Name: a soft tooling process chain for injection molding of a 3d component with micro pillars
Uploaded: 2018-08-04T12:30:00.000+00:00
Duration: 5 min 32 s
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Dieses Papier berichtet arbeiten im Zusammenhang mit dem Projekt "Erweiterte Oberflächenbehandlung für implantierbare Medizinprodukte" Innovationsfonds Dänemark finanziert. Der Autor dankbar anerkennen, die Unterstützung von europäischen Innovative Ausbildung Netzwerk MICROMAN "Fingerabdruck für Null-Fehler-Net-Shape Mikrofertigungstechnik Prozess" gefördert durch das Horizon 2020-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation der Europäischen Union.

1. Legen Sie die Fabrikation durch Additive Manufacturing (AM)
<ol><li>Entwerfen die erforderlichen Hohlräume von CAD-Software (siehe Zusatzmaterialien für Dateien, die in dieser Arbeit verwendet). Hinweis: Fertigen Sie die Einsätze direkt auf die Bauphase ohne Unterstützung zu vermeiden, verziehen die Einsätze während der Härtung. Die Toleranz beträgt 0,05 mm.</li>
	<li>Wählen Sie ein Harz für Foto-Polymerisation, insbesondere eine, die Druck und Hitze beim Spritzguss standhalten können. Hinweis: Das Harz wählten wir (siehe Tabelle der Materialien) hat eine Zugfestigkeit von 56 MPa, Dehnung bei Bruch von 3,5 %, eine Biegefestigkeit von 115 MPa, einen Biege e-Modul von 3350 MPa und eine Hitze Durchbiegung Temperatur von 140 ° C18.</li>
	<li>Mischen die geklammerten Photopolymer-Mischung (proprietäre Methylmethacrylat und Acrylamid mischen, mit einem TiO2 basierend Foto Initiator) für mindestens 30 Minuten durch Ausführen den materiellen Kanister auf einer Walze nass-Labor Flasche, Flasche Shaker oder ähnliche Mischvorrichtung.</li>
	<li>Bereiten Sie die fotomaschinen Polymerisation (Voxel-Größe von 16 µm):<ol>
<li>Überprüfen Sie für Bottom-Up-AM Computer, dass die Mehrwertsteuer Beschichtung unbeschädigt und gründlich gereinigt.</li>
		<li>Inspizieren Sie für Top-Down-Maschinen das Wischsystem für Mängel.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Build-Phase zu und passen Sie die Build-Platte mit Manometer 100 µm Folie korrekt die Build-Platte, um die Mehrwertsteuer ausgleichen.</li>
		<li>Pre-entzünden Sie die Lichtquelle der Werkzeugmaschine, wenn möglich, stationäre Temperatur bevor voran zu erreichen. Diese Temperatur sollte 65 ° C in der light-Engine und 30 ° C im Inneren der Mehrwertsteuer.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Importieren Sie die Geometrie in der Job-Vorbereitung-Software. Befolgen Sie die Anweisungen aus der Maschine Hersteller19.<ol>
<li>Weisen Sie geeignete Maschinen-Parameter entsprechend der gewählten Photopolymer (leichte Intensität und Schichtdicke für die eingesetzten Maschine).</li>
		<li>Führen Sie den Build mit der höchsten Auflösung Vertikalmaschine (25 µm in dieser Forschung).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Reinigen Sie die gedruckten Einsätze.<ol>
<li>Spülen sie in Isopropanol ausgesetzt Ultraschallbad für 3 min. Spülen gründlich dreimal und sicherstellen, dass keine Photopolymer-Rückstände auf der Oberfläche der bedruckten Einsätze übrig ist.</li>
		<li>Lassen Sie das Lösungsmittel vollständig verdunsten bei Raumtemperatur und die Einsätze in einem Exsikkator über Nacht bei Raumtemperatur trocknen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Post zu heilen die getrockneten Einsätze mit UV Licht blinkt zweimal, jeweils bis zum Jahr 2000 mit einer Frequenz von 10 Blitze pro Sekunde blinkt (siehe Tabelle der Materialien).</li>
</ol>(2) Spritzguss (IM)
<ol><li>Die Mikro-Injektion-Modul auf einer konventionellen Spritzgießmaschine zu installieren (siehe Tabelle der Materialien). Hinweis: In unserem Fall das Einspritzmodul hatte eine Schraube montiert in einem Winkel von 45°, der Schraubendurchmesser war 8 mm und die Spannkraft 100 kN.</li>
	<li>Montieren Sie die Einsätze auf Formplatten.</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig1.jpg"> Abbildung 1: Spritzgießmaschine mit Gußformen. (a) die spritzseite wird mit den Platten montiert. Der Einsatz wird durch einen roten Kreis markiert. (b) die beweglichen Seite setzt sich mit den Platten mit Auswurf Pin. Der Einsatz wird durch einen roten Kreis markiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="3"><li>Um Variationen während des Druckvorgangs berücksichtigen, manuell machen Sie leichte Änderungen an den Einsätzen notwendig, um die Form zu passen.</li>
	<li>Die Maschine der Formplatten anschrauben.</li>
	<li>PE-Granulat auf den Trichter zu laden.</li>
	<li>Einstellen der Maschinenparameter TForm bei 60 ° C, TLauf bei 175 ° C und VInjektion bei 65 mm/s. ermöglichen ausreichende Kühlzeit für den Teil zu auszuschmelzen werden.</li>
	<li>Erhitzen Sie die Schraube bei 31 ° C, 155 ° C, 165 ° C, 170 ° C, und 175 ° C vom 1. bis 5. Sitzung. Wenn die Schmelzetemperatur ist 175 ° C, genaue Spritzgießen zu starten. Sobald die Kavität gefüllt ist, pflegen Sie die Verpackung Druck von 300 Bar für 5 Sekunden zum Ausgleich von PE-Schrumpfung.</li>
	<li>Öffnen der Formwerkzeugs und die Auswurf Pin, schieben Sie den PE-Teil aus der beweglichen Seite einfügen lassen. Wenn der PE-Teil auf dem Einsatz eingespannt ist, nehmen Sie den Teil von hand heraus.</li>
	<li>Stoppen Sie die Maschine bei 100 Zyklen von Spritzguss (ein Zyklus wird vom definiert, wenn die Form geschlossen wird, bis der Teil ausgeworfen wird).</li>
</ol>3. die Qualitätsbeurteilung
