Funktionale Beschichtung: Atmosphärendruck-Plasmabehandlung auf 3D-gedruckten Polymeroberflächen

3D-gedruckte Bauteile haben einen unverkennbaren Vorteil: Sie verfügen über eine sehr freie Formgebung. Doch bei der Beschichtung, vor allem bei der nachträglichen Funktionalisierung durch andere Materialien wird diese freie Form unter Umständen zum Problem. Die freie Form der 3D-Bauteile macht diese unzugänglich für viele Beschichtungsverfahren, insbesondere im Niederdruck. Hinzu kommt, dass es schwierig ist, 3D­Druckverfahren wie das „Fused Deposition Modeling“ (FDM) mit Niederdruckbeschichtungs-Verfahren, wie Sputter-Deposition, Aufdampfen, plasmaunterstützte chemische Gasphasen-Abscheidung, zu kombinieren.

Die eigentliche Materialoberfläche ist eine wichtige Einflussgröße, die die Verwendbarkeit vieler Kunststoffmaterialien maßgeblich bestimmt. Dabei geht es darum durch Beschichtungs- und Funktionalisierungs-Prozesse die Oberflächen-Chemie zu verändern. Im Falle von Beschichtungen bringt dabei das schichtbildende Material die benötigten chemischen Gruppen mit, während bei der Funktionalisierung eine Ankopplung der chemischen Gruppen direkt an die Oberfläche bewirkt wird.

Es geht also darum Oberflächen zu erzeugen, die die Adhäsion zu weiteren Beschichtungen oder Materialien verstärken oder verringern, dabei die Migration von Weichmachern zu reduzieren sowie die mechanische oder chemische Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen zu verbessern.

Eine Lösung hierfür kann die Verwendung des Atmosphärendruck-Plasma-Verfahren sein, das sich in Form von Plasmajets in FDM-Anlagen integrieren lassen, schreibt Dr. Thomas Neubert, Projektleiter am Braunschweiger Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik in einem Artikel im Fachmagazin „Plastverarbeiter“.

Kombination von 3D-Druck und Plasmajet-Beschichtung

Am Fraunhofer-Institut werden so genannte dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) eingesetzt. Hohe Spannungen führen hierbei zu einer elektrischen Gasentladung in einem Spalt zwischen zwei Elektroden, die so als eigentliche Energiequelle dient. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Kombination von 3D-Druck und Plasmajet-Beschichtung auch die inneren Oberflächen der Polymer-Implantate erfolgreich beschichtet werden. Die Beschichtungen drangen abhängig von Strukturdichte, dem Arbeitsgasfluss und dem Precursor-Dampfdruck mehrere Millimeter in die Polymerstruktur ein. Auch ein Pulsen der elektrischen Leistung des Plasmajets ist möglich und erhöht damit unter Umständen die Dichte der nukleophilen Gruppen auf der Substratoberfläche.

Die Konzentration auf ein solches Verfahren wird deutlich, wenn man beachtet, dass Atmosphärendruck-Plasma-Prozesse sich – verglichen mit anderen Gasphasenbeschichtungs-Prozessen– durch geringe Investitionskosten, hohe Behandlungsgeschwindigkeiten sowie gute Skalierbarkeit auszeichnen. Zudem existieren verschiedene, industriell etablierte Behandlungs-Quellen für flache, gekrümmte oder dreidimensionale Substrate.