Texanische Krötenechse, Bild: Fraunhofer IPT

Manchmal kann Bionik faszinierend detailreich sein: Forscher entwickelten eine Oberfläche, die sich an der Hautstruktur einer Echse orientiert. So sollen Flüssigkeiten mithilfe des Kapillar-Effekts transportiert werden. Bild: Fraunhofer IPT

Die Mikrofluidik findet im Maschinenbau oft wenig Beachtung. Gerade in den Geräten der Medizintechnik, aber auch bei Anwendungen im klassischen Maschinenbau, funktionieren viele Anwendungen allerdings nur, weil ambitionierte Forschung aus diesem Bereich gefördert wird. Anregungen holen sich die Wissenschaftler da zum Teil aus der Tier- und Pflanzenwelt. So kann beispielsweise die texanische Krötenechse kondensiertes Wasser zum Maul befördern, ohne sich zu bewegen. Die Geometrie der Hautbeschaffenheit bewirkt, dass Kapillarkräfte auf das Wasser wirken, sodass die Flüssigkeit über den Körper des Tieres zum Maul gelangt.

Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und die RWTH Aachen haben sich die Hautstrukturen der Echsen genauer angesehen und nun ganz ähnlich modellierte Oberflächenstrukturen geschaffen. Diese sollten bei technischen Bauteilen den Effekt des gerichteten Flüssigkeitstransports nachahmen. Das ausgegebene Ziel der Wissenschaftler: Nach dem Vorbild der Echse soll beispielsweise die Verteilung von Schmier- und Kühlschmierstoffen verbessert werden, um so Reibung und damit den Verschleiß der Maschinen zu vermindern. Doch die Forscher am IPT können sich weitere Anwendungsfälle vorstellen. Auch bei der Entwicklung von Filtersystemen, Ölabscheidevorrichtungen, Wärmetauschern oder bei neuen Sensoren könnte diese Technologie zum Einsatz kommen.

Neuer Schwung durch neue Technik

Die Mikrofluidik erlebt derzeit aber nicht nur durch neue Ansätze Schwung. Vielmehr war es lange Zeit nicht möglich, sehr kleine Strukturen mit so hoher Genauigkeit herzustellen, weil die zur Verfügung stehenden Methoden und Fertigungsmöglichkeiten dafür nicht da waren. Weder mithilfe des Spritzgussverfahrens noch mit spanenden oder schneidenden Werkzeugen ließen sich zufriedenstellende Ergebnisse erzielen. Doch mittlerweile ist die Lasertechnik soweit, dass kleinste Strukturen durch additive Fertigung aufgebaut werden können. Diese Weiterentwicklung verbreitert die Machbarkeit für mikrofluidische Komponenten und Systeme enorm. Man darf also gespannt bleiben, wohin die Forschung geht.

Ausgezeichnete kleine Pumpen

Komponenten im Kleinformat erforschen Wissenschaftler der BTU Cottbus-Senftenberg und des Fraunhofer IPMS seit 2012 im Projekt „Nano e-drive“ an neuen elektrostatischen Mikroaktoren. Mikroaktoren finden sich in einer großen Anzahl und Vielfalt von Anwendungen und Systemen wieder: Im Smartphone, in Wearables, in Autos oder in implantierbaren Insulinpumpen. Die derzeit etablierten Antriebsmechanismen stoßen aber immer wieder an ihre physikalischen oder technischen Grenzen.

Den Forschern gelang es, eine neue Aktorenklasse mit niedriger elektrischer Antriebsspannung und kurzer Reaktionszeit zu entwickeln, die außerdem mit wenig Energie auskommt. Zudem sind sie CMOS- und RoHS-kompatibel, was in Kombination mit der einfachen Integrierbarkeit in Standard-Silizium-Prozesse eine kostengünstige Volumenfertigung erlaubt. Spätestens hier sollten Maschinenbauer aufhorchen, denn damit bieten die elektrostatischen Antriebe erstmals eine Alternative zu den etablierten piezoelektrischen Aktoren.

Ausgezeichnet wurde das Projekt darüber hinaus für die erfolgreiche Validierung der vorangegangenen Theorie und den Beweis der technischen Machbarkeit vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Februar 2017. Aktuell wird die Aktorenklasse weiter in realer Umgebung getestet, beispielsweise in Mikropumpen, Mikroventilen und bei Lautsprechern.