<ol><li>Messen Sie den Durchmesser und die Tiefe der Löcher auf die Einsätze vor dem Kunststoffspritzguss durch eine Laser-scanning-digital-Mikroskop20 . Messen Sie auf beide Einsätze; Messen Sie bei jeder Einfügung vier Löcher auf zwei Bereiche mit unterschiedlichen Abstand zum Tor "in der Nähe von the Gate" und "Far from the Gate".</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig2.jpg"> Abbildung 2: auf dem CAD-Bild der Einsätze hervorgehobenen Bereiche gemessen. (a) das beweglichen Seite einfügen entsprechen den Hintern des Replikats; (b) die spritzseite entspricht die Oberseiten des Replikats. Die Injektion Tor lokalisiert in der Mitte. Zwei Bereiche mit Unterschied-Entfernung zum Tor, "Far from the Gate" und "in der Nähe von the Gate" werden in der Forschung verglichen. (Diese Abbildung wurde von Zhang Et Al. 201722modifiziert) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="2"><li>Durchmesser messen und die Höhe der Säulen auf die nachverfolgten Zinken aus Spritzguss gewonnen. Hinweis: Gruppieren Sie die erhaltenen PE Teile in Chargen von 10 Stück; d. h. 1-10 ist die 1. Charge, 11-20 ist die 2. Charge; bis das letzte Stück. Verwenden Sie eine Stichprobe in jeder Charge zu und führen Sie die Messungen an der Ober- und Rückseite; Messen Sie auf jeder Seite vier Säulen auf zwei Bereiche mit unterschiedlichen Abstand zum Tor ("nahe dem Tor" und "Far from the Gate").</li>
	<li>Analysieren von Daten mit Hilfe von Bildverarbeitungs-Software21 um die Dimensionen zu erhalten.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Doan, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-Cost+Photolithographic+Fabrication+of+Nanowires+and+Microfilters+for+Advanced+Bioassay+Devices.">Low-Cost Photolithographic Fabrication of Nanowires and Microfilters for Advanced Bioassay Devices.</a> Sensors. 15 (3), 6091-6104 (2015).</li><li>Lucchetta, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+injection+molded+micro-structured+polystyrene+surfaces+on+proliferation+of+MC3T3-E1+cells.">Effect of injection molded micro-structured polystyrene surfaces on proliferation of MC3T3-E1 cells.</a> Express Polymer Letters. 9 (4), 354-361 (2015).</li><li>Hu, H., Tian, H., Shao, J., Ding, Y., Jiang, C., Liu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+bifocal+microlens+arrays+based+on+controlled+electrohydrodynamic+reflowing+of+pre-patterned+polymer.">Fabrication of bifocal microlens arrays based on controlled electrohydrodynamic reflowing of pre-patterned polymer.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (9), 095027 (2014).</li><li>Kolind, K., Dolatshahi-Pirouz, A., Lovmand, J., Pedersen, F. S., Foss, M., Besenbacher, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+combinatorial+screening+of+human+fibroblast+responses+on+micro-structured+surfaces.">A combinatorial screening of human fibroblast responses on micro-structured surfaces.</a> Biomaterials. 31 (35), (2010).</li><li>Wilkinson, C. D., Riehle, M., Wood, M., Gallagher, J., Curtis, A. S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+materials+patterned+on+a+nano-+and+micro-metric+scale+in+cellular+engineering.">The use of materials patterned on a nano- and micro-metric scale in cellular engineering.</a> Materials Science and Engineering C. 19 (1-2), 263-269 (2002).</li><li>Hansen, H. N., Hocken, R. J., Tosello, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Replication+of+micro+and+nano+surface+geometries.">Replication of micro and nano surface geometries.</a> CIRP Annals. 60 (2), 695-714 (2011).</li><li>Metwally, K., Barriere, T., Khan-Malek, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Replication+of+micrometric+and+sub-micrometric+structured+surfaces+using+micro-injection+and+micro-injection+compression+moulding.">Replication of micrometric and sub-micrometric structured surfaces using micro-injection and micro-injection compression moulding.</a> International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 83 (5-8), 779-789 (2016).</li><li>Nian, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+embossing+system+for+replicating+micro-structures+on+curved+surfaces.">Novel embossing system for replicating micro-structures on curved surfaces.</a> International Polymer Processing. 29 (3), 364-370 (2014).</li><li>Bissacco, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+functional+nano-patterning+to+polymer+medical+micro+implants.">Application of functional nano-patterning to polymer medical micro implants.</a> Proceedings of the 4m/icomm2015 Conference. , (2015).</li><li>Diaz Lantada, A., Piotter, V., Plewa, K., Barie, N., Guttmann, M., Wissmann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+mass+production+of+microtextured+microdevices:+Linking+rapid+prototyping+with+microinjection+molding.">Toward mass production of microtextured microdevices: Linking rapid prototyping with microinjection molding.</a> International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 76 (5-8), 1011-1020 (2015).</li><li>Volpato, N., Solis, D. M., Costa, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+analysis+of+Digital+ABS+as+a+rapid+tooling+material+for+polymer+injection+moulding.">An analysis of Digital ABS as a rapid tooling material for polymer injection moulding.</a> International Journal of Materials and Product Technology. 52 (1-2), 3-16 (2016).</li><li>Mischkot, M., Hansen, H. N., Pedersen, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additive+manufacturing+for+the+production+of+inserts+for+micro+injection+moulding.">Additive manufacturing for the production of inserts for micro injection moulding.</a> Proceedings of Euspen's 15th International Conference &amp; Exhibition. , (2015).</li><li>Zhang, Y., Hansen, H. N., S&#248;rensen, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injection+molding+of+micro+pillars+on+vertical+side+walls+using+polyether-ether-ketone+(PEEK).">Injection molding of micro pillars on vertical side walls using polyether-ether-ketone (PEEK).</a> Proceeding of 11th International Conference on Micro Manufacturing. , (2016).</li><li>Zhang, Y., Mischkot, M., Hansen, H. N., Hansen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Replication+of+microstructures+on+three-dimensional+geometries+by+injection+moulding+of+liquid+silicone+rubber.">Replication of microstructures on three-dimensional geometries by injection moulding of liquid silicone rubber.</a> Proceedings of the 15th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, ASPE, March 2015. , (2015).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Envisiontec Perfactory MML with ERM. Technical Specifications Document no. MK-MCS-P3MiniMulti-V01-FN-EN. , (2018).</li><li>Hofst&#228;tter, T., Mischkot, M., Pedersen, D. B., Tosello, G., Hansen, H. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolution+of+surface+texture+and+cracks+during+injection+molding+of+fiber-reinforced,+additively-manufactured,+injection+molding+inserts.">Evolution of surface texture and cracks during injection molding of fiber-reinforced, additively-manufactured, injection molding inserts.</a> Proceedings of ASPE Summer Topical Meeting 2016: Dimensional Accuracy and Surface Finish in Additive Manufacturing. , (2016).</li><li>. Perfactory&#174; Material Available from: <a target="_blank" href="https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf">https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf</a> (2017)</li><li>. Software Manual, 2010 Available from: <a target="_blank" href="https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf">https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf</a> (2010)</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Olympus LEXT OLS4100 laser scanning digital microscope Manual. , (2018).</li><li>. SPIP&#8482; - Analytical Software for Microscopy Available from: <a target="_blank" href="https://www.imagemet.com/products/spip/">https://www.imagemet.com/products/spip/</a> (2017)</li><li>Zhang, Y., Pedersen, D. B., G&#248;tje, A. S., Mischkot, M., Tosello, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+soft+tooling+process+chain+employing+additive+manufacturing+for+injection+molding+of+a+3d+component+with+micro+pillars.">A soft tooling process chain employing additive manufacturing for injection molding of a 3d component with micro pillars.</a> Journal of Manufacturing Processes. 27, 138-144 (2017).</li></ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Diese Methode ist geeignet für die Herstellung von Einlagen für Polymer-Teile mit komplexen Formen. Es ersetzt die Stahlform Werkzeugraum in der Spritzgießmaschine mit einer Reihe von weichen einsatzwerkzeuge aus Polymeren gefertigt. die Bearbeitungszeit und die Kosten reduziert im Vergleich zu konventionellen Metallbearbeitung; Daher ist der Zyklus der Produktion verkürzt. Diese Prozesskette eignet sich für Produkte in der mittleren Skala (von 1000-10.000 Zyklen durch Injektion Molding o.ä.) Produktion, aber große Unterschiede im Design. Darüber hinaus sind keine speziellen Formplatten für 3D gedruckte Beilagen erforderlich. Standard kommerzielle Injection Molding Platten wurden gekauft und bearbeitet, um die Einsätze passen.
Bei der aktuellen Technologie versagt Zustand weich Werkzeugbau durch eine ausgeprägte Mechanismus17. Den Versagensmechanismus ist gekennzeichnet worden, um die Hitze Durchbiegung Temperatur des weichen Werkzeuge Einsatzes verknüpft werden und die Zersetzung durch Ausgasung zu identifiziert worden. Daher ist die wichtigste Schritt, wählen das richtige Harz für die Einsätze von Additiven Fertigung produziert. Die thermische und mechanische Eigenschaft bestimmt das Leben der Einsätze, d. h. wie viele Zyklen es beim Spritzguss standhalten kann. Es bestimmt auch den Bereich der geformte Polymer; die Formtemperatur geformte Polymer sollte nicht höher als die Temperatur der Durchbiegung des Werkstoffes einfügen.
Der zweite wichtige Schritt in das Protokoll ist das Design des Einsatzes. Allgemeine Regeln der Formengestaltung befolgt werden und mechanisch schwachen Teile vermieden werden, auf eine 3D gedruckte Polymer-Insert; Andernfalls wird die Standzeit aufgrund von Ausfällen wie Risse beeinflusst werden.
Die Oberflächenqualität der erhaltenen Spritzguss-Teile wird durch die angewandte additive Fertigungsprozess begrenzt. Post-processing-wie z. B. chemische Ätzung ist eine mögliche Lösung für die Oberflächenqualität verbessern. Präzision von der Oberflächenmerkmalen ist ein anderes Thema aufgrund der additiven Fertigung.
Diese Methode erstellt die Möglichkeit zum Erstellen von Mikro Features auf echte Freiform-Oberfläche auf eine neue Produktions-Plattform-Meeting industrielle Anforderungen. Daher hat diese Methode das Potenzial, angewendet und für Anwendungen im Zusammenhang mit der nächsten Generation medizinische Geräte, die Mikro Funktionen auf komplexen Formen, zum Beispiel im Zusammenhang mit medizinischen Geräten oder implantieren Geräte14 müssen untersucht werden . Diese Methode erleichtert Wertschöpfung durch deutlich reduzierte Kosten für kleine bis mittlere Volumen Serienproduktionen, und die Zeitskala für die Produktion in die Lücke zwischen 1-10 Einzelgeräte und echte Massenproduktion positiv zu beeinflussen. Es öffnet sich neuen qualitativ hochwertigen Produkten und Design-Lösungen.

Die vorgestellte Methode zielt auf die Herstellung von komplexen Oberflächen mit Mikro-Funktionen durch ein Soft-Tooling-Verfahren, d. h. Polymer additive Fertigung verwenden, um Einsätze für den Kunststoff-Spritzguss produzieren. Das heißt, sind Polymer Teile mit funktionalen Oberflächen Spritzguss von Polymer-Einsätze.
Oberfläche-Funktionalitäten können durch Mikro-Funktionen realisiert werden; zum Beispiel Doan Et al. 1 und Luchetta Et al. 2 zeigen funktionelle Oberflächen im Bereich der Zellbiologie und Hu Et al. 3 zeigt ein Beispiel für optische Elemente, etc. Eine Art von Flächenelementen, Mikro Säulen wurde intensiv untersucht, für die Förderung der Zellproliferation. Sie sind in der Lage, die Bindung zwischen der proliferierte Gewebe und der Oberfläche zu verbessern, wenn die Mikro Säulen in bestimmter Weise4,5gemustert sind.
Polymer Replikationen von Mikro-Funktionen wurden intensiv untersucht und präzise Formen kann durch viele Prozesse6erreicht werden. Zum Beispiel hat Metwally Et Al. High-Fidelity zwischen den Formteilen und Formenbau für die Replikation von Mikro und Sub-micro-Funktionen auf flachen Oberflächen7berichtet.
Es gibt viele Protokolle für Herstellung Mikro Säulen oder Features; jedoch können die meisten von ihnen nur auf flachen Oberflächen oder Flächen mit konstanter Krümmung angewendet werden. Zum Beispiel Nian Et al. 8 zeigte, dass Mikro-Funktionen durch Heißprägen auf einer gekrümmten Oberfläche erreicht werden können. Diese Protokolle sind nicht geeignet für komplexe Formen mit dreidimensionalen Oberflächen, die von den meisten realen Geräten benötigt werden. Offenbar, die Herstellung von drei dimensionale Hohlraum mit Mikro-Funktionen auf der Oberfläche stellt aktuelle Protokolle; Unterdessen kann Auswurf der Teile für hohes Aspektverhältnis Säulen auf eine komplexe Oberfläche fehlschlagen, wenn sie nicht senkrecht sind auf die demolding Richtung. Bissacco Et al. 9 verwendet 3D Formeinsätze und Sub-micro Funktionen durch Spritzguss erhalten; in ihrer Studie wurden Sub-micro Besonderheiten mit einem niedrigen Seitenverhältnis durch eine Aluminium Eloxieren Prozess erzeugt und durch Polymer auf ein komplexes Bauteil erfolgreich repliziert.
Forscher haben versucht, die Additiven Fertigung in den Prozessketten für Polymer-Replikation einbezogen werden, damit um die gestaltete Oberflächenstruktur zu erreichen. Lantada Et Al. beschrieben eine Prozesskette, die AM Prototypen beginnt, und dann beschäftigt Beschichtungstechniken für den Erhalt der metallischen Formeinsätze für Spritzguss-10. Polymer gefertigte Uhr Teile sind nachweislich unmittelbar anwendbar sein, da Schimmel11,12, fügt die soft Tooling Verfahren präsentiert in diesem Protokoll ist.
In unserer bisherigen Arbeit haben wir bewiesen, dass Ø4 µm PEEK Säulen (2 µm hoch) wurden erfolgreich demolded an einer senkrechten Wand durch Spritzguss-13. In diesem Protokoll der untersuchte Produkt ist ein Ring mit vier Zinken, jeweils mit einem Winkel von 60° charakterisiert. Dieses Produkt wurde von Zhang Et Al. untersucht 14, wo micro Funktionen wurden eingeführt, durch die Implementierung von vorgefertigten Nickel-Platten und Mikro Säulen (Ø4 µm) mit Aspect Ratio von 0,5 wurden von Silikon-Kautschuk-Spritzguss auf die Zinken erhalten.
In der vorgestellten Methode erhalten Sie Mikro Funktionen auf komplexen Oberflächen durch eine weiche Werkzeuge Prozesskette erstellt. Stahlform Hohlräume werden durch eine Reihe von Einsätzen von MwSt Foto-Polymerisation-basierte AM gemacht ersetzt. Im Vergleich zu Metall Uhr, AM Photopolymer basierend Technologie in der Lage, höhere Präzision15zu erreichen. Darüber hinaus die Bearbeitungszeit und die Kosten sinkt signifikant im Vergleich zu konventionellen Werkzeugen Prozesse basierend auf CNC-Bearbeitung. Laut einer aktuellen Fallstudie16mit Soft-Werkzeuge für das Thermoformen, die Kosten um 91 % reduziert während die verbrauchte Zeit um 93 % reduziert wird. Dieses Protokoll eignet sich für Produkte erfordern eine hohe Gestaltungsfreiheit und Fortgeschrittene Produktionsvolumen. Es ist erwiesen, dass Einsätze aus carbonfaserverstärkten Photopolymeren gefertigt bis zu 2500 Spritzguss-Zyklen für Polyethylen vor spürbar Schimmel Verschlechterung17standhalten können. Die Wahl der Spritzguss-Material wird durch die thermischen Eigenschaften der gewählten Photopolymer für Einsätze begrenzt. Polymere mit hohen Schmelztemperaturen können nicht in einem Photopolymer-Hohlraum angewendet werden. In dieser Studie wurde Polyethylen (PE) gewählt, um die Spritzguss-Test durchführen.

<table><tbody><tr><td>Photopolymer resin</td><td>EnvisionTec</td><td>HTM140 V2</td><td></td></tr><tr><td>Resin mixing device</td><td>IKA</td><td>Vortex Genius 3</td><td></td></tr><tr><td>3d printer</td><td>Envisiontec</td><td>Perfactory 3&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>UV light flash unit</td><td>EnvisionTec</td><td>Otoflash unit</td><td></td></tr><tr><td>Polyethylene</td><td>lyondellbasell</td><td>PE Purell 1840</td><td></td></tr><tr><td>Injection moulding machine</td><td>Arburg</td><td>Allrounder 370A&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Image processing</td><td>SPIP</td><td>6.2.8</td><td></td></tr></tbody></table>

a soft tooling process chain for injection molding of a 3d component with micro pillars

Der Zweck dieses Papiers ist die Methode einer weichen Werkzeuge Prozesskette beschäftigt Additive Manufacturing (AM) für die Herstellung von Injektion Molding Einsätze mit Mikro Oberflächeneigenschaften zu präsentieren. Die Soft Tooling-Einsätze werden von Digital Light Processing (MwSt Foto Polymerisation) mit einem Photopolymer, die relativ hohen Temperaturea standhalten hergestellt. Die hier gefertigten Teil hat vier Zinken mit einem Winkel von 60°. Mikro-Säulen (Ø200 µm, Seitenverhältnis von 1) sind auf den Oberflächen von zwei Reihen angeordnet. Polyethylen (PE)-Spritzguss mit den weichen Werkzeuge Einsätzen wird verwendet, um die letzten Teile zu fertigen. Diese Methode zeigt, dass es möglich ist, Spritzteile mit Mikrostrukturen auf komplexe Geometrie durch additive hergestellten Einsätze zu erhalten. Die Bearbeitungszeit und die Kosten im Vergleich zum konventionellen Werkzeugbau Prozesse basierend auf Computer Numerical Control (CNC) Bearbeitung deutlich reduziert. Die Abmessungen der micro Funktionen werden durch die angewandte additive Fertigungsprozess beeinflusst. Die Lebensdauer der Einsätze feststellt, dass dieser Prozess für Pilotproduktion besser geeignet ist. Die Präzision der Einsätze wird durch die additive Fertigungsprozess sowie begrenzt.

Abbildung 3 zeigt die Einsätze von AM hergestellt und die PE-Teile von Spritzguss hergestellt. Zwei Reihen von kreisförmigen Löcher wurden senkrecht auf die Oberfläche, auf die Zinken (Abbildung 3 (b)). Das Nennmaß der Löcher auf der Einsätze ist Ø200 µm und 200 µm in der Tiefe, mit einem Abstand von Mitte zu Mitte 400 µm. Die Schichtstrukturen aufgrund der AM Prozess sind deutlich sichtbar. Linie links unten gibt es eine sichtbare faltende Markierung, die unbeabsichtigt während der Vorbereitung für SEM stattfand
Der demolding Prozess ist in Abbildung 4dargestellt. Säulen sind nicht parallel zur Richtung demolding. Keine Säule brechen wurde in allen untersuchten Proben (Abbildung 5) beobachtet. In diesem Sinne war die Entformung erfolgreich. Es ist schon sichtbar, dass die Säulen, auf die Position des weit vom Tor vor allem niedriger als auf der Oberseite durch den Druckabfall. Der Durchmesser der Unterschied zu Positionen sind nicht so prominent wie für die Höhe.
Abbildung 6 und Abbildung 7 veranschaulichen, wie die Replikation entlang der 100 Zyklen von Spritzguss propagiert. Der Grad der Replikation wird definiert durch das Verhältnis zwischen der Säule und die Dimension der Einsätze. Entlang der 100 Zyklen wurde in jeder Position über vertikale und laterale Replikation stabiler Prozess erreicht. Die Dimension der Löcher auf die Einsätze waren unverändert nach dem Spritzgießen, die diese Schlussfolgerung bestätigt. Die Höhe der Säulen positioniert weit von das Tor waren niedriger als die nahe dem Tor platziert, weil polymerfluss seine Viskosität erhöht, steigt die Fließlänge.
Formteil Spritzparameter wurden innerhalb des Bereichs erlaubt durch die Werkstoffdatenblatt variiert. Im Prozessfenster erforschten, die meisten Abfahrten erreicht mehr als 80 Zyklen wurde bestätigt, dass die Standzeit der HV fügt im erforschten Prozessfenster nicht beeinflusst. Allerdings knacken traten zu den Einsätzen für spritzseite in einigen Tests wenn der Einspritzdruck hoch war. Dies liegt an den Mittelteil des Einsatzes wird viel dünner.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig3.jpg"> Abbildung 3: Einsätze und Repliken. (a) Einsätze von additive Fertigungsprozess hergestellt bilden die Kavität; ein Polyethylen (PE) Replikat von Spritzguss hergestellt wird angezeigt. Markierungen auf dem Lineal Referenz sind Millimeter; Zahlen markieren Zentimeter. (b) Rasterelektronenmikroskop (REM) Bild zeigt die Oberfläche des Einsatzes; (c) SEM Bild zeigt die Oberfläche der PE Teile Spritzgussverfahren hergestellt. ((a) und (b) von Zhang Et Al. 201722geändert wurden) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig4.jpg"> Abbildung 4: erfolgreiche Entformung. Die Entformung war erfolgreich, obwohl Säulen nicht parallel zur Richtung demolding sind. (a) Formen schließen und (b) Formen öffnen für Entformung. (Diese Abbildung wurde von Zhang Et Al. 201722modifiziert) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig5.jpg"> Abbildung 5: REM-Aufnahme der Seitenansicht eine zufällige Zinke. Die untersuchten vier Positionen sind auf dem Bild gekennzeichnet. (Diese Abbildung wurde von Zhang Et Al. 201722modifiziert) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig6.jpg"> Abbildung 6: Säule Höhe Replikation Grad. Replikation ist der Säule Höhe durch die Höhe der Säule/Tiefe des Loches definiert. Der Mittelwert der Replikation Grad an den vier Positionen wurde in jeder Charge angezeigt. Eine zufällig ausgewählte Stichprobe wurde in jeder Charge gemessen. Die vier Positionen sind für die Position weit von das Tor auf der Rückseite "Rücken-in der Nähe von" für die Position neben dem Tor auf der Rückseite, "Top-weit" für die Position weit von das Tor an der Oberseite "Rücken-weit" und "Top-in der Nähe von" für die Position in der Nähe von das Tor auf der Oberseite. (Diese Abbildung wurde von Zhang Et Al. 2017 22modifiziert) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig7.jpg"> Abbildung 7: Säule Durchmesser Replikation Grad. Replikation ist der Säulen-Durchmesser vom Durchmesser der Säule/Durchmesser der Bohrung definiert. Der Mittelwert der Replikation Grad an den vier Positionen wurde in jeder Charge angezeigt. Eine zufällig ausgewählte Stichprobe wurde in jeder Charge gemessen. Die vier Positionen sind für die Position weit von das Tor auf der Rückseite "Rücken-in der Nähe von" für die Position neben dem Tor auf der Rückseite, "Top-weit" für die Position weit von das Tor an der Oberseite "Rücken-weit" und "Top-in der Nähe von" für die Lage in der Nähe von das Tor auf der Oberseite. (Diese Abbildung wurde von Zhang Et Al. 2017 22geändert). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

Eine weiche Werkzeuge Prozesskette für das Spritzgießen von ein 3D-Bauteil mit Micro Säulen

Ein Protokoll für die Herstellung von Spritzguss-Einsätze für komplexe Geometrie mit Mikro-Features auf Oberflächen mit Additive Manufacturing (AM) wird vorgestellt.

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

12.5K Aufrufe.  Technical University of Denmark. Ein Protokoll für die Herstellung von Spritzguss-Einsätze für komplexe Geometrie mit Mikro-Features auf Oberflächen mit Additive Manufacturing (AM) wird vorgestellt.

Serie: A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

Micropunching Lithography for Generating Micro- and Submicron-patterns on Polymer Substrates

Conducting polymers have attracted great attention since the discovery of high conductivity in doped polyacetylene in 19771. They offer the advantages of low weight, easy tailoring of properties and a wide spectrum of applications2,3. Due to sensitivity of conducting polymers to environmental conditions (e.g., air, oxygen, moisture, high temperature and chemical solutions), lithographic techniques present significant technical challenges when working with these materials4. For example, current photolithographic methods, such as ultra-violet (UV), are unsuitable for patterning the conducting polymers due to the involvement of wet and/or dry etching processes in these methods. In addition, current micro/nanosystems mainly have a planar form5,6. One layer of structures is built on the top surfaces of another layer of fabricated features. Multiple layers of these structures are stacked together to form numerous devices on a common substrate. The sidewall surfaces of the microstructures have not been used in constructing devices. On the other hand, sidewall patterns could be used, for example, to build 3-D circuits, modify fluidic channels and direct horizontal growth of nanowires and nanotubes.
A macropunching method has been applied in the manufacturing industry to create macropatterns in a sheet metal for over a hundred years. Motivated by this approach, we have developed a micropunching lithography method (MPL) to overcome the obstacles of patterning conducting polymers and generating sidewall patterns. Like the macropunching method, the MPL also includes two operations (Fig. 1): (i) cutting; and (ii) drawing. The "cutting" operation was applied to pattern three conducting polymers4, polypyrrole (PPy), Poly(3,4-ethylenedioxythiophen)-poly(4-styrenesulphonate) (PEDOT) and polyaniline (PANI). It was also employed to create Al microstructures7. The fabricated microstructures of conducting polymers have been used as humidity8, chemical8, and glucose sensors9. Combined microstructures of Al and conducting polymers have been employed to fabricate capacitors and various heterojunctions9,10,11. The "cutting" operation was also applied to generate submicron-patterns, such as 100- and 500-nm-wide PPy lines as well as 100-nm-wide Au wires. The "drawing" operation was employed for two applications: (i) produce Au sidewall patterns on high density polyethylene (HDPE) channels which could be used for building 3D microsystems12,13,14, and (ii) fabricate polydimethylsiloxane (PDMS) micropillars on HDPE substrates to increase the contact angle of the channel15.

A micropunching lithography approach is developed to generate micro- and submicron-patterns on top, sidewall and bottom surfaces of polymer substrates. It overcomes the obstacles of patterning conducting polymers and generating sidewall patterns. This method allows rapid fabrication of multiple features and is free of aggressive chemistry.

Micropunching Lithographie zur Erzeugung von Mikro-und Submikron-Muster auf Polymersubstrate

Conducting polymers have attracted great attention since the discovery of high conductivity in doped polyacetylene in 19771. They offer the advantages of ...

Forschung

Ingenieurwesen

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material fabrication techniques are able to mimic the complexity of these structures while maintaining scalability. The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is able to do so. This process uses sacrificial fibers as a template to form hollow, cylindrical microchannels embedded within a matrix. Tin (II) oxalate (SnOx) is embedded within poly(lactic) acid (PLA) fibers which facilitates the use of this process. The SnOx catalyzes the depolymerization of the PLA fibers at lower temperatures. The lactic acid monomers are gaseous at these temperatures and can be removed from the embedded matrix at temperatures that do not damage the matrix. Here we show a method for aligning these fibers using micromachined plates and a tensioning device to create complex patterns of three-dimensionally arrayed microchannels. The process allows the exploration of virtually any arrangement of fiber topologies and structures.

The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is used to fabricate microvascular structures. This procedure uses sacrificial poly(lactic) acid fibers to form hollow microchannels with precise 3D geometric positioning provided by laser micromachined guide plates.

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Mikrostrukturen mit Verdampfung eines Opferbauteil

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

Herstellung von dreidimensional Mikrostrukturierte Nanokomposite durch Mikrofluidik-Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Chemie

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to a different substrate by utilizing elastomeric stamps. Transfer printing enables the integration of heterogeneous materials to fabricate unexampled structures or functional systems that are found in recent advanced devices such as flexible and stretchable solar cells and LED arrays. While transfer printing exhibits unique features in material assembly capability, the use of adhesive layers or the surface modification such as deposition of self-assembled monolayer (SAM) on substrates for enhancing printing processes hinders its wide adaptation in microassembly of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. To overcome this shortcoming, we developed an advanced mode of transfer printing which deterministically assembles individual microscale objects solely through controlling surface contact area without any surface alteration. The absence of an adhesive layer or other modification and the subsequent material bonding processes ensure not only mechanical bonding, but also thermal and electrical connection between assembled materials, which further opens various applications in adaptation in building unusual MEMS devices.

This paper introduces a 3D additive micromanufacturing strategy (termed &#8216;micro-masonry&#8217;) for the flexible fabrication of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. This approach involves transfer printing-based assembly of micro/nanoscale materials in conjunction with rapid thermal annealing-enabled material bonding techniques.

Micro-Mauerwerk für 3D-Additive Mikroproduktion

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Microfabrication der Chip-Größe Gerüste für die dreidimensionale Kultivierung der Zellen

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Biologie

Rapid and Low-cost Prototyping of Medical Devices Using 3D Printed Molds for Liquid Injection Molding

Biologically inert elastomers such as silicone are favorable materials for medical device fabrication, but forming and curing these elastomers using traditional liquid injection molding processes can be an expensive process due to tooling and equipment costs. As a result, it has traditionally been impractical to use liquid injection molding for low-cost, rapid prototyping applications. We have devised a method for rapid and low-cost production of liquid elastomer injection molded devices that utilizes fused deposition modeling 3D printers for mold design and a modified desiccator as an injection system. Low costs and rapid turnaround time in this technique lower the barrier to iteratively designing and prototyping complex elastomer devices. Furthermore, CAD models developed in this process can be later adapted for metal mold tooling design, enabling an easy transition to a traditional injection molding process. We have used this technique to manufacture intravaginal probes involving complex geometries, as well as overmolding over metal parts, using tools commonly available within an academic research laboratory. However, this technique can be easily adapted to create liquid injection molded devices for many other applications.

We have devised a method for low-cost and rapid prototyping of liquid elastomer rubber injection molded devices by using fused deposition modeling 3D printers for mold design and a modified desiccator as a liquid injection system.

Schnelle und Low-Cost-Prototyping für Medizinische Geräte mit 3D Printed Formen für Liquid Injection Molding

Biologically inert elastomers such as silicone are favorable materials for medical device fabrication, but forming and curing these elastomers using ...

Biotechnik

Patterning of Microorganisms and Microparticles through Sequential Capillarity-assisted Assembly

Controlled patterning of microorganisms into defined spatial arrangements offers unique possibilities for a broad range of biological applications, including studies of microbial physiology and interactions. At the simplest level, accurate spatial patterning of microorganisms would enable reliable, long-term imaging of large numbers of individual cells and transform the ability to quantitatively study distance-dependent microbe-microbe interactions. More uniquely, coupling accurate spatial patterning and full control over environmental conditions, as offered by microfluidic technology, would provide a powerful and versatile platform for single-cell studies in microbial ecology. 
This paper presents a microfluidic platform to produce versatile and user-defined patterns of microorganisms within a microfluidic channel, allowing complete optical access for long-term, high-throughput monitoring. This new microfluidic technology is based on capillarity-assisted particle assembly and exploits the capillary forces arising from the controlled motion of an evaporating suspension inside a microfluidic channel to deposit individual microsized objects in an array of traps microfabricated onto a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. Sequential depositions generate the desired spatial layout of single or multiple types of micro-sized objects, dictated solely by the geometry of the traps and the filling sequence. 
The platform has been calibrated using colloidal particles of different dimensions and materials: it has proven to be a powerful tool to generate diverse colloidal patterns and perform surface functionalization of trapped particles. Furthermore, the platform was tested on microbial cells, using Escherichia coli cells as a model bacterium. Thousands of individual cells were patterned on the surface, and their growth was monitored over time. In this platform, the coupling of single-cell deposition and microfluidic technology allows both geometric patterning of microorganisms and precise control of environmental conditions. It thus opens a window into the physiology of single microbes and the ecology of microbe-microbe interactions, as shown by preliminary experiments.

We present a technology that uses capillarity-assisted assembly in a microfluidic platform to pattern micro-sized objects suspended in a liquid, such as bacteria and colloids, into prescribed arrays on a polydimethylsiloxane substrate.

Strukturierung von Mikroorganismen und Mikropartikeln durch sequentielle kapillaritätsunterstützte Montage

Controlled patterning of microorganisms into defined spatial arrangements offers unique possibilities for a broad range of biological applications, ...

Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid samples, such as chemical reagents and cell cultures, is predominantly accomplished through steady flows that are typically driven by syringe pumps, gravity, or capillary forces. The use of complementary oscillatory flows is seldom considered in applications despite its numerous advantages as recently demonstrated in the literature. The significant technical barrier to the implementation of oscillatory flows in microchannels is likely responsible for the lack of its widespread adoption. Advanced commercial syringe pumps that can produce oscillatory flow, are often more expensive and only work for frequencies less than 1 Hz. Here, the assembly and operation of a low-cost, plug-and-play type speaker-based apparatus that generates oscillatory flow in microchannels is demonstrated. High-fidelity harmonic oscillatory flows with frequencies ranging from 10-1000 Hz can be achieved along with independent amplitude control. Amplitudes ranging from 10-600 &#181;m can be achieved throughout the entire range of operation, including amplitudes &#62; 1 mm at the resonant frequency, in a typical microchannel. Although the oscillation frequency is determined by the speaker, we illustrate that the oscillation amplitude is sensitive to fluid properties and channel geometry. Specifically, the oscillation amplitude decreases with increasing channel circuit length and liquid viscosity, and in contrast, the amplitude increases with increasing speaker tube thickness and length. Additionally, the apparatus requires no prior features to be designed on the microchannel and is easily detachable. It can be used simultaneously with a steady flow created by a syringe pump to generate pulsatile flows.

The protocol demonstrates a convenient method to produce harmonic oscillatory flow from 10-1000 Hz in microchannels. This is performed by interfacing a computer-controlled speaker diaphragm to the microchannel in a modular manner.

Aufbau und Charakterisierung eines externen Treibers zur Erzeugung von Sub-Kilohertz-Schwingungsströmungen in Mikrokanälen

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid ...

Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic experimentation is a stable fluid handling system capable of accurately providing an inlet flow rate or inlet pressure. Here, we have developed a syringe pump system capable of controlling and regulating the inlet fluid pressure delivered to a microfluidic device. This system was designed using low-cost materials and additive manufacturing principles, leveraging three-dimensional (3D) printing of thermoplastic materials and off-the-shelf components whenever possible. This system is composed of three main components: a syringe pump, a pressure transducer, and a programmable microcontroller. Within this paper, we detail a set of protocols for fabricating, assembling, and programming this syringe pump system. Furthermore, we have included representative results that demonstrate high-fidelity, feedback control of inlet pressure using this system. We expect this protocol will allow researchers to fabricate low-cost syringe pump systems, lowering the entry barrier for the use of microfluidics in biomedical, chemical, and materials research.

Here we present a protocol to construct a pressure-controlled syringe pump to be used in microfluidic applications. This syringe pump is made from an&#160;additively manufactured body, off-the-shelf hardware, and open-source electronics. The resulting system is low-cost, straightforward to build, and delivers well-regulated fluid flow to enable rapid microfluidic research.

Dreidimensionaler Druck von thermoplastischen Materialien erstellen automatisiert Spritzenpumpen mit Feedback-Kontrolle für mikrofluidische Anwendungen

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic ...

Interlinked Macroporous 3D Scaffolds from Microgel Rods

A two-component system of functionalized microgels from microfluidics allows for fast interlinking into 3D macroporous constructs in aqueous solutions without further additives. Continuous photoinitiated on-chip gelation enables variation of the microgel aspect ratio, which determines the building block properties for the obtained constructs. Glycidyl methacrylate (GMA) or 2-aminoethyl methacrylate (AMA) monomers are copolymerized into the microgel network based on polyethylene glycol (PEG) star-polymers to achieve either epoxy or amine functionality. A focusing oil flow is introduced into the microfluidic outlet structure to ensure continuous collection of the functionalized microgel rods. Based on a recent publication, microgel rod-based constructs result in larger pores of several hundred micrometers and, at the same time, lead to overall higher scaffold stability in comparison to a spherical-based model. In this way, it is possible to produce higher-volume constructs with more free volume while reducing the amount of material required. The interlinked macroporous scaffolds can be picked up and transported without damage or disintegration. Amine and epoxy groups not involved in interlinking remain active and can be used independently for post-modification. This protocol describes an optimized method for the fabrication of microgel rods to form macroporous interlinked scaffolds that can be utilized for subsequent cell experiments.

Microgel rods with complementary reactive groups are produced via microfluidics with the ability to interlink in aqueous solution. The anisometric microgels jam and interlink into stable constructs with larger pores compared to spherical-based systems. Microgels modified with GRGDS-PC form macroporous 3D constructs that can be used for cell culture.

Vernetzte makroporöse 3D-Gerüste aus Mikrogelstäben

A two-component system of functionalized microgels from microfluidics allows for fast interlinking into 3D macroporous constructs in aqueous solutions ...