Dank seiner hohen Genauigkeit und der Fähigkeit, wasserdichte Teile herzustellen, ist der Kunstharz-3D-Druck führend bei der Herstellung von miniaturisierten Systemen für den Transport von Flüssigkeiten, der sogenannten Millifluidik. Komplexe Chips mit Netzwerken von Kanälen mit weniger als einem Millimeter Durchmesser dienen dazu, Flüssigkeiten effizient zu mischen oder suspendierte Materialien zu trennen und erfüllen noch viele andere Funktionen in experimentellen wissenschaftlichen Vorrichtungen. Millifluidik-Chips finden Anwendung in der Biotechnologie, der Chemietechnik und der pharmazeutischen Technik. Dies macht sie auch für Bildungseinrichtungen unverzichtbar, die die Nachwuchsgeneration für Medizin und Wissenschaft ausbilden.

Weltweit werden die meisten Millifluidik-Kanäle mithilfe von Lithografie-Maskierung gefertigt, wobei die Rinnen in einem 2,5D-Modell selektiv auf Glasplatten eingraviert werden. Die Auslagerung der Maßanferigung von Fluidikdesigns mit diesem Verfahren ist in der Regel mit hohen Kosten verbunden, und auch die Integration der herkömmlichen Fotolithografie-Technik in das eigene Labor ist kostspielig. Dies ist daher nicht immer wirtschaftlich und womöglich zu langwierig. Die additive Fertigung bietet eine Lösung zur schnellen Herstellung von funktionalen Millifluidik-Chips auf Abruf. Ohne Zusatzkosten bei höherer Komplexität kann ein maßgefertigter Chip zu den gleichen Kosten hergestellt werden wie ein Standard-Chip. Mit einem SLA-3D-Drucker von Formlabs können Chips nach Bedarf und in nur wenigen Stunden gefertigt werden, wodurch Mindestbestellmengen und lange Lieferzeiten entfallen.

Die Kunstharz-Bibliothek von Formlabs bietet mit einer Vielzahl biokompatibler, temperaturbeständiger und optisch klarer Kunstharze spezifische Materiallösungen für viele der Bereiche, in denen Millifluidik eingesetzt wird.

Der Begriff Mikrofluidik wird für diese Anwendungen ebenfalls verwendet, aber er bezieht sich auf Kanäle kleinerer Größe als in diesem Bericht behandelt.

In allen Bereichen, in denen Millifluidik eingesetzt wird, gibt es bestimmte Anforderungen an das Chipmaterial, die für die Durchführung brauchbarer Experimente erforderlich sind.

• Optische Klarheit ermöglicht die visuelle Bestätigung und Bewertung des Flüssigkeitsverhaltens und der Leistung des Kanals. Das Material muss innerlich optisch transparent sein, und die Oberfläche sollte sich leicht polieren lassen. Die 3D-Drucker der Serie Form 4 drucken mit Clear Resin extrem lichtdurchlässige Teile, wodurch die Mischkanäle gut einsehbar sind.
• Biokompatibilität ist ein wichtiger Faktor in Biologie und Medizin, wo die Chips inert und ungiftig sein müssen. BioMed Clear Resin ist ein klares, biokompatibles Material, das mit Formlabs-SLA-3D-Druckern gedruckt und für Millifluidik-Chips verwendet werden kann. 
• Hohe Präzision ist essenziell, um die in den Chip eingebetteten Submillimeter-Kanäle umzusetzen. Bestimmte 3D-Druckverfahren und selbst SLA-Drucker der unteren Leistungsklasse sind oft nicht in der Lage, Kanäle im Submillimeterbereich zu drucken. Selbst bei leistungsfähigen Geräten wie einem Formlabs-SLA-Drucker kann die Druckausrichtung entscheidend sein, um zu garantieren, dass die Kanäle nicht ausgehärtet werden.
• Die Zähigkeit muss hoch genug sein, um das Verbinden und Trennen von Standardkomponenten zu überstehen. Es gibt Dutzende verschiedener Systeme und Plattformen für die Durchführung von Millifluidik-Forschung, was auch Dutzende verschiedener Adapter und Anschlüsse bedeutet. Sicherzustellen, dass die Chips und Verbinder in Ihrem Setup kompatibel sind, ist frustrierend und schränkt potenziell die Auswahl der verwendbaren Chips ein. Wenn Sie Ihre Chips selbst 3D-drucken, können Sie Ihre eigenen Verbinder entwerfen und so sicherstellen, dass alle Designs mit Ihrem System kompatibel sind.

