Mikrotermoformowanie

Mikrotermoformowanie to skrót oznaczający termoformowanie w mikroskopie lub w mikroskali , a dokładniej termoformowanie mikroproduktów lub produktów o mikrostrukturze . Produkty mikrostrukturalne oznaczają produkty, które mają struktury w zakresie mikrometrów i których funkcja techniczna jest zapewniona przez kształt mikrostruktury [1]. Termoformowanie [2] z kolei oznacza kształtowanie podgrzanych, a tym samym zmiękczonych półproduktów w postaci polimeru termoplastycznego folie lub płyty z krawędziami utrwalonymi przez trójwymiarowe rozciąganie. Kształtowanie odbywa się głównie poprzez formowanie folii lub płyt w formach żeńskich (formowanie negatywowe) lub na formach męskich (formowanie pozytywowe). Podczas gdy inne procesy mikroreplikacji polimerów, takie jak formowanie mikrowtryskowe lub (próżniowe) wytłaczanie na gorąco, są podstawowymi procesami formowania, w których formowanie zachodzi już w stopionej, ciekłej fazie ogrzanego materiału polimerowego, mikroformowanie termiczne jest procesem formowania wtórnego, w którym formowanie zachodzi w silnie zmiękczonej , ale wciąż faza stała ogrzanego polimeru.

Formy do mikroreplikacji polimerów ogólnie, aw szczególności do mikroformowania termicznego, można wytwarzać różnymi metodami, takimi jak mikroobróbka mechaniczna, metody oparte na litografii w połączeniu z galwanizacją (patrz także tak zwany proces „LIGA”) oraz trawienie na mokro lub na sucho . Mogą być wytwarzane z różnych materiałów, takich jak metal, krzem i szkło.

Stan techniki

Od kilku lat w Karlsruhe Institute of Technology (KIT) proces formowania ciśnieniowego lub wysokociśnieniowego (termo)formowania jest wykorzystywany do wytwarzania mikroczipów filmowych do elektroforezy kapilarnej (CE) [3–5] oraz do trójwymiarowej hodowli komórek [6 –8]. Proces wywodzi się z makroskopowego procesu formowania arkuszy uwięzionych [2]. Jest to prosta odmiana formowania podciśnieniowego lub ciśnieniowego bez rozciągania wstępnego, tj. formowanie jednoetapowe, do formy żeńskiej z podgrzewaniem arkusza tworzywa sztucznego za pomocą stykowej płyty grzejnej wewnątrz stanowiska formującego. Powietrze formujące jest dostarczane przez otwory w płycie grzewczej. Jeszcze w procesie na skalę laboratoryjną, różnorodne folie termoplastyczne, również z biodegradowalnych polimerów, takich jak polikaprolakton (PCL) o grubości zwykle od 20 do 100 μm jest formowany termicznie. Odbywa się to za pomocą gazu pod ciśnieniem do 5 MPa w mechanicznie obrobionych wnękach płytowych mikroform z mosiądzu.

Pierwsze przykłady procesów zbliżających się do czegoś, co można by nazwać „mikrotermoformowaniem”, pochodzą z drugiej połowy lat dziewięćdziesiątych. Tak więc w 1993 roku wyprodukowano mikrostruktury polimerowe w kształcie kopuły do ​​stosowania w elektrycznych przełącznikach membranowych [9]. Dokonano tego pomiędzy dopasowanymi górnymi i dolnymi metalowymi matrycami z odpowiednio wklęsłym i wypukłym detalem, najpierw w prasie na gorąco, a następnie w drugiej prasie na zimno. Z kolei w 1999 roku wyprodukowano mikrostruktury polimerowe przypominające blachy faliste do zastosowania np. w siłownikach elektrostatycznych [10]. Dokonywano tego również między narzędziami ogrzewanymi a narzędziami oporowymi, a mianowicie w procesach nieciągłych między stemplami lub w procesach ciągłych między rolkami. Częściowo kontrnarzędzie było miękkie w postaci grubszej, niewzorcowanej błony lub płytki wykonanej z łatwo odkształcalnego, np. elastomerowy , który jest w stanie przyjąć kształt twardego, metalicznego narzędzia. W 2006 roku w Szkole Inżynierii Polimerów, Tekstyliów i Włókien (PTFE) Georgia Institute of Technology (GIT) zastosowano to samo podejście technologiczne do wytworzenia podobnych struktur przypominających arkusze tektury falistej w tak zwanym „wytłaczaniu na gorąco wspomaganym gumą proces” [11].

