Laserschneiden: "Wir können mit dem Laser Geometriegrößen von 5 bis 50 Mikrometer herstellen"

Winzige Dichtungen oder feinste Kanäle für Mikrofluidiken – Besucherinnen und Besucher der COMPAMED wissen, welche Faszination solche winzigen Elemente ausüben können. Mit dem bloßen Auge kann man vieles oft gar nicht erkennen, hier wird im Mikrometerbereich gearbeitet. Wie das funktioniert und welche Vorteile dabei ein Laser bietet, erklärt Diplom Ingenieur Volker Franke vom Fraunhofer IWS im Gespräch mit COMPAMED.de.

Herr Franke, Sie forschen am Fraunhofer IWS zum Mikro- und Feinbearbeiten von Funktionselementen. Woran arbeiten Sie derzeit und in welcher Form hat Ihre Forschung an Funktionselementen Einfluss auf die Medizintechnik?

Volker Franke: Wir entwickeln für unsere Partner aus Forschung und Industrie seit vielen Jahren Fertigungsprozesse auf Basis von Laseranwendungen. Hierbei benutzen wir den Laser als Werkzeug, um damit unterschiedlichste Materialien möglichst hochpräzise bearbeiten zu können. Das reicht vom Einbringen mikrometerkleiner Bohrungen, wie sie zum Beispiel in bestimmten Düsenanordnungen benötigt werden, bis hin zu sehr vielen Bohrungen, wenn man etwa eine Folie präparieren möchte. Diese spielen für Filteranwendungen eine Rolle oder auch wenn mikrophysiologische Systeme eine Durchlässigkeit benötigen. Darüber hinaus erforschen wir das schädigungsfreie Schneiden beliebiger Materialien, beispielsweise das Schneiden von Elastomerfolien, um daraus kleinformatige Dichtungen hochpräzise zu fertigen, die in verschiedenen Medizintechnikprodukten eingesetzt werden.

Des Weiteren beschäftigen wir uns mit Oberflächen und deren Funktionalisierung. Wir bringen gezielt Strukturen in Oberflächen ein, manche mikrometerfein, um bestimmte funktionale Eigenschaften gezielt zu verändern. So konnten wir beispielsweise zeigen, dass durch kleine Texturen in der Oberfläche das Wachstum von Zellen oder Bakterien beeinflusst werden kann. Interessant ist dies beispielsweise für Zahnimplantate.

Kann das Laserverfahren noch für andere Prozesse in der Produktion von Medizintechnikgeräten eingesetzt werden?

Franke: Das Verfahren eignet sich auch zur Reinigung von Bauteilen und deren Oberflächen. In der Fertigung von Medizinprodukten kommt es bei Zwischenschritten oder zur Endreinigung des Produktes zur Anwendung. Es kommt auch dort zum Einsatz, wo auf klassische Reinigungsverfahren, die auf verschiedenen Reinigungsmedien basieren können, verzichtet werden muss. Oder bei Bauteilen, bei denen nur lokal begrenzte Funktionsbereiche für eine Reinigung relevant sind und der Rest des Bauteils nicht.

Beim Lasermikroschneiden können Sie auch Mikrofluidiken für Lab-on-a-Chip-Systeme herstellen. Wie funktioniert dies?

Franke: Es gibt verschiedene Strategien und Methoden. In vielen Fällen wird der Ansatz verfolgt, dass man aus einem Material die Grabenstrukturen beziehungsweise Kanäle heraus fräst oder abträgt. Man generiert einen Volumenabtrag und schafft dadurch in der Oberfläche Kanalstrukturen. Am Fraunhofer IWS haben wir eine Alternative entwickelt. Wir nutzen den Laser als Schneidwerkzeug, um dünne Kunststofffolien aus angepassten Materialien, je nachdem welche Anwendung dahintersteht, zu trennen. Dies erreichen wir, indem wir in die einzelnen Lagen von Kunststoff Kanalstrukturen hineinschneiden. Die Folien werden dann im nächsten Schritt übereinandergestapelt, sodass man sehr frei und flexibel komplexe, auch dreidimensionale Mikrofluidiksysteme fertigen kann. Man hat dabei große Freiheiten bezüglich des Designs und der Gestaltung dieser Systeme. Darüber hinaus geht es sehr viel schneller als ein Volumenabtrag. Das Verfahren ist in der Gesamtprozesskette somit sehr effizient. Man kann hier von einer Hochdurchsatztechnologie sprechen, sodass wir nicht nur einzelne Mikrofluidikchips fertigen können, sondern durchaus auch größere Anzahlen, auch mit variierenden Geometrien oder Auslegungen.  

In welchen Größenordnungen bewegen Sie sich beim Mikrobearbeiten?

Franke: Wir können mit dem Laser Geometriegrößen von 5 bis 50 Mikrometer und bei Bedarf auch größer herstellen. Zum Teil generieren wir auch noch kleinere Strukturen. Dort erreichen wir Zielwerte von zwei bis drei Mikrometer. Es hängt immer stark von der Anwendung und dem Material ab. Mit gepulsten Lasern trägt man schrittweise immer mehr Material ab. So kann man die Tiefe von Strukturen in einem feingliedrigen Bereich einstellen. Wenn es beispielsweise Materialien sind, bei denen Beschichtungen abzutragen sind, dann kann man durchaus in eine Größenordnung von 0,1 Mikrometer Tiefe vordringen.

Was wünscht sich Ihre Kundschaft aus dem Bereich Medizintechnik in der Regel von Ihnen?

Franke: Häufig ist es so, dass Partner aus der Industrie zu uns kommen, zum Teil auch aus der Forschung, wenn sie mit den etablierten Fertigungsverfahren an ihre Grenzen kommen. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Entwicklung neuer Produkte, die neue Materialien einsetzen. Dann kann der Laser eine potenzielle Lösung darstellen. Auch das Thema funktionale Oberflächen wird in Variationen immer wieder nachgefragt. Dort interessieren den Anwender nicht nur hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften, sondern auch Themen wie Reibung und Verschleiß an miteinander interagierenden Flächen oder Bauteilen. Die Anfragen sind vielfältig.