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Ultraschallfertigung zur Herstellung mikrofluidischer Systeme = Ultrasonic fabrication for the production of microfluidic systems

Sackmann, Johannes

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Johannes Sackmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner Karl (Thesis advisor) ; Worgull, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-10-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-060569
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540767/files/540767.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540767/files/540767.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

1. Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Ultraschallprägen (frei) ; Mikrosysteme (frei) ; Ultraschallfertigung (frei) ; Kunststofffolien (frei) ; Mikrofluidik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Einsatz von Ultraschall zur Plastifizierung von Materialien, im Speziellen thermoplastischer Kunststoffe, ist schon seit über einem halben Jahrhundert Gegenstand der Forschung [II.1]. Heutzutage werden Ultraschallmaschinen in der Industrie in erster Linie als kostengünstige und schnelle Variante, zur Reinigung und zum Verbinden von Materialien im Makromaßstab, verwendet [II.2]. Hierbei werden Schwingkörper sogenannte Sonotroden eingesetzt, welche eine hochfrequente, mechanische Schwingung in das Werkstück einbringen und sie so formbar machen. Die Fläche, auf der die Bearbeitung anhand einer einzelnen Maschine durchgeführt werden kann, ist dabei standardmäßig von der Größe einer Chipkarte.Durch die Kombination mit speziellen Formwerkzeugen kann die Palette an Anwendungsmöglichkeiten erweitert und zusätzlich Strukturen im Submillimeter-Bereich hergestellt werden [II.3]. Das Ultraschallheißprägen kann anschließend mit bestehenden Bearbeitungsverfahren, wie Ultraschallschweißen, -nieten, etc. kombiniert und so ganze Mikrosysteme hergestellt werden. Diese Ultraschallfertigungsmethoden, mit Fokus auf dem Ultraschallheißprägen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit analysiert und die praktische Umsetzung der theoretischen Untersuchungen anhand der Herstellung von unterschiedlichen Mikrosystemen dargestellt.Hierzu wurden zunächst die Grundlagen zu den Ultraschallfertigungsmethoden betrachtet. Die Verteilung des Ultraschalls im Halbzeug, Auslegung der Prägewerkzeuge im Hinblick auf die benötigten funktionalen und konstruktiven Geometrien und die Kombination artfremder Kunststoffe. Dadurch konnte eine Abschätzung zu den Möglichkeiten und Grenzen der Verfahren gemacht und auf die Fertigung übertragen werden.Ein Schwerpunkt lag auf der Konstruktion von mikrofluidischen Systemen, welcher eine Kontaktierung dieser Einheiten mit Förderapparaten oberhalb des Mikrometerbereichs, wie Pumpen oder Gasflaschen, voraussetzte. Es wurden sowohl kommerziell erhältliche Verbinder, als auch eigene Ansätze mit exotischeren Anschlussoptionen getestet. Dabei wurden planare und auch senkrecht zum System befindliche Kontaktierungsmöglichkeiten erarbeitet und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Die Evaluierung der Anschlussoptionen führte zu einem modularen Mikrosystem-Konzept, dessen Baukasten auf Basis der Ultraschallfertigungsmethoden vielfältig erweiterbar war. Dies sollte in Kombination mit dem schnellen, flexiblen und kostengünstigen Herstellungsverfahren die Grundlage für ein anpassungsfähiges Paket aus „Einweg-Artikeln“ schaffen. Die ersten elementaren Module waren hierbei zunächst in ihrer Geometrie abweichende Strukturen zum Mischen und Trennen von Fluiden, welche anschließend durch Sensoreinheiten, zur Messung von Reaktionstemperaturen und Flüssigkeitsströmen, erweitert wurden. Abschließend wurden zwei Mikrosysteme außerhalb des Modul-Kits betrachtet, die durch ihre Voraussetzungen eine alternative Herangehensweise zur Fertigung und Montage der Mikrostrukturen notwendig machten. Dabei handelte es sich um einen Bioreaktor zur Züchtung und selektiven Regulierung einer Genexpression, bei der vom standardmäßigen Ultraschallheißprägen in einen Folienstapel abgewichen wurde. Weiterhin um eine Messstrecke, zur Ermittlung von Diffusionskonstanten mit möglichst kleinem Kanalquerschnitt bei einer größtmöglichen Länge der Diffusionsstrecke.

The use of ultrasound for plasticizing materials, in particular thermoplastics, is the subject of research for over half a century [II.1]. Today, in the industry ultrasound machines are primarily used as an inexpensive and quick option for cleaning and bonding materials on a macroscale [II.2]. For this purpose, acoustic waveguides, so called sonotrodes, are used to transfer a high-frequency, mechanical vibration into the work piece making them moldable. The default machining area of a single ultrasonic machine has the size of a chip card.The range of application is extendable by usage of special molds, which enable the embossing of structures in the sub millimeter range [II.3]. The combination of this technique, the so-called ultrasonic hot embossing, with existing processing methods such as ultrasonic welding, -riveting, etc., allows the fabrication of a variety of microsystems. These ultrasonic assembly methods, with focus on ultrasonic hot embossing, were analyzed in this thesis and the practical implementation of the theoretical investigations were exemplified by the fabrication of different microsystems.For this purpose, the fundamentals of the ultrasonic manufacturing methods have been discussed first. The core areas were the distribution of the ultrasound through the wrought material, dimensioning of the mold with regard to the required functional and constructive geometries and the combination of different species of plastics. This allowed an estimation of the possibilities and limitations of the methods.One of the key aspects of the work was the construction of microfluidic devices. Therefore, a fluidic connection between the microsystems and devices above the micron range, such as pumps or gas cylinders, are required. In addition to commercially available connectors, own approaches with more exotic options have been tested. Connection components located planar and perpendicular to the system were developed and their advantages and disadvantages discussed.The evaluation of connectivity options resulted in a concept of modular micro-systems whose versatile and expandable kit was based on the ultrasonic fabrication methods. The aim was to provide the basis for an adaptable package of "disposable articles" in combination with a fast, flexible and cost-effective production process. The first elementary modules were systems that differ in their geometrical structure for the mixing and separation of fluids, which were subsequently extended by sensor units for the measurement of reaction temperatures and volumetric flow rates.Finally, two microsystems were reviewed outside the module kit that needed an alternative approach of manufacturing and assembly of the microstructure, necessitated by their requirements. A bioreactor for the growing of a yeast strain and the selective regulation of their gene expression. Here the typical approach of ultrasonic hot embossing the structure into a stack of foils hasn’t been used. Instead, the channel was prepared by ultrasonic hot embossing into a combination of a 0.125 mm foil and a 3 mm polymer plate. Secondly, a mea¬suring section, for the determination of diffusion constants with the smallest possible channel cross section at a maximum channel length was fabricated.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT018796062

Interne Identnummern
RWTH-2015-06056
Datensatz-ID: 540767

Beteiligte Länder
Germany