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Hygiene für die Medizintechnik

Laser erzeugen Lotuseffekt durch Licht

10. Februar 2024, 11:00 Uhr | Von M. Sc. Dirk Obergfell, Prof. Dr. Ali Zahedi und Prof. Dr.-Ing.Bahman Azarhoushang

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

LIPPS für Hydrophobie

Die zugeordneten Musterwiederholungen sind erforderlich, um eine ausreichende Strukturtiefe und den für die kleinräumige Mikro-/Nanostruktur erforderlichen Polarisationsgrad zu erreichen. Untersuchungen des Einflusses des großskaligen Linienabstands auf die Hydrophobie der Oberfläche kamen zu dem Schluss, dass ein zu geringer Schraffurabstand die hydrophoben Oberflächeneigenschaften beeinträchtigt.

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Im Gegensatz zu den kleinmaßstäblichen Mustern lassen sich die großmaßstäblichen Merkmale mithilfe der konfokalen Mikroskopie deutlich erkennen (Bild 3). Dennoch wird das großskalige Muster allein keine hydrophoben Eigenschaften hervorrufen. Die sekundären kleinräumigen Mikro-/Nanostrukturen (LIPSS) bewirken die entscheidende Oberflächentextur. Diese Merkmale sind im unteren Teil von Bild 2 dargestellt und sind abhängig von der Polarisation des Laserlichts. Zudem wurde in weiteren Forschungen nachgewiesen, dass Proben mit einer Kombination aus nanoskaligen LIPSS und größeren Oberflächenstrukturen nicht nur weniger verschleißen, sondern auch größere Kontaktwinkel aufweisen als solche, die nur mit LIPPS texturiert sind.

Die superhydrophoben Eigenschaften der mit den genannten Parametern erzielten Oberflächenstruktur wurden durch mikroskopische Messung des statischen Kontaktwinkels der eingebrachten Wassertröpfchen charakterisiert. Die Einflüs- se der Umgebungsatmosphäre sowie der Übergangszeit auf die funktionalen Eigenschaften von laserbehandelten Oberflächen wurden von den Furtwanger Forschenden nicht untersucht. Die Proben wurden unter Normalatmosphäre präpariert und die Kontaktwinkelmessungen nach einer einzigen Nachbearbeitungszeit von etwa 24 Stunden durchgeführt. Anschließend wurden für jede Probe drei Kontaktwinkelmessungen durchgeführt und der Durchschnittswert für die Charakterisierung der Proben herangezogen. An dieser Stelle kommt ein Problem bei der Erzeugung des Lotuseffektes zutage. Die Oberfläche verändert ihre Eigenschaften in der Zeit nach der Bearbeitung. Eventuell wird das gewünschte Ergebnis erst Stunden, Tage oder gar Wochen später erreicht.

Industrialisierung des Lotuseffektes

Um diesen Zeitraum zu verkürzen und eine bessere Kontrollierbarkeit des Effekts zu gewährleisten, wird die Probe nachgelagert mit Wärme behandelt – dies führt zum einen zu einem reproduzierbareren Ergebnis und zum anderen zu einer deutlich kürzeren Prozesszeit.

Der größte Wert, der mit der in Bild 4a dargestellten ausgewählten Probe verbunden war, betrug etwa 150°. Wenn der Winkel zwischen dem sich ausbildenden Wassertropfen größer ist als 150° spricht man von Syperhydrophobizität. Der Unterschied in der Oberflächenbenetzbarkeit zwischen einer laserstrukturierten und einer polierten Oberfläche ist in Bild 4b dargestellt.

Nachdem die passenden Laserparameter auf der flachen Probe erforscht waren, konnte die Struktur auf einen realen Bauteilbereich übertragen werden. In diesem Projekt wurden dabei die Passflächen einer Nahtschere aus einer Stahllegierung strukturiert. Dadurch werden die oben genannten Vorteile, wie erhöhte Sichtbarkeit der Spitze und bessere Reinigungseigenschaften erreicht. Diese Technologie kann bei vielen weiteren Bereichen in der Medizintechnik angewendet werden. Die Generierung von funktionalen freiförmigen medizinischen Bauteilen zeichnet sich vom Stand der Technik unter anderem durch die Erweiterung der auf den Flachproben festgestellten Topographiemuster auf die großflächigen und dreidimensionalen Geometrien aus.

Dies umfasst die nächsten Schritte dieses Forschungsvorhabens am KSF und erfordert die Programmierung einer synchronisierten und präzisen Kombination von optischen und mechanischen Positionierungsschritten und Laserbestrahlungszyklen. Dementsprechend ermöglicht eine vorhandene 5-Achs-Laserbearbeitungsanlage von GF Machining Solutions (GF Laser P 400 U) die Gestaltung von komplexen Laserbearbeitungsprogrammen mit einer wesentlichen Auswahl von Laserparametern. Neben der Medizintechnik eignet sich die großflächige Strukturierung auch für weitere Anwendungsfälle der industriellen Oberflächenbearbeitung. In der Luftfahrt kann die in Furtwangen entwickelte Technik u. a. dazu verwendet werden, die Eisbildung an der Außenhaut von Flugzeugteilen zu verhindern und auf diese Weise den Kerosinverbrauch deutlich zu reduzieren.

Dementsprechend ermöglicht eine vorhandene 5-Achs-Laserbearbeitungs-anlage von GF Machining Solutions (GF Laser P 400 U) die Gestaltung von komplexen Laserbearbeitungsprogrammen mit einer wesentlichen Auswahl von Laserparametern. Neben der Medizintechnik eignet sich die großflächige Strukturierung auch für weitere Anwendungsfälle der industriellen Oberflächenbearbeitung. In der Luftfahrt kann die in Furtwangen entwickelte Technik u. a. dazu verwendet werden, die Eisbildung an der Außenhaut von Flugzeugteilen zu verhindern und auf diese Weise den Kerosinverbrauch deutlich zu reduzieren.

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»Ein Femtosekundenlaser in Kombination mit einem schnellen 2D-Scankopf und einer optischen F-Theta-Linse wurde erfolgreich zur Erzeugung superhydrophober Oberflächen auf einem chirurgischen Stahlinstrument eingesetzt. Durch die Erzeugung einer bioinspirierten multiskaligen Mikro-/Nano-struktur konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, funktionelle Oberflächen mit dem nachhaltigen, modernen und digitalen Werkzeug Licht zu erzeugen. Die Technologie besitzt auch außerhalb der Medizintechnik ein enormes Potenzial. Die Erzeugung des Lotuseffektes erfordert jedoch ein tiefes Verständnis und den Einsatz einflussreicher Prozessparameter.« _________________________________________________________________