Grazie all'elevata precisione e alla capacità di produrre parti a tenuta stagna, le stampanti 3D in resina  offrono un metodo all'avanguardia per fabbricare sistemi miniaturizzati per il trasporto dei fluidi, noto come millifluidica. I complessi chip di canali collegati in rete con un diametro inferiore al millimetro vengono progettati per miscelare in modo efficiente i fluidi, separare i materiali sospesi e svolgere molte altre funzioni all'interno di attrezzature scientifiche sperimentali. I chip millifluidici trovano applicazione nelle biotecnologie, nell'ingegneria chimica e nell'ingegneria farmaceutica. Ciò li rende fondamentali anche per gli istituti che formano la prossima generazione di scienziati e medici.

A livello globale, la maggior parte dei canali millifluidici viene prodotta utilizzando attraverso maschere litografiche, in cui i canali vengono incisi in modo selettivo su lastre di vetro con un sistema 2.5D. L'esternalizzazione della fabbricazione personalizzata di design fluidodinamici con questo processo ha in genere un costo elevato (come anche introdurre tecniche fotolitografiche tradizionali nei propri laboratori), che non sempre è economico o efficiente in termini di tempo. La produzione additiva offre una soluzione per dare rapidamente vita a chip millifluidici funzionali su richiesta. Senza costi aggiuntivi in termini di complessità, un chip personalizzato può essere realizzato allo stesso costo di uno generale. Con una stampante 3D SLA di Formlabs, i chip possono essere prodotti secondo le esigenze e in poche ore, senza dover effettuare acquisti in blocco o gestire tempi di spedizione.

Il catalogo delle resine Formlabs prevede soluzioni specifiche per molti dei settori che implementano la millifluidica grazie a una selezione di resine biocompatibili, termoresistenti e otticamente trasparenti.

Microfluidica è un altro termine utilizzato per queste applicazioni, ma si riferisce a canali di dimensioni più piccole rispetto a quelli trattati in questo report.

In tutti i campi in cui vengono implementati flussi di lavoro millifluidici, ci sono alcune proprietà dei materiali per chip che sono necessarie per condurre esperimenti utili.

• La chiarezza ottica consente la conferma visiva e la valutazione della condotta dei liquidi e delle prestazioni del canale. Internamente, il materiale deve essere otticamente trasparente e la superficie deve essere facilmente lucidabile. Le stampanti 3D della serie Form 4 stampano parti incredibilmente traslucide in Clear Resin, che garantisce visibilità all'interno dei canali di miscelazione.
• La biocompatibilità è un fattore importante in biologia e medicina, dove un chip deve essere inerte e atossico. BioMed Clear Resin è un materiale trasparente biocompatibile che può essere stampato sulle stampanti 3D SLA di Formlabs e utilizzato per i chip millifluidici. 
• Un'elevata precisione è fondamentale per riprodurre i canali submillimetrici integrati in un chip. Alcuni tipi di stampa 3D, così come le stampanti SLA di fascia bassa, spesso non sono in grado di stampare canali submillimetrici. Anche nel caso di dispositivi performanti come le stampanti SLA Formlabs, l'orientamento può essere fondamentale per garantire che i canali non si polimerizzino.
• La tenacità è essenziale per riuscire a sostenere il collegamento e lo scollegamento dei connettori standard dell'hardware. Esistono decine di diversi sistemi e piattaforme per condurre ricerche millifluidiche e, di conseguenza, decine di diversi adattatori e connettori. Assicurarsi che vengano acquistati i chip corretti con il connettore giusto per la tua configurazione è frustrante e rappresenta un potenziale limite per i chip che puoi utilizzare. Stampando i tuoi chip, puoi progettare il tuo connettore e assicurarti che il design sia compatibile con il tuo sistema.

La produzione additiva offre numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali metodi di produzione dei chip. Il primo e più significativo vantaggio è il risparmio associato alla stampa 3D in-house. In genere, ordinare un chip millifluidico personalizzato comporta costi esorbitanti e si arriva ad attendere anche due mesi prima di poter ricevere un prototipo. Le stampanti 3D SLA, invece, consentono di stampare qualunque geometria direttamente nel proprio laboratorio e in poche ore.

