Mikrostrukturierte Oberflächen aus dem 3D-Drucker

Geschliffen, poliert oder beschichtet: Die Struktur einer Ober­fläche hat direkte Auswir­kungen auf Reibungs­widerstand, Selbst­reinigungs­effekte oder optische Eigen­schaften. Mikro- oder nano­struktu­rierte Flächen können maßge­schneidert sogar die Verträg­lichkeit von medizinischen Implan­taten positiv beeinflussen. Aber 3D-Druck­verfahren, die filigrane Strukturen erzeugen, benötigen bislang viel Zeit. Sehr viel schneller soll es in Zukunft mit einer Methode, entwickelt von einer deutsch-spanischen Forscher­gruppe, gehen. Erste Proto­typen solcher fraktaler Ober­flächen ließen sich binnen dreißig Minuten fertigen.

„Die präzise Kontrolle von Ober­flächen­strukturen ist der Schlüssel zu mehreren Anwendungen von Mikro- und Nano­systemen“, sagt Andrés Díaz Lantada von der Universidad Politécnica de Madrid. Zusammen mit Stefan Hengsbach vom Karlsruher Institut für Technologie optimierte er ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein fokus­sierten Laserstrahl Acrylat-Material punktgenau polymerisiert und aushärtet. Vor der Fertigung der mikro­struktu­rierten Oberfläche passten sie den digitalen Datensatz, der die filigrane Oberfläche beschreibt, an ihre mehrstufige Methode an.

Ein insgesamt 40 × 40 µm großes Areal, auf dem das spezielle Acrylat-Material verteilt wurde, konnten Lantada und Hengsbach mit einem Piezoaktuator mit einer Genauigkeit von bis zu vier Nanometern bewegen. Stück für Stück positionierten sie so die Oberfläche in den Fokus des Lasers mit 780 nm Wellenlänge und bis zu 12,69 mW Leistung. In einem ersten Schritt polymerisierten sie eine Linie dünner, verschieden hoher Mikrosäulen, die so in Abständen von jeweils einem Mikrometer aushärteten. Entlang der Spitzen dieser Säulen polymerisierte der Laserstrahl daraufhin die Zwischenräume nach und nach.

Neben dieser Linie folgte darauf in einem Abstand von einem Mikrometer eine zweite Säulenreihe, ebenfalls mit ausgehärteten Zwischen­räumen. In der Lücke zwischen beiden Reihen polymeri­sierte der Laser weitere, mit 250 Nanometern Abstand enger positionierten Säulen, deren Höhen sich aus der Inter­polation der jeweils benachbarten Ober­flächen­struktur ergab. Mit einer „Schreib­geschwin­digkeit“ von 18 Mikrometern pro Sekunde entstand so die gewünschte filigrane Oberfläche mit Strukturen im Submikrometer-Bereich.

Diese Kombination aus direkter Laser­polymeri­sation gekoppelt mit primärer Säulen­struktur ermöglicht die rasche Fertigung fraktal struktu­rierten Oberflächen. Die Struktur stimmte dabei mit hoher Genauigkeit mit der ursprünglich geplanten überein. Lediglich ein Schrumpf­effekt des Polymers, der beim Aushärten auftrat, führte zu kleinen Abwei­chungen im unteren Prozent­bereich. Bisher konnten die Forscher ihre Methode nur auf das spezielle Acrylat-Material optimieren, dass auch ausgehärtet nur eine geringe Festigkeit aufwies. „Derzeit untersuchen wir den Einfluss solcher Ober­flächen­strukturen auf das Verhalten von Zell­kulturen und Gewebe“, sagt Lantada. Das ist relevant für die Entwicklung besser verträg­licher Implantate.

Doch im Prinzip ließe sich diese spezielle Art der 3D-Fertigung auch auf keramische oder metal­lische Werkstoffe über­tragen. Gelingt dieser Schritt, werden Werkstücke mit maß­geschnei­derten, mikro­struktu­rierten Ober­flächen möglich, die sich genauer und rascher als bisher produzieren lassen.

Jan Oliver Löfken

OD