3D-Drucker für mikrostrukturierte Oberflächen

Anwendung für besser verträgliche, medizinische Implantate in Planung - Kürzere Fertigungszeiten sollen Weg in die Massenproduktion ebnen
Per 3D-Verfahren gefertigte fraktale Oberflächenstruktur unter dem Mikroskop.
Per 3D-Verfahren gefertigte fraktale Oberflächenstruktur unter dem Mikroskop.
© IMT, KIT
Madrid (Spanien)/Karlsruhe - Geschliffen, poliert oder beschichtet: Die Struktur einer Oberfläche hat direkte Auswirkungen auf Reibungswiderstand, Selbstreinigungseffekte oder optische Eigenschaften. Filigran strukturierte Flächen können maßgeschneidert sogar die Verträglichkeit von medizinischen Implantaten positiv beeinflussen. Aber 3D-Druckverfahren, mit denen sich bisher Mikrometer feine Strukturen erzeugen lassen, benötigen viel Zeit. Sehr viel schneller soll es in Zukunft mit einer Methode gehen, die eine deutsch-spanische Forschergruppe entwickelt hat. Erste Prototypen solcher sogenannter fraktaler Oberflächen, über die die Forscher im Fachblatt „Advanced Engineering Materials“ berichten, konnten binnen 30 Minuten gefertigt werden.

„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 (KIT) optimierte er ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Acrylat-Material über fokussierte Laserstrahlen punktgenau polymerisiert und ausgehärtet werden kann. Für erste Testläufe verteilten die Forscher dieses Acrylat über ein winziges Areal – halb so klein wie der Querschnitt eines Haares. Diese Oberfläche steuerten sie mit hoher Genauigkeit in den Laserfokus. Dabei polymerisierten die Forscher zuerst eine Linie dünner Mikrosäulen in Abständen von jeweils einem millionstel Meter (Mikrometer). Entlang der Spitzen dieser Säulen wurden darauf die Zwischenräume nach und nach per Laserstrahl verfestigt. Diesen Arbeitsschritt wiederholten sie mit einer „Schreibgeschwindigkeit“ von 18 Mikrometern pro Sekunde, bis die gewünschte filigran strukturierte Oberfläche entstand.

Die Struktur stimmte mit hoher Genauigkeit mit der ursprünglich geplanten überein. Lediglich ein Schrumpfeffekt des Polymers, der beim Aushärten auftrat, führte zu kleinen Abweichungen im einstelligen Prozentbereich. Dennoch waren die Forscher mit ihrem Ergebnis sehr zufrieden. „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. Im Prinzip ließe sich diese spezielle Art der 3D-Fertigung auch auf festere, keramische oder metallische Werkstoffe übertragen. Gelingt dieser Schritt, werden Werkstücke mit maßgeschneiderten, mikrostrukturierten Oberflächen möglich, die genauer und rascher als bisher produziert werden könnten.

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