I chip millifluidici in vetro acidato standard che eseguono funzioni di base possono costare anche più di 60 €. In molti casi, la stampa 3D costa molto meno. Con la Form 4, è possibile stampare un chip millifluidico in circa 1 ora e 20 minuti (a seconda delle dimensioni e dell'orientamento) con 24,86 mL di Clear Resin. Per le parti più piccole e sottili, i tempi di stampa saranno ancora più bassi.

I chip millifluidici richiedono precisione. La Form 4 offre una risoluzione XY di 50 µm con parti che presentano tolleranze dimensionali XY di ±0,15% su tutta la piattaforma di stampa.

Un metodo di produzione affidabile garantisce che i chip millifluidici vengano prodotti entro le scadenze desiderate e secondo le specifiche richieste. Una stampa fallita può comportare interruzioni del lavoro, e conseguenti perdite di tempo e di risorse. Un'azienda indipendente leader mondiale nei test sui prodotti ha rilevato che la Form 4 ha un tasso di riuscita della stampa pari al 98,7%, mentre le stampanti di riferimento testate hanno un tasso di errore dalle 10 alle 20 volte superiore. Per i professionisti che necessitano di parti stampate in modo sicuro, accurato e senza costi di manodopera, l'affidabilità è importante e la Form 4 consente di risparmiare resina, materiali di consumo, tempo e manodopera, oltre ai disagi causati dalle scadenze non rispettate. 

Il team dell'ingegneria di Formlabs ha progettato, stampato e testato due geometrie millifluidiche base. I miscelatori sono stati testati utilizzando un colorante alimentare disciolto in acqua. Una siringa è stata riempita con  liquido giallo, l’altra con liquido blu. Ogni colore è stato iniettato in una porta di miscelazione. Dopodiché, la miscela è stata proiettata su una superficie bianca, dove si poteva osservare l'uniformità del liquido.

Con questo esperimento, è possibile osservare le differenze tra flusso laminare e flusso turbolento. Nei canali stretti, i liquidi colorati tendono a fluire uno accanto all'altro attraverso un flusso laminare, nella direzione del canale; la miscelazione avviene gradualmente, a causa della diffusione del pigmento. Man mano che la sezione trasversale del canale aumenta, i vortici e le correnti che si sviluppano perpendicolarmente al canale causano una miscelazione caotica o turbolenta.

Nei nostri esperimenti abbiamo scoperto che le diverse geometrie dei miscelatori influenzano la modalità di miscelazione del fluido.

Sia il miscelatore a Y a canale grande che quello a canale piccolo hanno prodotto risultati eccellenti, in cui entrambi i liquidi si sono miscelati in modo adeguato. Il colorante alimentare ci permette di vedere quando, dove e in che modo si miscelano i liquidi nel canale.

In entrambi i miscelatori a Y, i canali erano chiari e i liquidi si miscelavano nel modo desiderato. I canali larghi fanno sì che i liquidi si miscelino immediatamente, producendo un liquido verde ben miscelato. La versione con i canali più sottili ha provocato una miscelazione più graduale dei due liquidi. I modelli di miscelazione si possono accorciare o allungare facilmente e le dimensioni dei canali sono modificabili a seconda dei risultati desiderati.

Entrambi i miscelatori a Y sono stati stampati in verticale direttamente sulla piattaforma di stampa. Dopo aver rimosso la piattaforma di stampa dalla stampante, l'alcool isopropilico è stato pompato in modo diretto nei canali. Successivamente, le parti sono state rimosse dalle piattaforme di stampa e lavate per 10 minuti in una Form Wash.

Questo processo ha garantito che almeno la metà delle stampe andasse a buon fine e fosse in grado di miscelare i liquidi. Consigliamo sempre di stampare almeno due modelli per ogni chip, per garantire una stampa ben riuscita.

I canali 3D sottolineano una funzionalità unica e molto potente della stampa 3D in-house dei modelli millifluidici. I dettagli marcati in 3D interrompono il flusso laminare e lo dirigono verso canali più sottili che permettono al designer di controllare quando e come si mescolano i fluidi.

Durante la creazione in-house dei propri chip, ci sono alcuni consigli di progettazione da considerare.

Nei chip microfluidici stampati in 3D, i canali possono svilupparsi in qualunque percorso tridimensionale. A confronto, i canali incisi su vetro sono limitati al piano bidimensionale e a una forma dalla sezione trasversale rettangolare.

