der Wellenlänge λ des Laserlichts und von dem Vereinigungswinkel 2α zwischen den beiden Teilstrahlen 6, 7 abhängig, und zwar insbesondere gemäß der Gleichung L = λ / 2sinα. Bevorzugt gilt die Gleichung θ = 2α, d.h. beide Teilstrahlen 6, 7 fallen unter demselben Winkel α auf die Oberfläche 3.
Insbesondere wird der gesamte optische Aufbau mit Strahlteilungsvorrichtung 21 und/oder Fokussierungsvorrichtung 20 als kompakter, monolithischer Block ausgeführt. Dieser kann somit besonders einfach entlang der Oberfläche 3 des Flugzeugs 10 oder Flugzeugbauteils geführt. Vorteilhaft dabei ist, dass das Abtragungsverfahren - mit Ausnahme der Rollen - berührungslos und verschleißfrei arbeitet. In einer Weiterentwicklung wird die Bewegungseinheit berührungslos über die Oberfläche bewegt. Damit wird selbst eine Berührung der Oberfläche durch Rollen vermieden. Durch Einsatz einer interferierenden Strahlung kann ein besonders großer Toleranzbereich hinsichtlich des Arbeitsabstands, d.h. der Fokuslage relativ zur Oberfläche 3, ermöglicht werden.
Vorzugsweise ist der Arbeitsabstand über einen Bereich senkrecht zur Oberfläche 3 im Toleranzbereich, in welchem die Teilstrahlen 6, 7 auf der Oberfläche 3 für ein planmäßiges Abtragen hinreichend stark überlappen, also beispielsweise die Intensitätsmaxima I_max die gewünschte Schwellintensität noch erreichen. Selbst freigeformte Oberflächen können somit auch ohne extrem komplexe Bahnsteuerung, die in der Regel zur Anpassen der Fokuslage durch die Fokussierungsvorrichtung an Höhenunterschiede der Oberfläche bestimmt ist, bearbeitet werden.
Um eine gewünschte Ribletstruktur bzw. Riblets 1 mittels Laser herzustellen, können mehrere Ansätze gewählt werden, die im folgenden anhand alternativer oder ergänzender Ausführungsformen beschrieben werden. Durch den in einer Ausführungsform frei und kontinuierlich einstellbaren Winkel α kann der Abstand L der Intensitätsmaxima I_max einer insbesondere periodischen Verteilung der Laserintensität I(x) über einer Querachse x senkrecht zur Vorschubrichtung 9 oder Längsrichtung 8 der Riblets auf die Oberfläche 3 eingestellt werden. In einer Ausgestaltung kann die insbesondere periodische Intensitätsverteilung eine modifizierte Sinusfunktion, sinusartig oder sinusförmig sein.
Die 3 illustriert, wie die Intensität I(x) an einer Position der Querachse x mit der Abtragtiefe korrelieren kann, so dass sich diese Intensitätsverteilung in das Höhenprofil der Oberfläche 3 übertragen lässt.
In einer Ausgestaltung ist die Dicke der Decklackschicht 4, insbesondere aus Klarlack auf PUR-Basis, gleich oder größer als die gewünschte Furchentiefe d der Riblets 1, also der Höhe der Rippen 12.
Die 4 zeigt eine Oberfläche 3, bei der unterhalb von einer Materialschicht bzw. Decklackschicht 4 eine Unterschicht bzw. Basislackschicht 5 angeordnet ist, wobei die Intensität I(x) der Laserstrahlung an einem Intensitätsmaximum I_max so hoch ist, dass die Materialschicht bzw. Decklackschicht 4 teilweise vollständig abgetragen und die Unterschicht bzw. Basislackschicht 5 somit teilweise vollständig freigelegt ist. Teilweise meint hier die Stelle der Oberfläche 3, an der eine Energie des Lasers mit dem Intensitätsmaximum I_max eingebracht wird.
Bei den 3 und/oder 4 ist die Laserstrahlung insbesondere die interferierende Laserstrahlung 16, die bevorzugt durch Umwandlung des Laserstrahls 15 erhalten wurde. Alternativ oder ergänzend ist es grundsätzlich auch möglich, die in den 3 und 4 gezeigten Furchen durch zeitlich und/oder örtlich versetzte, nicht interferierende Laserstrahlen zu erzeugen, die in Summe die gezeigte Intensitätsverteilung erzeugen.
Da die Wellenlänge des vom Laser emittierten Laserlichts in einer Ausgestaltung so gewählt wird, dass es zwar in der Decklackschicht 4 absorbiert wird, jedoch in die Basislackschicht 5 wegen der starken Streuung an den TiO₂-Pigmenten kaum eindringt, stoppt der mittels des Lasers bewirkte Abtragungsprozess an der Basislackschicht 5 von selbst (s. 4).
Die Furchentiefe d entspricht dann der Dicke der Decklackschicht 4, während der Furchenabstand a dem Abstand L der Intensitätsmaxima I_max entspricht. Eine Furche 13 mit besonders glatter Sohle, also ebenem Furchengrund, und steilen Flanken 11 der Rippen 12 können so durch Ausnutzung des sich selbst stoppenden Abtragungsprozess an der Unterschicht bzw. Basislackschicht 5 erzielt werden.
Die 5 zeigt schematisch ein zweistufiges Herstellen von Riblets 1 durch das örtlich versetzte Einbringen von Laserstrahlung 16 in einer ersten Bearbeitungsstufe und von zusätzlicher Laserstrahlung 18 in einer zweiten Bearbeitungsstufe.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in der 5 das Zwischenerzeugnis durch die erste Bearbeitungsstufe vor dem Durchführen der zweiten Bearbeitungsstufe gezeigt. Die erste Bearbeitungsstufe und zweite Bearbeitungsstufe können jedoch auch gleichzeitig erfolgen. Der zweistufige Bearbeitungsprozess ermöglicht das Herstellen von Riblets mit besonders steilen Flanken 11 und spitzen Rippen 12.
Die Furchenbreite, die Furchentiefe, der Furchenabstand und/oder das Verhältnis von Furchentiefe zu Furchenabstand können bevorzugt an die Größe der energieverzehrenden Wirbel an der Oberfläche 3 des Bauteils angepasst werden, die sich im Betrieb des Bauteils bei einer typischen Strömungsgeschwindigkeit auf einer glatten Oberfläche bilden würden. Ideal wären beispielsweise bei einem Langstreckenflugzeug 2 µm breite und bevorzugt rechteckförmige oder rechteckartige Rippen 12 zwischen den Furchen 13 vorzusehen.
Eine solche Ribletstruktur ist jedoch heute kaum wirtschaftlich herstellbar und die mechanische Stabilität wäre zudem für den praktischen Einsatz meist nicht ausreichend. Es wird daher bei Riblets üblicherweise ein Kompromiss zwischen Aerodynamik und mechanische Stabilität unter Annäherung der idealen Struktur angestrebt. Die energieverzehrenden Wirbel sind grundsätzlich von der Strömungsgeschwindigkeit, der Viskosität und der Dichte des Strömungsmediums abhängig.
Durch ein Bauteil mit einer Oberfläche 3 mit Riblets 1 mit 100 µm Furchenabstand von bevorzugt ungefähr 100 µm, und/oder einer Furchentiefe von näherungsweise 50 µm kann bei einem Langstreckenflugzeug in einer Phase einigermaßen konstanter Fluggeschwindigkeit der Gesamtströmungswiderstand, der nicht nur durch die Oberflächenreibung bedingt ist, um bis zu 3 % reduziert werden. Dementsprechend kann auch der Kraftstoffverbrauch sinken.
