Mikrofluidische Strukturen und Vorrichtungen werden seit Jahrzehnten untersucht und verwendet, um Flüssigkeiten durch interne Kanäle zu transportieren, wobei eine Vielzahl von Mikrofertigungslösungen wie Oberflächen- und Batch-Mikrobearbeitungstechniken verwendet werden. 

Eine Herausforderung beim Gerätedesign ist das Durchbrechen der mikrofluidischen Reservoirs und Kanäle, die im Wesentlichen auf die zweidimensionale (2D) Geometrie beschränkt sind. Die neuesten Entwicklungen in der aufkommenden 3D-Drucktechnologie zeigen jedoch großes Potenzial, dieses Problem auf einfache Weise zu überwinden. Dieser Artikel berichtet umfassend über eine additive Fertigungstechnologie mit Polymilchsäure (PLA)-Schichten, die die Komplexität der Bildung dreidimensionaler mikrofluidischer Strukturen im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofabrikationstechnologien erheblich erhöhen kann.

 Darüber hinaus stellten die Forscher ein handgehaltenes mechatronisches Gerät mit einer Höhe von etwa 10 mm her, das aus einem dünnen Planarzerstäuber und einem Mikrocontroller besteht, mit dem Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 6 ° m erzeugt werden. Sowohl die Analyse als auch die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass beim dreidimensionalen Drucken im Gerät das Raster der Kanalmikrostruktur einfach durch unterschiedliche Linienbreiten (300-500 µm) und Abstände (250-400 µm) verändert werden kann, wodurch Die Gestaltungsfähigkeit des Kapillarflusses wird verbessert. In dieser Hinsicht können verschiedene komplexe Mikrogeräte, die durch computergestütztes Design (CAD) und 3D-Druckverfahren hergestellt werden, mehr denn je eingesetzt werden, wie z.

Ein verwandtes Papier mit dem Titel "Design and Assembly of a Thin-Plate Mechatronic Atomizer by 3D Printing" wurde am 05. November 2020 Pekinger Zeit auf "Actuators" veröffentlicht.

Mikrofluidische Strukturen, wie Strömungskanäle, Poren und Poren im Mikrometerbereich, werden seit Jahrzehnten häufig für den Flüssigkeitstransport in verschiedenen mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) verwendet. Die meisten dieser Mikrostrukturen werden unter Verwendung bestehender Mikrobearbeitungstechnologien entworfen und hergestellt, einschließlich Siliziumätzen, Oberflächenmikrobearbeitung, UV-LIGA-Verfahren (Lithographie, Galvanisieren, Formen) und so weiter. Die von den Forschern geschaffenen planaren Jet-Strukturen und verbundenen Silizium-, Glas- und Polymermatrizen können in vielen Anwendungen wie der Wirkstoffabgabe, der biomedizinischen Diagnostik und der Energiespeicherung mit elektronischen und chemischen Funktionen integriert werden. Im Vergleich zur traditionellen Mikrobearbeitungstechnologie kann eine alternative Technologie namens additive Fertigung oder dreidimensionaler (3D) Druck einfach Muster verschiedener komplexer Komponenten in nicht-planaren dreidimensionalen geometrischen Strukturen erzeugen und bietet somit eine vielversprechende Methode zur Herstellung multifunktionaler Mikrostrukturen ohne Ätzen auf dem Untergrund. Unter Verwendung verschiedener Flüssigkeiten oder Feststoffe als Strukturmaterialien kann die dreidimensionale Mikrostruktur des Geräts durch computergestütztes Design (CAD) visualisiert und dann durch computergestützte Fertigung (CAM) mit einem Druck-/Jetkopf oder Laserstrahl realisiert werden. Darüber hinaus, wie VA Lifton et al. klar gesagt, 3D-Druck (3DP)-Verfahren (hauptsächlich einschließlich Stereolithographie (SLA), Fused Deposition Modeling (FDM) und selektives Lasersintern (SLS)) scheinen mit Mikrofluidik-Geräten kompatibel zu sein Anforderungen an die grobe Auflösung. Darüber hinaus haben auch die neuesten Entwicklungen bei indirekten Volumenverfahren auf Basis von extrusionsbasiertem 3D-Druck und Soft-Lithographie große Fortschritte gemacht, insbesondere bei der Anwendung biochemischer und mikrofluidischer Technologien. Von der Anwendung der zweidimensionalen (2D) Drucktechnologie bis hin zu mikrofluidischen Systemen werden nichtplanare mikrofluidische Komponenten mit 3D-Druckverfahren entworfen und hergestellt, was mehr für das Design und die Herstellung von fortschrittlichen Mechatronik- und MEMS-Geräten bietet Neue Möglichkeiten.

Ein mikrofluidisches Strukturdesign

Forscher haben eine neue Art von mikrofluidischem Design dünner planarer Zerstäuber vorgeschlagen, um den Flüssigkeitstransport durch Gittermikrostrukturen zu realisieren, die verschiedene Teile wie Flüssigkeitskanäle, Reservoirs und Ein-/Auslässe integrieren, wie in Abbildung 1 gezeigt. Das heißt, die Struktur ist besteht hauptsächlich aus Innen- und Außenbereichen. Der Innenraum besteht aus einem Flüssigkeitseinlass und einem mit Flüssigkeit gefüllten Gradientenkanal als Kernstück der Struktur, die den Einlass und den Transport von Flüssigkeit (von einem Einlass zu einem Auslass) ermöglichen. Die durch den Kanal strömende Flüssigkeit divergiert an der Neigung des Gradientenkanals. Ein Teil der gegabelten Flüssigkeit kann nach oben zum Spaltreservoir in der oberen linken Ecke geleitet werden, während sich der andere Teil in die richtige Richtung zum Auslass bewegt. Daher wird die Vorwärtsflüssigkeit durch den Innenkanal zum Strahlauslass transportiert. Im Innenkanal bildet die durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit getriebene Kapillarströmung ein strukturiertes, sich kreuzendes Gitter. Zusätzlich kann der Strahlauslass oben mit einem dünnen Flachzerstäuber ausgestattet werden, damit die Flüssigkeit über das Netzteil aus dem Kanal ausgestoßen werden kann.