Grazie al basso costo della stampa di un singolo chip, le stampe millifluidiche in-house danno l'opportunità di sperimentare con i canali 3D.

Differenziare a occhio le revisioni dei prototipi può essere impegnativo quando gli elementi sono molto piccoli, quindi l'etichettatura diventa vitale. La possibilità di confondere le varie versioni dei chip e non poterle distinguere facilmente è reale e potrebbe costare molto tempo all'ingegneria. Se le etichette sono integrate direttamente nella stampa, è possibile ridurre ambiguità ed errori. Le etichette possono essere goffrate direttamente su PreForm, il software di preparazione della stampa gratuito di Formlabs. Scopri di più su come aggiungere le etichette goffrate qui. 

A prescindere dal sistema millifluidico esistente, i connettori personalizzati possono essere stampati direttamente nel chip stesso, eliminando la necessità di sostanze adesive e leganti che rischiano di causare la delaminazione durante l'uso. Se le tolleranze e le considerazioni di progettazione sono corrette, questi connettori possono durare per centinaia di cicli di connessione con il tuo sistema.

I connettori standard per il trasferimento di fluidi vengono utilizzati principalmente nel settore medico. Si possono trovare siringhe con connettori comuni, utili per testare manualmente i chip. Per quanto riguarda i connettori non standard, uno scanner 3D può inserire il design nel software CAD, per poi ritoccarlo e stamparlo facilmente.

Molti sistemi di chip millifluidici si servono di un morsetto abbinato a un O-ring per collegarsi ai chip con una porta aperta sulla superficie superiore del chip. I chip stampati in 3D possono facilmente imitare questo genere di porta per interfacciarsi con i sistemi esistenti, creando anche una geometria aggiuntiva alla faccia della porta per accogliere meglio l'O-ring e la testa di serraggio.

Grazie alla piena libertà geometrica offerta dalla stampa 3D, i designer di chip millifluidici hanno la possibilità di creare qualsiasi forma di canale tridimensionale senza costi aggiuntivi.

I test dimostrano che i canali circolari si risolvono in modo continuo con un diametro di 700 μm e i design ottimali dei chip possono ottenere buoni risultati a 500 μm. Seguire le procedure consigliate di post-elaborazione aiuterà a evitare che i residui di resina liquida si polimerizzino all'interno dei canali.

Ulteriori test dimostrano che i canali dal profilo circolare hanno maggiori probabilità di essere stampati correttamente rispetto a quelli con bordi taglienti e angoli stretti, come le sezioni trasversali triangolari. Quando progetti i tuoi chip per la stereolitografia, cerca di mantenere i canali più circolari possibili con diametri ridotti. Se è necessario un profilo unico, stampalo di maggiori dimensioni per garantirne la riuscita.

Con una tecnologia così robusta come la stereolitografia, esiste un enorme numero di variabili da affinare per ottenere le proprietà ideali da un chip millifluidico. Nei nostri test abbiamo determinato i materiali, le impostazioni di stampa e le procedure di lavaggio e polimerizzazione post-stampa ottimali per ottenere i chip più performanti. Questi ultimi si possono utilizzare con le stampanti 3D delle serie Form 3 e Form 4.  

Per eseguire i nostri test, abbiamo progettato un modello con quattro canali millifluidici, ciascuno di diametro decrescente: 900 micron, 700 micron, 500 micron e 300 micron. Le buone pratiche sono state determinate in base ai metodi che hanno permesso la risoluzione dei canali di diametro inferiore e il passaggio del flusso del liquido.

I nostri chip di prova sono stati stampati a uno spessore dello strato di 100 μm e 50 μm, tutti con la Clear Resin. In base ai risultati, consigliamo di stampare a uno spessore dello strato di 50 μm per risolvere canali larghi fino a 700 μm in gran parte degli orientamenti.

Formlabs offre diverse opzioni di resine otticamente trasparenti. Mentre la Clear Resin (una resina standard per usi generici) è ottima per la prototipazione, la BioMed Clear Resin e la High Temp Resin possono fornire le proprietà necessarie alle applicazioni millifluidiche più comuni:

• La BioMed Clear Resin è una resina biocompatibile autoclavabile dura, forte e resistente all'usura. La BioMed Clear Resin può anche stampare con uno spessore dello strato di 50 μm e offrire una geometria del canale super precisa.
• La High Temp Resin è in grado di gestire le alte temperature delle applicazioni di raffreddamento (come le termoformature con canali di raffreddamento integrati) e può essere stampata con uno spessore dello strato di 25 μm per ottenere profili dei canali molto lisci.

Abbiamo testato decine di diverse tecniche di post-elaborazione per trovare la procedura ottimale per la risoluzione dei piccoli canali nei chip millifluidici. Questi passaggi ti permetteranno di stampare canali stretti nel modo corretto:

1. Rimuovi la piattaforma dalla stampante e spostala immediatamente nella Form Wash. Prendi una siringa riempita di alcool isopropilico e lava i canali.
2. Posiziona le parti in una Form Wash con alcool isopropilico nuovo o molto pulito per un ciclo di lavaggio di 10 minuti. Anche una minima esposizione alla luce in questa fase comporta un rischio significativo di otturazione dei canali.
3. Usa una siringa piena di alcool isopropilico per sciacquare e pulire a fondo i canali. Abbiamo ottenuto buoni risultati consentendo il flusso di almeno 50 mL di liquido attraverso i canali di diametro inferiore a 1 mm.
4. Una volta terminato il processo, utilizza immediatamente una siringa pulita per aspirare la resina rimanente all'interno dei canali.
5. Rimuovi il chip dalla piattaforma di stampa e lavalo nuovamente per 10 minuti.
6. Spingi l'aria attraverso i canali puliti con una siringa finché il canale non è visibilmente trasparente e non presenta residui di liquido al suo interno.

Come accade in gran parte dei processi di produzione additiva, la stereolitografia può talvolta produrre parti che presentano lievi deformazioni dopo la stampa. Ma, in un settore così preciso come la millifluidica, l'accuratezza dimensionale è una componente cruciale per il successo. L'orientamento delle parti sulla piattaforma di stampa è determinante per il loro raffreddamento e la loro deformazione.

I test dimostrano che la stampa di chip millifluidici in verticale comporta una deformazione minima. Gli utenti potrebbero dover stampare diverse versioni del loro chip per trovare quella che crea i canali migliori per la loro geometria. Supporti leggerissimi significano danni e residui minimi alla superficie del chip quando si esegue una stampa inclinata.  

Dopo la stampa dei chip, il raggiungimento della chiarezza ottica è fondamentale per l'osservazione degli esperimenti e per le varie applicazioni dei chip.

Per ottenere un'eccellente finitura superficiale, è meglio ricorrere a una combinazione di levigazione e rivestimento. Avvia la levigazione della parte con carta abrasiva di grana 220 e passa gradualmente a quella di grana 1000. Posizionare la carta abrasiva su una superficie piana e levigare la parte contro di essa è un ottimo modo per assicurarsi che la parte rimanga piatta.

Dopo la levigazione, ti consigliamo di applicare tre rivestimenti: Rustoleum 2X Glossy Clear, SprayMax Automotive Clear e uno strato di resina non polimerizzata. La verniciatura con rivestimenti trasparenti potrebbe essere necessaria per le stampanti SLA delle generazioni precedenti, come la Form 2.

Tutti e tre i rivestimenti hanno migliorato la chiarezza ottica della parte in modo diverso; per esempio, il rivestimento in resina ha reso la superficie più liscia e quindi più chiara. Tuttavia, è possibile che si verifichi una distorsione ai bordi del chip a causa del menisco.

La polimerizzazione di un rivestimento in resina richiede anche dei passaggi aggiuntivi: la parte va sottoposta a un secondo ciclo di polimerizzazione. Un'eccessiva polimerizzazione post-stampa può aumentare la fragilità e pregiudicare la resistenza di connettori e porte. Data la chiarezza ottica delle stampe con Clear Resin su Form 4 e Form 3, spesso non è necessario rivestire il chip prima dell'uso.

Per una piccola start-up o un laboratorio di ricerca, il costo elevato dei chip millifluidici personalizzati è significativo. La stampa 3D permette ai ricercatori di creare geometrie personalizzate su richiesta, eliminando i rallentamenti causati dalla produzione di chip esternalizzata. La Form 4 è perfettamente in grado di gestire una vasta gamma di geometrie di chip millifluidici, stampando a un costo molto minore.

Con la Form 4, la stampa 3D desktop non è mai stata così facile. Richiedi un campione gratuito per valutare i risultati con i tuoi occhi o contatta il reparto vendite per saperne di più.