Funkcje i aplikacje

Proces mikrotermoformowania, w tym jego produkty, może mieć wszystkie korzystne właściwości potężnego makroskopowego procesu produkcyjnego. Ponadto termoformowane mikroczęści posiadają dodatkowe, specyficzne właściwości, występujące jedynie w mikroskali i wynikające z ich niezwykłej morfologii. Termoformowane np. mikroprzepływowe struktury mają wolnostojące mikrownęki, takie jak kanały i zbiorniki, i są częściowo cienkościenne w zakresie kilku mikrometrów. Specyficzne właściwości termoformowanych mikroczęści to między innymi ich wysoka elastyczność, mała objętość i masa, niski opór cieplny i pojemność cieplna oraz niska absorpcja światła i fluorescencja tła. Morfologia i właściwości tych mikrocząstek mogą teraz zaowocować ulepszonymi, a nawet nowymi, niespotykanymi dotąd zastosowaniami.

W porównaniu z innymi procesami mikroreplikacji, w mikroformowaniu termicznym modyfikacje formowanej folii pozostają zachowane poza etapem formowania dzięki wspomnianej już spójności materiału podczas tego wtórnego procesu formowania. Umożliwia to modyfikację powierzchniową i masową oraz funkcjonalizację trójwymiarowo uformowanych filmów lub membran, mianowicie jako wysoce rozdzielczych mikro- i nanowzorców, i ze wszystkich stron, tj. na trudno dostępnych ściankach bocznych, a nawet za podcięciami . Tak więc np. kształtowane termicznie czipy do trójwymiarowej hodowli komórek mogą być wyposażone w pory, wzory adhezji komórek [6–8], topologie powierzchni i elektrody [12].

Oczekuje się, że przyszłe obszary zastosowań mikroformowania termicznego będą

  • Wstępny raport grupy zadaniowej NEXUS 1998 Analiza rynku mikrosystemów
  • Tron JL 1996 Technologia termoformowania (Monachium: Hanser)
  • Truckenmüller R, Rummler Z, Schaller T i Schomburg WK 2001 Tania produkcja jednorazowych polimerowych struktur elektroforezy kapilarnej przez mikrotermoformowanie Proc. 12th Micromechanics Europe Workshop (MME) (Cork, Irlandia), s. 39–42
  • Truckenmüller R, Rummler Z, Schaller T i Schomburg WK 2002 Tanie termoformowanie mikroukładów do analizy płynów J. Micromech. mikroeng. 12 375–9
  • Truckenmüller R, Giselbrecht S 2004 Mikrotermoformowanie elastycznych, niezakopanych pustych mikrostruktur do zastosowań w naukach przyrodniczych opartych na chipie IEE Proc. Nanobiotechnologia 151 163–6
  • Giselbrecht S, Gietzelt T, Gottwald E, Guber AE, Trautmann C, Truckenmüller R i Weibezahn KF 2004 Mikrotermoformowanie jako nowa technika wytwarzania rusztowań w inżynierii tkankowej (CellChips) IEE Proc. Nanobiotechnologia 151 151–7
  • Giselbrecht S, Gottwald E, Schlingloff G, Schober A, Truckenmüller R, Weibezahn KF i Welle A 2005 Wysoce adaptowalna mikrostrukturalna platforma do hodowli komórek 3D w formacie 96-studzienkowym do różnicowania i charakteryzacji komórek macierzystych 9. Int. konf. w sprawie zminiaturyzowanych systemów dla chemii i nauk przyrodniczych (Micro Total Analysis Systems, μTAS) (Boston, MA) str. 376–8
  • