Dreidimensionale, mikrogeprägte Folien, so genannte Matrigrids, ermöglichen mit ihren „Vertiefungen“ als Zellkulturträger eine organähnliche Zellkultivierung, das heißt eine gewebeähnliche Aggregation der eingebrachten Zellen. Diese Folien, die man als einen winzigen Bioreaktor betrachten kann, sind wiederum Bauteile eines Gerätes, mit dem Pharmaunternehmen beispielsweise toxikologische Untersuchungen von Wirkstoffen an Zellkulturen wesentlich effektiver als bisher vornehmen können. Die Junior Research Group „Mikrofluidik und Biosensorik“ um den Privatdozenten Dr. Andreas Schober am Institut für Mikro- und Nanotechnologien der Technischen Universität (TU) Ilmenau entwickelt solche Geräte oder wie die Wissenschaftler sagen: integrierte Systeme zur Bestimmung physikalischer und physiologischer Parameter mit einem neuartigen Konzept der organähnlichen Zellkultivierung.

Steuerbare Prozessparameter

Die Matrigrids, Chips mit 8 x 8mm Kantenlänge, werden mit einer Vakuumpresse (WLP1600S von Wickert)hergestellt, die mit einer Mikroprägeform ausgerüstet ist. Im Zentrum dieses Halbzeugs werden die Mikro-Kavitäten auf eine Fläche von 5x5mm Kantenlänge geprägt. Die Kavitäten sind halbrund mit einem Durchmesser und einer Tiefe von jeweils 300µm. Auf der Fläche von 5x5mm passen mit dem gegenwärtig verwendeten Werkzeug 178Kavitäten. Diese Chips werden in die Bioreaktoren eingebaut. „Ganz wesentlich für uns war“, so Jörg Hampl, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikro- und Nanotechnologien der TU Ilmenau, „dass wir alle produktionsrelevanten Prozessparameter wie Druckverlauf, Temperatur, Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeit exakt beeinflussen können, um die gewünschten Strukturen nach unseren Anforderungen variabel bestimmen zu können“. „Wichtig für uns war auch die detaillierte Dokumentation der gefertigten Teile“, so Hampl. Dies sei sowohl als Qualitätsnachweis gegenüber den Abnehmern wichtig als auch zur Optimierung beim Einfahren der Presse oder bei der Integration neuer Werkzeuge.

Die Kapazität der Presse wurde so ausgelegt, dass im Einschichtbetrieb jährlich bis drei Millionen dieser Zellstrukturträger gefertigt werden können. „Diese Zahl wird in der bisherigen Produktion voll bestätigt, denn die geplante Zykluszeit wird erreicht“, sagt Hampl. Gegenwärtig wird im Institut jedoch nur für den Eigenbedarf produziert und daher die Kapazität noch nicht voll ausgeschöpft.
Als Folienmaterial werden am Institut Polycarbonate eingesetzt, die mittels Schwerionen bestrahlt sind und dadurch Störstellen in der Ausgangsfolie erhalten. Die bestrahlte, 30bis 70µm dicke Folie wird mit der Presse geprägt. Anschließend werden diese Störstellen aus dem Material geätzt. Die so entstandenen Poren ermöglichen ein Durchströmen der Kavitäten mit Nährlösung. Weiter geplant ist, neben den Carbonat-Folien auch die deutlich höhere Drucke fordernden Fluorkunststofffolien zu prägen.
Die Werkzeuge zur Mikroprägung sind modular aufgebaut. Die Presse wird derzeit mit 24Formnestern belegt. Das Folienmaterial wird auf das Unterwerkzeug gelegt. Das dort anliegende Vakuum sorgt dafür, dass die hauchdünne Folie beim Schließen der Presse nicht vom Werkzeug geweht wird. Das geschlossene, vollständig evakuierte Werkzeug wird dann auf Umformtemperatur aufgeheizt. Beim Einbringen des Gasdrucks in das Werkzeug würde die dünne Folie sofort platzen, wenn die Temperierung des unteren und des oberen Werkzeugs nicht absolut identisch wäre. Der zweite Vakuumkreis ist im oberen Werkzeug aufgeschaltet und verhindert das Eindringen von Luft, denn unter Atmosphärendruck könnten die Mikrostrukturen nicht ausgeformt werden. Das Ausformen erfolgt gegenwärtig noch manuell per Pinzette, was viel Fingerspitzengefühl erfordert. Die Presse ist jedoch so konzipiert, dass später ein Handlingsystem samt Folienschneidanlage angebaut werden kann.
Zur Erstellung der Mikrostrukturen wurden 1000kN Zuhaltekraft bei einer Antastkraft von nur 10kN pro Werkzeug gefordert. Der autonomen Gasversorgung für den Umformvorgang dient ein Hochdruckkompressor, dessen Ventil bis 150bar regelt, um Polycarbonat aber auch Fluorkunststoffe bearbeiten zu können. Schließlich gilt: Je feiner die zu prägenden Strukturen sein sollen, desto höher muss der Druck sein. Das exakte Einhalten der Temperaturzyklen ist für das Prägen der Folien von größter Bedeutung. Jörg Hampl stellt fest: „Schon im ersten Versuch während der Maschinenabnahme konnten wir mit der Standardauslegung der Prozessführung erfolgreich prägen, da die Temperaturführung sehr exakt ist.“ Die Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeit lässt sich stufenlos von 0auf 150mm/s regeln. Ausserdem kann die Presse mit einer Positioniergenauigkeit von besser als 0,2mm an jeder beliebigen Position angehalten werden, was in diesem Fall wichtig ist.

