Mehr Präzision durch intelligente Oberflächen

Kann eine gezielt strukturierte Oberfläche die Leistung eines Präzisionsantriebs verbessern? Dieser Frage widmete sich ein gemeinsames Forschungsprojekt von Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG, der Fachhochschule Vorarlberg (FHV) und der V-Research GmbH. Im Mittelpunkt standen Piezo-Mikroaktuatoren, die in zahlreichen Hightech-Anwendungen präzise Bewegungen im Mikro- und Nanometerbereich ermöglichen.

Präzisionsbewegungen im Mikrometerbereich
Piezo-Mikroaktuatoren ermöglichen Bewegungen mit höchster Auflösung und Genauigkeit. Sie finden Anwendung in Bereichen wie der Optik, Messtechnik, Halbleiterfertigung, Mikromontage sowie in den Life Sciences. Dabei werden kleinste Bewegungen im Mikro- oder sogar Nanometerbereich realisiert.
Ein wesentlicher Faktor für die Leistungsfähigkeit dieser Systeme liegt in den tribologischen Eigenschaften der Kontaktflächen. Reibung und Verschleiß beeinflussen direkt die Effizienz, Positioniergenauigkeit, Lebensdauer und Betriebssicherheit der Aktuatoren. Bereits geringfügige Veränderungen an den Oberflächeneigenschaften können erhebliche Auswirkungen auf das Gesamtsystem haben.

Tribologie trifft Oberflächenengineering
Im Rahmen des Projekts untersuchte die Abteilung Tribologie der V-Research GmbH unter der Leitung von Igor Velkavrh, wie sich das Reibungs- und Verschleißverhalten von Piezo-Antrieben durch gezielte Laserstrukturierung von Kontaktoberflächen beeinflussen lässt.
Mithilfe moderner Lasertechnologie wurden definierte Mikrostrukturen erzeugt, deren Geometrie und Anordnung gezielt variiert wurden. Ziel war es, Oberflächen nicht nur als passive Bauteile zu betrachten, sondern sie aktiv zur Leistungssteigerung der Antriebssysteme zu nutzen.

„Wer die Leistung von Präzisionssystemen verbessern möchte, muss die kleinsten Details verstehen. Genau hier setzt unsere Forschung an: an der Schnittstelle zwischen Oberfläche, Reibung und Bewegung.“
Dr. Igor Velkavrh, Researcher und Projektleiter, V-Research GmbH

Systematische Untersuchung unterschiedlicher Mikrostrukture
Im Projekt wurden in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Mikrotechnik an der FHV (Prof. Dr. Fadi Dohnal, Dr. Matthias Domke) verschiedene lasererzeugte Mikrostrukturen entwickelt und hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften analysiert. Ziel war es, den Einfluss einzelner Strukturparameter auf Reibung, Verschleiß und Betriebsverhalten der Piezo-Aktuatoren systematisch zu untersuchen.

Im Fokus standen dabei unter anderem folgende Fragestellungen:
• Welche Strukturgeometrien reduzieren den Verschleiß?
• Wie beeinflusst die Orientierung der Mikrostrukturen die Reibung?
• Welche Abstände zwischen den Strukturelementen führen zu optimalen Ergebnissen?
• Wie wirken sich unterschiedliche Oberflächenmuster auf die Langzeitstabilität des Systems aus?

Durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen konnten wichtige Zusammenhänge zwischen Oberflächenstruktur und tribologischer Performance identifiziert werden.

Zentrale Erkenntnisse
Die Untersuchungen zeigen, dass laserstrukturierte Oberflächen großes Potenzial zur Optimierung von Präzisionsantrieben bieten. Gleichzeitig wurde deutlich, dass nicht jede Struktur automatisch zu besseren Ergebnissen führt.
Entscheidend ist die konkrete Auslegung der Mikrostrukturen: Geometrie, Abstand und Orientierung beeinflussen Reibung und Verschleiß maßgeblich. Während bestimmte Strukturen die tribologische Performance deutlich verbessern können, zeigen andere nur geringe oder sogar nachteilige Effekte. Erfolgreiche Oberflächenfunktionalisierung erfordert daher eine präzise Abstimmung auf die jeweilige Anwendung.

Beitrag für zukünftige Präzisionsantriebe
Die gewonnenen Erkenntnisse liefern wertvolle Grundlagen für die Weiterentwicklung hochpräziser Antriebssysteme. Sie zeigen, wie sich durch das gezielte Zusammenspiel von Tribologie, Laserstrukturierung und Oberflächenengineering die Effizienz und Lebensdauer zukünftiger Piezo-Aktuatoren weiter steigern lassen.
Das Projekt verdeutlicht zugleich den Mehrwert interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Industrie, Hochschule und angewandter Forschung und unterstreicht die Kompetenz der V-Research GmbH im Bereich Tribologie und funktionalisierter Oberflächen.

👉 Mehr zu den Forschungsaktivitäten und Leistungen von V-Research in den Bereichen Tribologie, Materialentwicklung und Materialanalyse finden Sie hier.

Bildcredits: © Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG, Igor Velkavrh – V-Research GmbH, © ACR/schewig-fotodesign