Mikrostrukturierte Oberflächen aus dem 3D-Drucker
Neues Verfahren verkürzt Produktionszeiten und erreicht sehr hohe Genauigkeit.
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.
Abb.: Per 3D-Verfahren gefertigte fraktale Oberflächenstruktur unter dem Mikroskop. (Bild: KIT)
„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
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