Die additive Fertigung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Methoden der Chip-Fertigung. Ganz vorne steht die Kosteneinsparung beim betriebsinternen 3D-Druck. Einen individuell angepassten Millifluidik-Chip zu erstellen, ist für gewöhnlich unverhältnismäßig teuer. Und es dauert auch schon einmal bis zu zwei Monate, bevor man den besagten Prototypen in der Hand hält. Dem gegenüber druckt ein SLA-3D-Drucker jede beliebige Geometrie direkt im Labor und benötigt dafür nur wenige Stunden, nicht Monate.

Standardmäßige Millifluidik-Chips aus geätztem Glas für grundlegende Funktionen können 70 Euro oder mehr kosten. Der 3D-Druck ist jedoch häufig um Welten günstiger. Der Druck eines Millifluidik-Chips auf dem Form 4 dauert ca. 1 h 20 min (je nach Größe und Ausrichtung) und verbraucht 24,86 ml Clear Resin. Bei dünneren und kleineren Teilen sind die Druckzeiten noch geringer.

Millifluidik-Chips erfordern Präzision. Der Form 4 liefert eine XY-Auflösung von 50 µm und XY-Maßtoleranzen von ±0,15 %, zuverlässig über die gesamte Konstruktionsplattform hinweg.

Eine zuverlässige Fertigungsmethode stellt sicher, dass Ihre Millifluidik-Chips zu den erforderlichen Fristen und mit den geforderten Spezifikationen bereitstehen. Ein Fehldruck kann zu Arbeitsunterbrechungen führen, die Zeit und Ressourcen verschwenden. Ein unabhängiger, weltweit führenden Anbieter von Produkttests ermittelte für den Form 4 eine Druckerfolgsrate von 98,7 %, während die getesteten Vergleichsdrucker eine 10- bis 20-fach höhere Fehldruckrate aufweisen. Für professionelle Anwendungen, wo Teile zuverlässig, genau und ohne manuellen Arbeitsaufwand gedruckt werden müssen, ist Zuverlässigkeit von größter Bedeutung. Der Form 4 spart nicht nur Kunstharz und Verbrauchsmaterial, sondern auch Zeit und Arbeit sowie Kopfzerbrechen durch verpasste Fristen.

Das Entwicklerteam von Formlabs hat zwei einfache Millifluidik-Geometrien entworfen, 3D-gedruckt und getestet. Die Mischer wurden mit einem in Leitungswasser gelösten Standard-Lebensmittelfarbstoff getestet. Eine Spritze wurde mit gelbem Wasser gefüllt, die andere mit blauem. Jede Farbe wurde in eine Mischerschnittstelle eingespritzt. Dann wurden die Farblösungen vor einem weißen Hintergrund gemischt, sodass man die Einheitlichkeit des Mischvorgangs beobachten konnte.

In diesem Experiment lassen sich die laminaren und turbulenten Strömungen beobachten. In engen Kanälen neigen die eingefärbten Flüssigkeiten dazu, in laminarer Strömung nebeneinander in Richtung des Kanals zu fließen; durch die Diffusion des Pigments kommt es allmählich zu einer Vermischung. Wenn der Querschnitt des Kanals zunimmt, verursachen Wirbel und Strömungen, die senkrecht zum Kanal verlaufen, eine chaotische oder turbulente Vermischung.

In unseren Experimenten stellten wir fest, dass die verschiedenen Mischergeometrien das Mischverhalten der Flüssigkeiten beeinflussen.

Sowohl der Y-Mischer mit großem als auch der mit kleinem Kanal lieferten hervorragende Ergebnisse und vermischten die beiden Flüssigkeiten angemessen. Dank des Lebensmittelfarbstoffs ist sichtbar, wann, wo und wie gründlich sich die Flüssigkeiten im Kanal vermischen.

