Let s talk about solutions. Konzeption und Herstellung eines mikrofluidischen Dosiersystems in Kunststoff-Mehrlagentechnik

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1 Let s talk about solutions Konzeption und Herstellung eines mikrofluidischen Dosiersystems in Kunststoff-Mehrlagentechnik AiF N Kai Hiltmann, Volker Mayer und Peter Schilling Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.v. Wilhelm-Schickard-Straße Villingen-Schwenningen Tel.: /943-0 Fax.: / info@hsg-imit.de web:

2 1 Zusammenfassung Als Alternative zu einem eingeführten und zuverlässig funktionierenden mikrofluidischem System in Silizium-Glas-Technik (TopSpot ) haben wir eine Mehrfach-Druckeinheit in Kunststofftechnik realisiert. Diese Druckeinheit enthält 24 Vorratsgefäße für zu dosierende Flüssigkeiten, die über feine geschlossene Kanäle mit je einer Dosierdüse verbunden sind. Die realisierte Druckeinheit besteht aus einem spritzgegossenen Substrat, welches Vorratsgefäße und Kanäle enthält, und einer auflaminierten Folie mit den Düsenbohrungen. Im Projekt entwickelt wurde zunächst der Spritzgießprozess. Größte Herausforderung in diesem war die schnelle Formfüllung trotz extremen Querschnittsübergängen und, im zentralen Bereich mit hohem Strömungswiderstand, sehr feinen Kernen. In Füllstudien und Anpassungen von Form und Angusslage wurde dieser Prozess optimiert, bis Bindenähte, Lunker und Überspritzungen vermieden wurden. Ebenfalls zu entwickeln waren der Fertigungsprozess für die Düsenfolie hier wurde ein zweistufiger Laserprozess verwendet und das Fügeverfahren. Jenes erfolgte durch Beschichten mit Schmelzkleber, der beim Fügen reaktiviert wurde. Die Justage der Düsenfolie auf das Substrat wurde mechanisch durchgeführt, wobei Justagetoleranzen von ca. 60 µm erreicht wurden. Die vorgestellten Demonstratoren wurden vermessen und funktionell getestet, die Prozessausbeute erreichte schließlich ca. 90 % Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Angaben zum Projekt Projektname: N Konzeption und Herstellung eines mikrofluidischen Dosiersystems in Kunststoff-Mehrlagentechnik Projektleiter: Dipl.-Ing. Kai Hiltmann, Dipl.-Ing. Volker Mayer Startdatum: Enddatum: Ergebnisse Gesamtsystem Der Grundaufbau geht aus Bild 1 hervor: Der Grundkörper wird aus Polystyrol (PS) spritzgegossen. Er enthält die Reservoirs für die einzelnen zu dosierenden Flüssigkeiten, die fluidische Durchkontaktierung von der Vorder- zur Rückseite und, auf seiner Rückseite, die Mikrokanäle, welche die Medien von den Reservoirs zu den Dosierdüsen im Zentrum leiten. Ebenfalls enthält er die Zuführungen zu diesen Düsen und einen von der Vorderseite her eingesenkten Bereich, das Printfenster. Die Düsen selbst werden durch Laserbohren in einer geeigneten Kunststofffolie (Polyimid, PI) realisiert. Beide Komponenten werden anschließend ggf. aus einem größeren Zusammenhang (Nutzen) herausgetrennt und mit einem geeigneten Verfahren gefügt. Seite 1 von 4

