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In einem österreichisch-deutschen Forschungsprojekt erzeugt man mit Lasertechnik mikroskopische
Strukturen auf elektrischen Steckern um die Ausfallssicherheit zu erhöhen.
Saarbrücken/Dresden/Wien (tu) - Über Wackelkontakte hat sich wohl jeder schon geärgert. Schlechte
Steckverbindungen sind häufig die Ursache für ein Versagen elektronischer Geräte. Gerade in der
Automobilindustrie, wo immer mehr Elektronik eingesetzt wird, spielt die Qualität von Steckkontakten eine
wichtige Rolle – und hier kann die Materialwissenschaft helfen. Spezielle Strukturen auf Mikro- und Nanoskala,
die sich mit Hilfe neuer Lasertechniken rasch und kostengünstig herstellen lassen, sollen nun für mehr
Ausfallssicherheit sorgen.
Die Rumpelpiste zerstört den Steckkontakt
Seit Jahren wächst die Anzahl von Sensoren und Prozessoren, die in Autos verbaut werden, und dieser Trend
wird sich durch den Siegeszug der Elektroautos wohl noch weiter fortsetzen. „Wenn man mit einem Auto über
eine rumpelige Buckelpiste fährt, sodass das ganze Fahrzeug in Vibration versetzt wird, ist das eigentlich
das Schlechteste, was den Steckkontakten passieren kann“, erklärt Prof. Carsten Gachot vom Institut für
Konstruktionswissenschaften und Technische Logistik der TU Wien. Die Stecker beginnen auf winziger Skala ein kleines
Stückchen hin und her zu wackeln, man spricht von „Fretting“. Diese minimalen Bewegungen genügen um für
Verschleiß zu sorgen, der schließlich den Kontakt zum Versagen bringen kann.
Selbst wenn die Wahrscheinlichkeit für die Zerstörung eines einzelnen Steckkontaktes recht gering ist,
ergibt sich durch ihre große Anzahl eine hohe Ausfallswahrscheinlichkeit: „In einem modernen Auto gehobener
Kategorie sind mehrere Kilometer Kabel verbaut, mit tausenden Steckkontakten“, sagt Carsten Gachot. So ist es nicht
überraschend, dass nach Angaben des deutschen Automobilclubs ADAC Elektronik-Ausfälle die Pannenursache
Nummer eins sind.
Mikro- und Nanostrukturen für besseren Halt
Bekämpfen lässt sich das Problem mit neuen Erkenntnissen aus der Tribologie – der Wissenschaftsdisziplin,
die sich mit Reibung und Verschleiß auseinandersetzt. „Das Problem ist, dass wir zwei schwer vereinbare Anforderungen
gleichzeitig erfüllen müssen“, sagt Gachot. „Einerseits sollen die Kontakte halten und auch durch Vibrationen
nicht gelockert werden, andererseits soll es möglich sein, mit relativ geringem Kraftaufwand die Stecker ein-
und wieder auszustecken.“
Die Lösung ist, die Stecker mit einer feinen Struktur zu versehen. „Verschiedene Muster auf mikroskopischer
Skala, die dem Material aufgeprägt werden, können das Reibe- und Verschleißverhalten drastisch
beeinflussen“, sagt Gachot. „In Simulationsberechnungen und Experimenten untersuchen wir an der TU Wien, welche
Strukturen das beste Ergebnis liefern.“
Mit Laserlicht eingebrannt
Um diese Strukturen rasch und kostengünstig herstellen zu können, arbeitet Carsten Gachot mit Forschungsgruppen
der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und von der TU Dresden zusammen. „Die entscheidende neue
Idee ist, Laserlicht zur Herstellung der feinen Strukturen zu verwenden“, sagt Gachot. Man nützt dabei die
Welleneigenschaften des Lichts: So wie sich in einem Teich komplizierte Wellenmuster ergeben, wenn man zwei Steine
hineinwirft, lässt sich die Materialoberfläche mit einem komplizierten Wellenmuster beleuchten, wenn
man einen Laserstrahl in zwei Teile aufspaltet und beide dann auf der Oberfläche überlagert. Das entstehende
Lichtmuster verdampft das Material an bestimmten Stellen, an anderen Orten aber bleibt die Oberfläche unversehrt.
So können, je nachdem, wie man die Strahlen miteinander überlagert, in kurzer Zeit unterschiedliche Mikro-
und Nanostrukturen erzeugt werden.
„Mit bisherigen Methoden wäre es nicht wirtschaftlich gewesen, Steckkontakte mit solchen Strukturen zu versehen“,
sagt Gachot. „Aber mit dieser Lasermethode kann man innerhalb von 40 Sekunden die Strukturierung für alle
Steckkontakte eines ganzen Autos durchführen – für Zusatzkosten von 21 Cent pro Auto.“
Freilich ist die Entwicklung von Mikro- und Nanostrukturen für Steckverbindungen nicht nur für die Automobilindustrie
interessant. Die neuen Erkenntnisse lassen sich auf eine Vielzahl technischer Bereiche anwenden – von Alltagsgeräten
bis zu Flugzeugturbinen.
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