Forschung an der Kontaktoberfläche
Bessere elektrische Kontakte im Auto
Der Materialforscher Frank Mücklich hat über viele Jahre an der Entwicklung eines Laserverfahrens gearbeitet, welches elektrische Kontakte wesentlich stabiler und verlustärmer machen kann. Dafür wurde der Saarbrücker Professor vor kurzem mit dem Albert-Keil-Preis des VDE ausgezeichnet.
Der Großteil der Defekte am Auto liegt heute im elektrischen System. Wenn die Autoelektronik eine solche Fehlermeldung anzeigt, liegt das nicht selten an einer der zahlreichen Steckverbindungen, die durch Temperatur- oder Feuchtigkeitsänderung oder Vibration unterbrochen wurde – Bruchteile einer Sekunde genügen. In einem Mittelklassewagen kommen heute mehr als 2000 Steckkontakte zum Einsatz. Eine Optimierung der Kontaktoberflächen kann hier zum Beispiel dazu beitragen, die Sicherheit deutlich zu erhöhen.
»Mit unserem Verfahren konnten wir den Kontaktwiderstand drastisch senken, nämlich um bis zu 80 Prozent im Vergleich zu elektrischen Kontakten mit herkömmlichen technischen Oberflächen« , erläutert Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes. Wichtig ist, dass die Verbindungen auch bei widrigen Wetterbedingungen wie hoher Luftfeuchtigkeit oder enormer Hitze oder Kälte zuverlässig funktioniert.
Bei dem entwickelten Verfahren handelt es sich um eine direkte Laser-Interferenz-Strukturierung (DLIP – Direct Laser-Interference-Patterning), welche zu einer biomimetischen, mikrotopografischen Oberflächenstrukturierung führt. Dabei werden mit mehreren gebündelten Laserstrahlen, die sich wellenartig überlappen, mikroskopisch feine und symmetrische Muster auf einer Materialoberfläche erzeugt. Diese rufen wiederum mikroskopisch feinste, periodische Höhenstrukturen im Mikrometerbereich hervor – und werden in einer technologisch effizienten Geschwindigkeit von bis zu einem Quadratmeter pro Minute aufgetragen.
»Diese präzise Oberflächenstrukturierung führt dazu, dass die Steckverbindungen zuverlässiger funktionieren, auch bei mehrfachem Öffnen und Schließen bei den regelmäßigen Inspektionen in einer der weltweiten Werkstätten«, erklärt Frank Mücklich. Vorbild für dieses Verfahren sind Oberflächen in der Natur, die ähnliche Strukturen im Mikrometerbereich haben und damit besondere Effekte erzielen.
»Wir haben diese Lasertechnologie über viele Jahre mit Partnern weiterentwickelt und zur Marktreife gebracht, sodass sie heute in den schnellen Prozessen der industriellen Massenanfertigung technologisch effizient eingesetzt werden kann«, erklärt Frank Mücklich, der das Material Engineering Center Saarland (MECS) als Steinbeis-Forschungszentrum an der Universität des Saarlandes leitet. Für diese neuartige Technologieplattform hat er zudem mit Partnern die SurFunction GmbH gegründet, um das Verfahren in die industrielle Anwendung zu bringen. Für die Herausforderungen der Elektromobilität hat der Materialforscher aber noch weitere Technologien parat, die bei der Verleihung des Albert-Keil-Preises durch den VDE ebenso eine Rolle spielten.
Mit verschiedenen 3D-Analysetechniken kann Frank Mücklich mit seinem Team alle Veränderungen der inneren Struktur von Materialien, beispielsweise durch das Schalten elektrischer Kontakte und der damit verbundenen hohen Stromdichte, quantitativ darstellen. »Wir erkennen dadurch auf der Mikro-, Nano- und atomaren Skala, wie sich das innere Gefüge eines Werkstoffs unter mechanischer und auch elektrischer Belastung verändert. Durch die hohen Ladeleistungen im Elektromobil werden die elektrischen Kontakte und die Ladeinfrastruktur stark beansprucht. Wir können nun quantitativ nachvollziehen, was sich bei den Materialvorgängen im Innern verändert bis hin zum elektrischen Widerstand. Dies wird helfen, elektrische Bauteile zu entwickeln, die wesentlich robuster und langlebiger sein werden«, erklärt der Saarbrücker Forscher.
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