Bei Windkraftanlagen (WKA) kann bei idealer reibungsfreier Strömung bis zu 60 % der Windenergie in mechanische Energie des Rotors umgewandelt werden. Die Begrenzung ist dadurch bedingt, dass hinter dem Rotor die Windgeschwindigkeit zwar reduziert ist, aber die Luft weiterhin abströmen muss, damit der Staudruck den Rotor nicht blockiert.
In WKAs reduzieren aerodynamische Verluste wie Wirbelbildung und Wandreibung an den Rotorblättern die tatsächlich nutzbare mechanische Energie auf ca. 50 %. Zwar beträgt die Umfanggeschwindigkeit der Rotorspitzen nur ungefähr ein Drittel der Flugzeuggeschwindigkeit, aber die Dichte der Luft am Boden ist dreimal höher als in 10.000 m Höhe. Da die Reynoldszahl einen Einfluss auf die bevorzugte Größe der Riblets 1 hat und die Reynoldszahl das Produkt aus Dichte und Geschwindigkeit enthält, wird die Größe der Riblets grundsätzlich im Bereich 100-200 µm liegen. Die exakte Größe hängt insbesondere von der projektierten Drehzahl der WKA ab und variiert auf dem Rotorblatt mit dem Abstand zur Drehachse. Die Wandreibung kann hierdurch um bis zu 10 % reduziert werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der WKA um 1% bis 2% verbessern kann.
In einer Ausführungsform werden die Riblets 1 durch insbesondere stetige oder stufenweise Erhöhung oder Verringerung der Überlappungswinkel α der beiden Teilstrahlen 6, 7 so hergestellt, dass die Riblets insbesondere quer zur Längsachse 8 eine kleiner werdende oder wachsende Furchenbreite L aufweisen. Die Riblets 1 auf einem Rotorblatt (nicht dargestellt) können so besonders einfach und effektiv an die sich erhöhende Umfanggeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand zur Nabe angepasst werden.
In einer weiteren Ausgestaltung können bei Handelsschiffen die Unterwasserflächen mit Riblets 1 ausgestattet werden. Die für die typischen Reisegeschwindigkeiten dieser Schiffe von 10 bis 20 Knoten bedingen Riblets mit Furchenbreiten zwischen 80 und 200 µm. Solche Riblets 1 können mittels DLIP in den Unterwasserlack eingebracht werden.
Die genannten Ausführungsformen und exemplarische Anwendungen zeigen, dass das Verfahren, die Vorrichtung und die dadurch herstellbaren Bauteile bzw. Oberflächen in einem breiten Bereich eingesetzt werden können.
Besonders vorteilhaft ist dabei,

- dass die Größe der Riblets 1 durch eine einfache Veränderung des Winkel α an den Teilstrahlen 6, 7 variiert werden kann,
- dass die Furchentiefe d der Riblets 1 durch die Intensität und Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden kann,
- dass Riblets 1 mit besonders steilen Flanken 11, schlanken, spitzen Rippen 12 erzeugt werden können, besonders einfach durch leicht versetzte Überlappung von insbesondere im Wesentlichen identischen Interferenzstrukturen, vorzugsweise erzeugt von versetzten Optikköpfen,
- dass die Bearbeitung besonders berührungsfrei und/oder verschleißfrei ist, d.h. lange Standzeiten ermöglicht werden,
- dass besonders wenig Staub und/oder Dämpfe entstehen, die grundsätzlich quantitativ erfasst werden können,
- dass die Bearbeitung vollautomatisch und/oder ferngesteuert erfolgen kann,
- dass eine Skalierbarkeit durch den Einsatz eines CO₂-Dauerstrichlasers bis zu Flächenleistungen von mehreren Quadratmetern pro Minute möglich ist, und/oder
- dass bei Betrieb des CO₂-Dauerstrichlasers bei einer Wellenlänge von 9,6 µm in der Regel besonders strapazierfähige und witterungsbeständige Polyurethanlacke besonders schnell und mit hoher Qualität bearbeitet werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Riblets nachträglich in standardmäßige, ausgehärtete Lackierungen eingebracht. Dies ermöglicht ein besonders flexibles Einbringen der Riblets.