medizin&technik 01.2024

Natur künstlich zu erzeugen, muss die
Oberflächenenergie an der Kontaktfläche
eines flüssigen Mediums mit einer festen
Grenzfläche verändert werden. Meist geschieht
dies, indem Multiskalenstrukturen
im Mikro- und Nanobereich induziert
werden – oder durch verschiedene Beschichtungstechniken.
Man spricht dabei
von so genannten Laser-Induced Periodic
Surface Structures (Lipss).
Solch Strukturen sind jedoch sehr
empfindlich gegenüber mechanischen
und chemischen Einflüssen. Deshalb
sollte die Mikrostruktur zusätzlich durch
eine Makrostruktur geschützt werden.
Auch hierfür liefert das Lotusblatt die Vorlagen.
Um die geeigneten Parameter zu finden,
mit denen sich hierarchische Mikround
Makrostrukturen mit dem UKP-Laser
erzeugen lassen, standen zu Beginn
Grundlagenuntersuchungen an. Auf flachen
Proben aus Metall sollten unterschiedliche
Mustern entstehen. Dabei
kam es auf die richtigen Laserparameter
und die passenden Bestrahlungsstrategien
an.
Richtige Pulsenergie für die
multiskalige Mikrostruktur
Bei den Untersuchungen hat sich eine
mittlere Laserabtragsleistung von etwa
2,5 W als Ablationsschwellwert er wiesen.
Bei der gegebenen Pulsbreite entspricht
das einer Pulsenergie von etwa 6 µJ. Mit
wesentlich größeren Puls energiewerten
von bis zu 17,5 µJ wurden die Proben im
Mikrobereich strukturiert. Hier fehlte jedoch
noch das Multiskalenmerkmal, das
erst die hydrophoben Eigenschaften der
Oberfläche hervorruft.
Multiskalige Mikrostrukturen und entsprechend
hydrophobe Eigenschaften waren
mit einer Pulsenergie von etwa
8,75 µJ zu erreichen, was leicht über der
Ablationsschwelle liegt und einer durchschnittlichen
Laserleistung von 3,5 W entspricht.
Es hat sich aber gezeigt, dass nicht nur
die Laserpulsenergie eine Rolle spielt.
Entscheidend für das Erzeugen einer hierarchischen
Mikrostruktur sind auch
• die Scangeschwindigkeit,
• der Abstand der Musterschraffur und
• die Anzahl der Wiederholungen.
Dementsprechend wurde die signi -
fikanteste multiskalige Mikrostruktur mit
einer Laserleistung von 3,5 W, einer Scangeschwindigkeit
von 1000 mm/s, einem
Schraffurabstand von 30 µm sowie einer
Wiederholungszahl von 160 erreicht.
Auf das Zusammenspiel zwischen Mirkostruktur
und Makrostruktur kommt es
an, um einen hydrophoben Effekt zu erreichen.
Die größeren Strukturen auf der
Oberfläche dürfen nicht zu nahe bei -
einanderliegen – obwohl sie allein keine
hydrophoben Eigenschaften hervorrufen.
Die sekundären kleinräumigen Mikround
Nanostrukturen (Lipss) hingegen
sind die entscheidende Oberflächen -
textur.
Welche superhydrophoben Eigenschaften
mit den oben genannten Parametern
an der Oberfläche zu erzielen waren, ließ
sich mit mikroskopischen Messungen
nachweisen. Dass die Umgebungsatmosphäre
die funktionalen Eigenschaften
von laserbehandelten Oberflächen beeinflusst,
ist in der Literatur bereits behandelt
worden und hat sich hier bestätigt.
Mehrere Messungen mit zeitlichem
Abstand zeigten, dass die Oberfläche ihre
Eigenschaften nach der Bearbeitung verändert.
Man kommt also eventuell erst
Stunden, Tage oder gar Wochen nach dem
Bearbeiten zum gewünschten Ergebnis.
Eine nachgelagerte Wärmebehandlung
führte jedoch in einer deutlich kürzeren
Zeit zu reproduzierbareren Ergebnissen.
Die an flachen metallischen Bauteilen
gesammelten Erfahrungen haben die am
Projekt Beteiligten dann auf freiförmige
medizinische Bauteile wie die Nahtschere
übertragen.
Bei den nächsten Schritten des Forschungsvorhabens
am Kompetenzzentrum
für Spanende Fertigung (KSF) der
Hochschule Furtwangen geht es darum,
eine synchronisierte und präzise Kombination
von optischen und mechanischen
Positionierungsschritten und Laserbestrahlungszyklen
zu programmieren. Eine
Fünf-Achs-Laserbearbeitungsanlage vom
Typ Laser P 400 U vom Maschinen bauer
GF Machining Solutions ist vorhanden.
Damit lassen sich komplexe Programme
für die Laserbearbeitung mit einer Auswahl
von Laserparametern gestalten. ■
Dirk Obergfell, Ali Zahedi,
Bahman Azarhoushang
KSF, Hochschule Furtwangen
https://ksf-hfu.de/
Die REM-Aufnahme der
Oberfläche zeigt, wie die
feinen Strukturen in Reihen
angeordnet sind
(Bild: Hochschule Furtwangen)
Weitere Informationen
GF Machining Solutions gehört zur
Schweizer Georg Fischer Group und
bietet Lösungen für Fräsen, Elektro -
erosion, Lasertexturierung, additive
Fertigung und Automatisierung.
www.gfms.com/de
01/2024 medizin&technik 33