Um das Design der oben erwähnten mikrofluidischen Vorrichtung zu realisieren, wird ein additiver Herstellungsprozess mit dreidimensionaler Gitterstruktur basierend auf der gegenwärtigen Fused Deposition Modeling (FDM)-Technologie vorgeschlagen. Tragen Sie zunächst eine dünne Klebstoffschicht auf die 3D-Druckplattform auf, um das auf der Oberfläche abgeschiedene thermoplastische Polymermaterial aufzunehmen. Das 3D-Druck-Filamentmaterial (Durchmesser 1.75-3.0 mm) wird dann in einen Druckkopf geladen, mit einer internen Heizung (Schmelzpunkt 190-230 °C), einer Quetschdüse (Auslassdurchmesser d 200-400 µm) aufgeschmolzen und dann auf den Kleber aufgetragen (50 Schichtdicke t-200μm). Nach dem ersten Schritt der Materialextrusion (ME), genannt FDM [13], setzt die Schmelzabscheidung dann fort, den Rest der Struktur zu erzeugen, wobei Feststoffe und Hohlräume gezeigt werden. Nach dem Aufschmelzen jeder Schicht wurde in 3D eine mehrschichtige Gitterstruktur gedruckt, die einen leeren Teil zum Füllen von Flüssigkeit (am Eingang) und einen festen Teil zum Füllen von Hindernissen (am Kanal und Reservoir) aufweist.

Daher wird nach dem endgültigen Ablösen des Klebstoffs der unteren Schicht schließlich eine Gitterstruktur gebildet. Hier kann für die schichtweise Verarbeitung auf Basis von 3dpcad/CAM die Anzahl n der Schichten mit gleicher Dicke (t), gleicher Linienbreite (w) und variabler Schichtfläche (Ai) in der i-ten Schicht sein nach Bedarf bestimmt.

Schmelzabscheidung von Filamentmaterialien

In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher thermoplastisches Polyester Polymilchsäure (PLA), (C3H4O2)n (Schmelztemperatur 130-175°C) und einen 3D-Drucker. Es wird verwendet, um den Herstellungsprozess auszuführen. Zunächst wird das PLA-Filament (1 kg/Rolle) mit einem Durchmesser von 1.75 mm von einer externen Spule geladen, in den Druckkopf des 3D-Druckers geführt, dann auf eine Temperatur von 200 ℃ vorgewärmt und durch die Düse des 400D-Druckers geführt der Druckkopf (Durchmesser 3 Öffnung) Glattes Vorschmelzen. Zweitens werden nach Abschluss der Vorbereitungen für das 25D-Druck-Setup die Filamente gequetscht und auf der Plattform abgelegt. Unter Umgebungstemperatur und Druck (~1℃ und 100 atm) wird eine konstante Schichtdicke von 30××m mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/s (9%) gedruckt. Um jedoch eine ausgezeichnete Produktqualität zu erhalten, sollte der Abscheidungsprozess mit einer geringeren Geschwindigkeit durchgeführt werden, wobei die Hauptgeschwindigkeit 30 mm/s (24 %) bis 80 mm/s (22.5 %) beträgt. Bei einer Geschwindigkeit, die die obere Grenze des Bereichs überschreitet, ändern sich die Breite und der Abstand der geschichteten Linien unregelmäßig; im Gegensatz dazu kann die unebene Oberfläche der abgeschiedenen Schicht mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als der unteren Grenze des Bereichs erzeugt werden. Sowohl die Druckgeschwindigkeit als auch die Qualität müssen berücksichtigt werden. In diesem Fall wird durch die Druckgeschwindigkeit von 75 mm/s (350%) der Fluidkanal der Gitterstruktur und die geschmolzene Abscheidung von der Volksbefreiungsarmee komplettiert, der charakteristische FDM bildet ein Kreuzraster mit einer Linienbreite von ~ 300 µm und einem Abstand von ~ XNUMX µm .

abschließend

In diesem Artikel berichten die Forscher über eine FDM-Methode basierend auf der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung einer dreidimensionalen Gitterstruktur mit mikrofluidischen Geräten, Mikrokanälen (zur Flüssigkeitszufuhr) und Mikroantrieben (zur Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen). Analysen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Flüssigkeit in den 3D-Druckkanal eingefüllt werden kann und nach dem Antrieb des Strahls kontinuierlich Tröpfchen gebildet werden, was eine alternative Methode für flexibles Design und eine kostengünstige und effiziente Herstellung bietet. Alle Gitterstrukturen bestehen hauptsächlich aus Flüssigkeitsreservoirs und Flüssigkeitskanälen und können die Flüssigkeitszufuhr durch die Kombination von piezoelektrischem Effekt und Kapillareffekt decken. Schließlich wurden die Festkörper- und Fluideigenschaften seiner Gitterstruktur, wie Oberflächeneigenschaften und Kapillarfluss, verifiziert, was die möglichen Anwendungen multifunktionaler mikrofluidischer Geräte in der Zukunft aufzeigt.

Link zu diesem Artikel: Die Verwendung der 3D-Drucktechnologie zur Entwicklung eines elektromechanischen Dünnplattenzerstäubers

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