In beiden Y-Mischern waren die Kanäle frei und die Flüssigkeit mischte sich wie gewünscht. Die breiten Kanäle bewirkten, dass sich die Flüssigkeiten sofort mischten und eine gründlich gemischte grüne Flüssigkeit entstand. Die Version mit den dünneren Kanälen bewirkte ein allmählicheres Mischen der beiden Flüssigkeiten. Die Mischmodelle lassen sich problemlos kürzen oder verlängern und die Größe des Kanals kann je nach gewünschtem Ergebnis geändert werden.

Die beiden Y-Mischer wurden aufrecht direkt auf der Konstruktionsplattform gedruckt. Nach der Entnahme der Plattform aus dem Drucker wurde Isopropylalkohol (IPA) direkt durch die Kanäle gepumpt. Anschließend wurden die Teile von der Plattform entfernt und 10 Minuten lang in einem Form Wash gewaschen.

Dieser Vorgang garantierte, dass mindestens die Hälfte der Drucke erfolgreich war und die Flüssigkeit mischen konnte. Wir empfehlen, von jedem Chip mindestens zwei Modelle zu drucken, um ein funktionales Druckteil zu garantieren.

Diese 3D-Kanäle heben eine einzigartige und wirkungsvolle Eigenschaft des betriebsinternen 3D-Drucks von Millifluidik-Modellen hervor. Scharfe 3D-Elemente unterbrechen die laminare Strömung in engen Kanälen und gewähren somit Kontrolle darüber, wann und wie sich die Flüssigkeiten mischen.

Wenn Sie Ihre Chips betriebsintern erstellen, sollten Sie einige Designtipps beachten.

Bei 3D-gedruckten Millifluidik-Chips ist jeder dreidimensionale Kanalverlauf möglich. Dem gegenüber sind geätzte Glaskanäle beschränkt auf die zweidimensionale Ebene und eine rechteckige Querschnittsform.

Da ein einzelner Chip kostengünstig 3D-gedruckt werden kann, bietet der interne Druck von Millifluidik-Vorrichtungen die Möglichkeit, mit 3D-Kanälen zu experimentieren.

Prototypenversionen visuell zu unterscheiden kann eine Herausforderung sein, wenn ihre Merkmale sehr klein sind. Das macht ihre Beschriftung besonders wichtig. Das Risiko, verschiedene Chip-Versionen zu verwechseln und damit potenziell viel Zeit bei der Entwicklung zu verschwenden, ist nicht zu unterschätzen. Wenn Beschriftungen direkt in das Druckteil integriert werden, können Unklarheiten und Fehler vermieden werden. Beschriftungen können direkt in PreForm, der kostenlosen Druckvorbereitungssoftware von Formlabs, auf die Modelle geprägt werden. Weitere Informationen zum Hinzufügen von geprägten Beschriftungen finden Sie hier.

Unabhängig vom vorhandenen Millifluidik-System können maßgefertigte Anschlüsse direkt in den Chip gedruckt werden, sodass keine Klebstoffe und Bindemittel benötigt werden, bei denen die Gefahr einer Delaminierung während des Gebrauchs bestehen würde. Sofern Toleranzen und Design korrekt sind, können diese Verbinder Hunderte von Zyklen überstehen.

Standardisierte Verbinder zur Flüssigkeitenübertragung kommen hauptsächlich im medizinischen Bereich zum Einsatz. Es gibt Spritzen mit gängigen Verbindern, die sich für das manuelle Testen von Chips eignen. Zur Erstellung von nicht standardmäßigen Verbindern kann ein 3D-Scanner das Design in Ihre CAD-Software übertragen, sodass es einfach nachbearbeitet und gedruckt werden kann.

Viele Millifluidik-Chips verfügen über eine Klemme mit einem O-Ring, um den Chip mit einem offenen Anschluss auf der Oberseite zu verbinden. 3D-gedruckte Chips können diese Art des Anschlusses leicht umsetzen, um mit bestehenden Systemen kompatibel zu sein. Es können sogar zusätzliche Merkmale am Anschluss eingefügt werden, um die Aufnahme des Dichtungsrings und der Klemme zu verbessern.

