Iedereen heeft vast wel eens last gehad van losse contacten. Storingen in elektronische apparatuur worden vaak veroorzaakt door slechte stekkerverbindingen. Met name in de auto-industrie, waar steeds meer elektronica wordt gebruikt, de kwaliteit van stekkercontacten speelt een cruciale rol – en hier kan materiaalwetenschap een rol spelen. Speciale microschaal- en nanoschaalstructuren, die snel en kosteneffectief kan worden geproduceerd met behulp van nieuwe lasertechnologieën, zijn nu ingesteld om verhoogde faalveiligheid te garanderen.

Hobbelige oppervlakken vernietigen het stekkercontact

Voor vele jaren, het aantal in auto's geïnstalleerde sensoren en processors groeit, en deze trend zal zich zeer waarschijnlijk voortzetten dankzij het succes van de elektrische auto. "Als je met een auto over een hobbelige weg rijdt, oneven oppervlak, het hele voertuig laten trillen, het is echt het ergste voor de stekkercontacten", Prof. Carsten Gachot van het Institute for Engineering Design and Logistics Engineering aan de TU Wien legt uit. De pluggen beginnen een klein beetje heen en weer te wiebelen op een kleine schaal, wat bekend staat als "fretting". Deze minimale bewegingen zijn voldoende om slijtage te veroorzaken, waardoor het contact uiteindelijk defect kan raken.

Zelfs als de kans op het vernietigen van één enkel stekkercontact vrij klein is, er is een grote kans op storing omdat er zoveel van deze contacten zijn. "Enkele kilometers kabels met duizenden stekkercontacten worden in een chique, moderne auto", zegt Carsten Gachot. Het is dus niet verwonderlijk dat, volgens ADAC, de Duitse automobielvereniging, elektronische storingen zijn oorzaak nummer één van storingen.

Microstructuren en nanostructuren voor een betere grip

Het probleem kan worden bestreden met nieuwe ontdekkingen in de tribologie, de wetenschappelijke discipline die zich bezighoudt met wrijving en slijtage. "Het probleem is dat we tegelijkertijd aan twee moeilijk met elkaar verzoenbare eisen moeten voldoen", zegt Gachot. "Aan de ene kant, de contacten moeten vasthouden en ook niet losraken door trillingen, maar aan de andere kant moet het mogelijk zijn om de stekker met relatief weinig kracht aan en uit te trekken."

De oplossing is om de pluggen een delicate structuur te geven. "Verschillende patronen op microscopische schaal die in het materiaal zijn gegaufreerd, kunnen het wrijvings- en slijtagegedrag drastisch beïnvloeden", zegt Gachot. "In simulaties en experimenten, wij van de TU Wien onderzochten welke constructies de beste resultaten gaven."

Ingebrand met laserlicht

Zodat deze structuren snel en kosteneffectief kunnen worden geproduceerd, Carsten Gachot werkt samen met onderzoeksgroepen van de Universiteit van Saarland in Saarbrücken en de TU Dresden. "Het cruciale nieuwe concept is het gebruik van laserlicht om de delicate structuren te produceren", zegt Gachot. In dit concept worden de golfeigenschappen van het licht gebruikt; net zoals complexe golfpatronen in een vijver worden gemaakt als je er twee stenen in gooit, het materiaaloppervlak kan worden verlicht met een complex golfpatroon wanneer een laserstraal in twee delen wordt gesplitst en deze twee delen elkaar vervolgens op het oppervlak overlappen. Het resulterende lichtpatroon verdampt het materiaal op bepaalde punten, terwijl op andere punten het oppervlak intact blijft. Daarom, afhankelijk van hoe de balken elkaar overlappen, in korte tijd kunnen verschillende microstructuren en nanostructuren worden geproduceerd.

"Bij eerdere methoden het zou economisch niet zinvol zijn geweest om stekkercontacten van dergelijke structuren te voorzien", zegt Gachot. "Maar met deze lasermethode het structureren van alle stekkercontacten in een hele auto kan binnen 40 seconden worden uitgevoerd, voor een meerprijs van 21 eurocent per auto."

Natuurlijk, de ontwikkeling van microstructuren en nanostructuren voor stekkerverbindingen is niet alleen gunstig voor de automobielindustrie; deze nieuwe ontdekkingen kunnen worden toegepast op vele technische sectoren, van alledaagse gadgets tot vliegtuigturbines.