3 Bild 1: Grundaufbau des Druckkopfes: Ein spritzgegossener Grundkörper (grau, oben) wird mit einer lasergebohrten Folie (braun, unten) gefügt Konstruktion der Kunststoffteile Die Kunststoff-Funktionsmuster wurden in Anlehnung an bestehende Siliziumprototypen ausgelegt und konstruiert. Dabei wurden zahlreiche Variationen des Kunststoffteils konstruiert und im Hinblick auf Formfüllung und Stabilität bewertet. Von Seiten des Spritzgusses besteht eine Schwierigkeit darin, die Schmelze derart durch die Kavität fließen zu lassen, dass nicht die Fronten von Teilströmen im mechanisch besonders beanspruchten Zentralbereich auf einander treffen und dort Bindenähte geringerer Festigkeit bilden. Am HSG-IMAT wurden deshalb ausgiebige numerische Simulationen des Befüllprozesses durchgeführt AP5: Herstellung Mikrospritzgießwerkzeug Die Einsatzplatten des Mikrospritzgießwerkzeugs wurden mittels HSC-Fräsen hergestellt. Die Formnester wurden auf einer Primacon FP50 3-Achs-Fräsmaschine hergestellt, welche eine Maschinengenauigkeit von ca. 3 µm aufweist und über eine integrierte Laservermessung der Fräser verfügt. Für das Fräsen der Formnester kamen unter anderem Fräser mit einem Durchmesser von nur 200 µm und Bohrer mit Durchmesser 240 µm zum Einsatz. Die Erzeugung einer optimalen Oberfläche stand dabei im Vordergrund, weiterhin wurde die Bearbeitungsstrategie zur Erzeugung der Mikrostrukturen im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit optimiert. So wurde z. B. versucht, die Geometrie hinsichtlich des Einsatzes größerer Fräser zu optimieren und die Fräsdauer gering zu halten. Das Grundgerüst des modularen Spritzgießwerkzeugs für die Grundkörper aus Kunststoff wurde hergestellt und aufgebaut, die Formplatten gefräst und das Werkzeug wurde abgemustert. Ein Foto des gesamten am HSG-IMAT hergestellten Spritzgießwerkzeugs zeigt Bild 2. Seite 2 von 4

4 Bild 2: Foto von aufgebautem Spritzgießwerkzeug Aufbau der Demonstratorchips Demonstratorchips wurden durch Fügen der spritzgegossenen Grundkörper und lasergebohrter Folien hergestellt. Hierzu wurden verschiedene Verbindungstechniken erprobt: Da die verwendeten Folien aus Polyimid (PI) nicht schweißbar sind, musste dies über ein Klebeverfahren geschehen. Die Erzeugung von Mikrodüsen erfolgte durch Laserbearbeitung, wobei der Prozess für den eingesetzten Kunststoff und im Hinblick auf die erzielte Kantengeometrie optimiert wurde. Das Bedrucken mit Kleber und das anschließende Fügen erfolgten in einer Walzenbeschichtungsmaschine der Firma Weiß und Söhne, Sinsheim. Mit mechanischer Justierung der Folie auf das spritzgegossene Substrat konnte eine Fügegenauigkeit von ± 80 µm und besser erreicht werden, Bild Häufigkeit Justierfehler Bild 3: Justierfehler zu Projektende der Mittelwert liegt bei 41 µm, das Maximum der Stichprobe bei 69 µm Ein Problem beim Verkleben von mikrostrukturierten Substraten ist, dass der verwendete Klebstoff beim Verfließen in die Kanäle eindringen kann. Dieser Fehler konnte durch optimierte Prozessführung minimiert werden. Seite 3 von 4

5 2 Charakterisierung und Test Die Druckköpfe wurden nach EN ISO 175 auf Beständigkeit gegen verschiedene in der Biochemie verwendete Lösungsmittel geprüft, Angriff wurde in keinem Fall festgestellt. Ähnlich wie etablierte Druckköpfe in Silizium-Glas-Technik wird auch von Kunststoff-Bauteilen kapillare Selbstbefüllung gefordert. Der Kontaktwinkel des Wasser-Kunststoff-Luft-Systems lag für verschiedene Kunststoffe zwischen 70 und 90 ; kapillare Selbstbefüllung der Kanäle wurde nach Hydrophilisierung mit geeigneten Verfahren, z.b. Eintauchen in Polyethylen-Glykol, erreicht. Die hergestellten Bauteile wurden weiterhin ersten Druckversuchen unterzogen, bei denen mit einer für Top-Spot-Druckköpfe gebräuchlichen Vorrichtung Luftdruckstöße erzeugt und der Inhalt der Düsen ausgedruckt wurde. Diese Tests verliefen positiv, jedoch wurden weniger exakte Druckbilder als mit Silizium-Glas- Druckköpfen erzeugt, Bild 4: Bild 4: Druckbild eines Kunststoff-Druckkopfes mit fehlender Tröpfchenposition 2 und Satellitentröpfchen Dieses Ergebnis, das noch durch künftige genauere Druckversuche zu ergänzen ist, ist viel versprechend: Ursprüngliche Befürchtungen, die PI-Folie könne sich zu sehr verformen und die Tröpfchenbahn ablenken oder der Druckkopf werde selbst zu sehr verformt, wurden widerlegt. Die Funktionsfähigkeit des hier entwickelten Demonstrators wird dagegen verifiziert. Ein ausführlicher Bericht kann bei Interesse angefordert werden. Das Forschungsvorhaben N der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung wurde im Programm zur Förderung der "Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)" vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AIF finanziert. Hierfür danken wir. Seite 4 von 4