Mit der vollen Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks können Entwickler von Millifluidik-Chips ohne zusätzliche Kosten jede beliebige dreidimensionale Kanalform erstellen.

Tests zeigen, dass runde Kanäle mit einem Durchmesser von 700 μm zuverlässig umgesetzt werden, und bei optimalem Chipdesign werden auch bei 500 μm gute Ergebnisse erzielt. Die folgenden Empfehlungen zur Nachbearbeitung helfen, das Aushärten von flüssigem Kunstharz in den Kanälen zu verhindern.

Weitere Tests zeigen, dass Kanäle mit kreisförmigem Profil mit höherer Wahrscheinlichkeit korrekt gedruckt werden als Kanäle mit scharfen Kanten und engen Ecken, wie z. B. dreieckige Querschnitte. Wenn Sie Chips für den SLA-Druck entwerfen, versuchen Sie, die Kanäle bei kleinen Durchmessern so rund wie möglich zu halten. Wenn Sie ein spezielles Profil benötigen, drucken Sie es größer, um den Druckerfolg zu sichern.

Bei einer robusten Technologie wie SLA gibt es eine enorme Anzahl von Variablen, die abgestimmt werden können, um die für Millifluidik-Chips idealen Eigenschaften zu erzielen. In unseren Tests haben wir die optimalen Materialien, Druckeinstellungen und Verfahren zum Aushärten und Nachhärten ermittelt, die zu den leistungsstärksten Chips führen. Diese eignen sich für den 3D-Druck mit den Serien Form 3 und Form 4.

Für unsere Tests haben wir ein Modell mit vier Millifluidik-Kanälen unterschiedlichen Durchmessers entworfen: 900 Mikrometer, 700 Mikrometer, 500 Mikrometer und 300 Mikrometer. Die bewährten Praktiken wurden danach festgelegt, bei welchen Methoden die Kanäle mit kleinerem Durchmesser gut aufgelöst wurden und Flüssigkeitsdurchfluss zuließen.

Unsere Testchips wurden mit Schichthöhen von 100 μm sowie 50 μm gedruckt, und zwar mit Clear Resin. Auf Grundlage der Ergebnisse empfehlen wir den Druck mit einer Schichthöhe von 50 μm, um bis zu 700 μm breite Kanäle in den meisten Ausrichtungen umzusetzen.

Formlabs bietet mehrere optisch klare Kunstharze an. Clear Resin (ein Allzweckharz) eignet sich hervorragend für die Prototypenentwicklung, aber auch BioMed Clear Resin und High Temp Resin können die geforderten Eigenschaften für gängige Anwendungen in der Millifluidik bieten:

• BioMed Clear Resin ist ein autoklavierbares biokompatibles Material, das hart, stark und verschleißbeständig ist. BioMed Clear Resin lässt sich mit einer Schichthöhe von 50 μm drucken, was extrem präzise Kanalgeometrien ermöglicht.
• High Temp Resin hält den hohen Temperaturen stand, denen Kühlkanäle ausgesetzt werden (z. B. in Thermoformwerkzeugen mit integrierten Kühlkanälen) und kann mit einer Schichthöhe von 25 μm gedruckt werden, um besonders glatte Profile zu erhalten.

Wir haben Dutzende verschiedener Nachbearbeitungsmethoden getestet, um das optimale Verfahren zur Umsetzung winziger Kanäle in Millifluidik-Chips zu finden. Folgende Schritte liefern den meisten Erfolg beim Drucken von schmalen Kanälen:

1. Entnehmen Sie die Konstruktionsplattform aus dem Drucker und bringen Sie sie sofort zu Ihrem Form Wash. Spülen Sie die Kanäle mit einer mit IPA befüllten Spritze aus.
2. Lassen Sie die Teile in einen Form Wash mit frischem oder sehr sauberem IPA 10 Minuten lang waschen. An diesem Punkt birgt selbst eine minimale Lichteinwirkung ein erhebliches Risiko, dass sich die Kanäle verschließen.
3. Verwenden Sie eine mit IPA befüllte Spritze, um die Kanäle erneut auszuspülen und gründlich zu reinigen. Wir hatten Erfolg damit, durch Kanäle mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm mindestens 50 ml Flüssigkeit fließen zu lassen.
4. Verwenden Sie danach sofort eine saubere Spritze, um das restliche Kunstharz aus den Kanälen abzusaugen.
5. Lösen Sie den Chip von der Plattform ab und führen Sie einen weiteren 10-minütigen Waschzyklus durch.
6. Drücken Sie mit einer Spritze Luft durch die gereinigten Kanäle, bis sie sichtbar frei sind und keine Flüssigkeit mehr darin verbleibt.