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Ribletstrukturen durch interferierende Laserstrahlung oder Interference Patterning erzeugt. Hierdurch können Riblets mit einer besonders hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit eingebracht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden Interferenzstrukturen der interferierenden Laserstrahlung oder des Interference Patterning insbesondere leicht verschoben erzeugt. Besonders spitze und scharfe Ribletspitzen können so durch Überlagerung von insbesondere leicht verschobenen Interferenzstrukturen erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein CO₂-Laser eingesetzt. Gebräuchliche Lacksysteme und besonders vorteilhafte Ribletgrößen können so sehr präzise und effektiv erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Laser mit einer Wellenlänge von 9,6 µm eingesetzt. Eine besonders hohe Absorption in PUR-Lack kann so ermöglicht werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Riblets (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Riblets (1) mittels Laserinterferenzstrukturierung oder DLIP - Direct Laser Interference Patterning - insbesondere in eine lackierte und ausgehärtete Oberfläche eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lacksystem der Oberfläche auf Polyurethan-, Epoxi- und/oder Acryl-Komponenten basiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser eine hinreichende räumliche und zeitliche Kohärenz besitzt, so dass sein Strahl in identische Teilstrahlen aufgeteilt werden kann, die bei nachträglicher Überlagerung regelmäßige Interferenzstrukturen erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser kontinuierlich angeregt wird und im Dauerstrich oder gepulst mit Pulsdauern < 1 ms betrieben wird,
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein CO2 - Laser ist, dessen Emission je nach Lacksystem auf die Wellenlängen 9,3 µm, 9,6 µm oder 10,6 µm eingerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Riblets (1) mit Hilfe interferierender Laserstrahlung hergestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe zweier interferierender Teilstrahlen auf der Lackoberfläche eine Interferenzstruktur erzeugt wird mit Intensitätsmaxima im periodischen Abstand L.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Lateralbewegung der Interferenzstruktur bei gleichzeitigem Laserabtrag parallele Furchen auf der Lackoberfläche und somit Riblets in Strömungsrichtung entstehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Riblets (1) in die äußere Decklackschicht (4) eingebracht werden, wobei eine unter der Decklackschicht angeordnete Basislackschicht (5) eine vergleichsweise geringe Absorption für die entsprechende Laserwellenlänge aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die unter der Decklackschicht (4) angeordnete Basislackschicht (5) mittels der interferierenden Laserstrahlung teilweise freigelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von steilen Flanken an den Ribletstrukturen der ursprüngliche Laserstrahl in vier identische Teilstrahlen aufgeteilt wird und diese wiederum zur Erzeugung von Interferenzstrukturen auf der Lackoberfläche zur Überlappung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der 4 Teilstrahlen eine Interferenzstruktur insbesondere nach Anspruch 7 in zwei getrennten optischen Einheiten erzeugen und die so insbesondere nach Anspruch 8 erzeugten getrennten Furchensysteme relativ zueinander verschoben werden können.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsperiode der beiden Furchensysteme jeweils 2L ist und dass sie quer zur Furche gegeneinander um die Strecke L verschoben sind, so dass daraus durch die Überlagerung der Interferenzstrukturen eine Ribletstruktur mit der Periode L und/oder mit deutlich steileren Flanken als im Fall der Zweistrahl-interferenz resultiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Riblets (1) in die Oberfläche (3) eines Flugzeugs (10), eines Schiffs oder der Rotorblätter einer Windkraftanlage eingebracht werden.
Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens zum Herstellen von Riblets (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist, gekennzeichnet durch einen für das Herstellen der Riblets (1) eingerichteten CO₂-Lasers, eines monolithischen Bearbeitungskopfs integriert mit einem oder zwei Strahlteilern, feinjustierbaren, brechenden und reflektierenden optischen Elementen, sowie einem halb- oder vollautomatischen Manipulator.