Die Presse arbeitet unter Reinraumbedingungen. Deshalb ist der kompakte, vollintegrierte Aufbau der Presse von großem Vorteil.

Anwendungen für das Mikroprägen von Kunststoffen
Mikroprägetechnik für die Mikrosystemtechnik und andere Gebiete

Die Mikrosystemtechnik ist ein wichtiges Anwendungsgebiet für das Mikroprägen. Bereits vor mehr als zehn Jahren wurden Formteile mit Strukturdimensionen von einigen 10 bis einigen 100 Mikrometern durch Heißprägen mit einer Mikro-Prägepresse aus Landau hergestellt. Diese Maschine formte Mikrostrukturkörper auf Kunststoff ab, wobei die mikrostrukturierten Kunststoffkörper mit anderen Bauteilen thermisch zu hybriden Bauteilen verbunden werden können. Ein weiteres Beispiel für das Verschweißen von Mikrostrukturen ist die Herstellung von Mikrowärmeüberträgern aus mikrogeprägten Folienstücken.
Die Presse wurde auch zur Strukturierung von Oberflächen von Möbelplatten eingesetzt oder für die Vergrößerung der Oberflächen von Kunststoffplatten, beispielsweise für die Solartechnik. Auch zur Produktion optischer Bauteile für Spektrometer hat sich das Mikroprägen bewährt.
Eine Hochpräzisions-Heißprägemaschine, die im Jahr 2004 vorstellt wurde, ermöglichte erstmals das wirtschaftliche Heißprägen bei mittleren Stückzahlen. Ein mikrooptischer Abstandsensor war das erste Industrieprodukt, das in Serie auf einer 100-Tonnen-Prägepresse gefertigt wurde.
Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Medizintechnik: Gefertigt werden mit der Technik Komponenten zum Beispiel Matrigrids für Mikro-Bioreaktoren, Metabolomik-Chips für das klinische Monitoring (Sonden zur Messung von Glukose, Laktat, Glutamat, Enzymen und weiterem). Auch Gehirnsonden zur Messung von EEG, O2, Temperatur gehören zu den gefertigten Produkten. Dazu kommen DNA-Chips basierend auf Polymermonolagen, die zur Erkennung genetisch modifizierter Organismen oder zur Erkennung von Mikroorganismen in der Lebensmittelüberwachung dienen.

Autor

Über den Autor

Reinhold Kuchenmeister, freier Journalist, Höchbergöchberg