Wie bei den meisten additiven Fertigungsprozessen kann es auch bei SLA vorkommen, dass sich die Teile nach dem Druck leicht verziehen. In einem so präzisen Bereich wie der Millifluidik ist die Maßgenauigkeit jedoch entscheidend für den Erfolg eines Teils. Die Ausrichtung Ihres Chips auf der Konstruktionsplattform spielt eine große Rolle dabei, wie sich Ihr Teil abkühlt und verzieht.

Unsere Tests haben gezeigt, dass der vertikale Druck von Millifluidik-Chips den geringsten Verzug nach sich zieht. Eventuell müssen mehrere verschiedene Versionen des Chips gedruckt werden, um zu ermitteln, welche die Kanäle für die jeweilige Geometrie am besten umsetzt. Dank der leicht entfernbaren Stützstrukturen werden Beschädigungen und Rückstände auf der Chipoberfläche minimiert, wenn das Teil angewinkelt gedruckt wird.

Nachdem die Chips gedruckt sind, ist optische Transparenz entscheidend, um Experimente beobachten und die Chips in zahlreichen Anwendungen einsetzen zu können.

Eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit erreichen Sie am besten durch eine Kombination aus Schleifen und Beschichten. Schleifen Sie die Oberfläche Ihres Teils zunächst mit Sandpapier der Körnung 220 ab und arbeiten Sie sich schrittweise bis zur Körnung 1000 vor. Indem Sie Ihr Sandpapier auf eine ebene Fläche legen und Ihr Teil dagegen schleifen, können Sie einfach sicherstellen, dass das Teil eben bleibt.

Falls Sie sich für eine Beschichtung nach dem Schleifen entscheiden, empfehlen wir folgende drei Lösungen: Rustoleum 2X Glossy Clear Coat, SprayMax Automotive Clear Resin bzw. eine Schicht aus ungehärtetem Harz. Bei älteren SLA-Druckern wie dem Form 2 kann die Beschichtung mit Klarlack erforderlich sein.

Alle drei Beschichtungen verbesserten die optische Transparenz des Teils in unterschiedlichem Maße, wobei die Harzbeschichtung die glatteste und damit klarste Oberfläche bot. Allerdings kann es an den Rändern des Chips aufgrund des Meniskus zu Verzerrungen kommen.

Das Aushärten einer Harzbeschichtung erfordert zudem zusätzliche Schritte: Das Teil muss einen zweiten Nachhärtezyklus durchlaufen. Übermäßiges Aushärten kann die Sprödigkeit erhöhen, was sich nachteilig auf die Festigkeit von Steckern und Anschlüssen auswirken kann. Aufgrund der optischen Transparenz der Drucke mit Clear Resin auf dem Form 4 und Form 3 ist es oft nicht notwendig, den Chip vor der Verwendung zu beschichten.

Für ein kleines Start-up oder ein Forschungslabor können die hohen Kosten der Maßanfertigung von Millifluidik-Chips eine Hürde sein. Mit 3D-Druck können Forschungsteams auf Abruf individuelle Geometrien erstellen und so den Engpass der ausgelagerten Chipherstellung beseitigen. Der Form 4 bewältigt mühelos eine Vielzahl von Chip-Geometrien und druckt sie zu einem Bruchteil der Kosten des Outsourcings.

Mit dem Form 4 ist der Desktop-3D-Druck so einfach wie nie zuvor. Fordern Sie einen kostenlosen Probedruck an, um die Ergebnisse selbst zu beurteilen, oder kontaktieren Sie den Vertrieb, um mehr zu erfahren.