Rapidfluid

Problemstellung
Die Miniaturisierung von Bauteilen und Systemen hat in vielen Bereichen des täglichen Lebens zu neuen Produkten geführt. Dies gilt auch für die Medizintechnik, wo heute mittels minimalinvasiver Technologien patientenschonende Operationen durchgeführt werden, die zu verringerter Liegezeit und einer drastischen Reduzierung operationsbedingter Komplikationen führen. In diesem Feld hat die Analysentechnik erhebliche Fortschritte durch miniaturisierte Komponenten gemacht, indem z. B. bestimmte Blutwerte vor Ort in einem miniaturisierten Labor bestimmt werden können. Hierzu sind Komponenten notwendig, die über die notwendige Auswerteelektronik und -sensorik verfügen und die zu analysierenden Flüssigkeiten mittels mikrofluidischer Strukturen zu den jeweiligen Sensorflächen transportieren. Solche mikrofluidischen Strukturen mit typischen Abmessungen von 50 - 100 µm Breite und 10 - 50 µm Tiefe mit zum Teil komplexen Geometrien (Verzweigungen, Analysenstrecken) werden außer in der Medizintechnik auch zunehmend in der chemischen Mikroanalytik eingesetzt.
Diese mikrofluidischen Strukturen werden in großer Zahl, aber auch in vielen unterschiedlichen Anordnungen benötigt. Dafür war die Herstellung von Prototypen bislang zu teuer.

Projektziele und erreichte Ergebnisse
Mit der im Projekt entwickelten Maschinentechnik ist die prototypische Herstellung mikrofluidischer Strukturen und -Bauteile mit einer durchgängigen Verfahrenstechnik möglich. Die Basis dieser Maschine bildet eine Präzisions-Laserablationseinheit, mit der mittels Excimer-Laserstrahlung beliebig geformte Mikrogeometrien erzeugt werden können. Durch geeignete Wahl der Laserwellenlänge können Strukturen im Bereich 5 - 500 µm mit Genauigkeiten < 1 µm in beinahe beliebige Werkstoffe wie Polymere, Metalle oder Keramiken eingebracht werden. Die Kontur wird dabei lediglich von einem CNC-Programm und einem vorgeschalteten CAD/CAM-System vorgegeben.
Die Maschinentechnik ermöglicht die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe und erlaubt die preisgünstige Herstellung von Prototypen mikrofluidischer Komponenten mit großer Geometriefreiheit. Aus diesem Grund kommt das Konzept dem einer konventionellen Bearbeitungsmaschine (z. B. Funkenerodieren oder Präzisionsfräsen) nahe.
Für den Einsatz in der Laserablationsmaschine wurde ein hochrepetierender Excimer Laser mit hoher Standzeit und Betriebssicherheit weiterentwickelt. Dies ermöglicht einen wirtschaftlichen und wartungsarmen Dauerbetrieb des Lasers bei rascher Bearbeitungszeit.

Im Einzelnen wurden folgende Technologien weiterentwickelt:
- flexible Laserapplikationstechnik für 3-dimensionale Mikrostrukturierung von Polymer, Glas, Keramik und Metall für Fluidstrukturen < 50 µm
- durchgängiges Datenkonzept für die Entwicklung und Herstellung mikrofluidischer Strukturen
- Mikrofügetechnologien für die Konfektionierung der Mikrofluidikbauteile und Integration aktiver und passiver Elektronikkomponenten
- Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Anschlussstücken und deren Integration in die Makro-Welt.
- Designkatalog zur modularen Gestaltung von Mikrofluidikbauteilen
- Erprobung des Rapid Prototyping Prozesses zur Herstellung von Formwerkzeugen für das Rapid Manufacturing

Anwendungspotenzial
Die grundlegende Möglichkeit hochwertige Prototypen in diesem noch sehr neuen Gebiet herstellen zu können, erhöht die Akzeptanz dieser Technologien im industriellen Umfeld. Somit stellt die Umsetzung eines Rapid Prototyping Systems einen wes
entlichen Meilenstein für die weitergehende Einführung von Mikrobauteilen dar. Die heute in den Unternehmen gängigen Prozesse der Produktentwicklung, die eine enge Verzahnung von Design- und Prototyperstellung bedingen, können daher im Prinzip auf das neue Fachgebiet der Mikrobauteile übertragen werden. Allerdings setzt das System hochqualifiziertes Personal voraus, so dass als Standort für solche Maschinen vorläufig vor allem Forschungsinstitute in Frage kommen.

Rapid Prototyping mikrofluidischer Bauteile für Medizintechnik und Analytik - RapidFluid

Autor: Wehner, M.; Görtler, A.; Kramp, H.; Rawert, M.; Thielen, C.

Verlag: Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Aachen

Erscheinungsjahr: 2006

Beschreibung: Testmuster und Kleinserien von Mikrofluidikbauteilen können im Mikrospritzguss oder durch Abformtechniken oft nicht wirtschaftlich hergestellt werden, da die Stückzahlen zu klein sind. Die prototypische Herstellung von Mikrofluidbauteilen durch Lasertechniken kann dagegen ohne besondere Werkzeuge erfolgen. Dazu werden zuerst Kanäle als grabenförmige Strukturen mit einem ArF-Excimerlaser in einem Substrat ablatiert und anschließend durch Aufschweißen eines Deckels verschlossen. Zielsetzung des Verbundprojektes ist es, eine durchgängige Maschinentechnik für die Laserfertigung polymer Bauteile für Medizintechnik und Analytik bereit zustellen. Der gewählte Ansatz eines modularen Systems zur prototypischen Fertigung von Mikrofluidikbauteilen aus Polymeren erweist sich als technisch erfolgreich und praktikabel. Im Vergleich zu anderen Verfahren liegt der Hauptvorteil in der kurzen Prozesszeit zur Herstellung einer neuen Struktur. Die Bereitstellung eines ArF-Excimerlasers mit hoher Pulsrate macht eine präzise Strukturierung von Polymeren ohne Masken- oder Werkzeugfertigung erst wirtschaftlich sinnvoll. Das Abtragmodul besitzt zwei Werkzeugpositionen und kann mit zwei Laserstrahlquellen zum Abtragen und Konturschweissen ausgerüstet werden. Änderungen im Layout können so leicht in die Steuerungssoftware übernommen und Varianten einfach erprobt werden. Das Maskenschweißverfahren ist für mittlere und große Stückzahlen besser geeignet. Durch die Optimierung des Prozesses und die Verbesserung der Anlagentechnik konnte eine bisher nicht mögliche Präzision und Detailauflösung erreicht werden. Die Broschüre ist als pdf-Dokument beim Koordinator des Projekts, Dr. Martin Wehner, Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Steinbachstr. 15, D-52074 Aachen erhältlich.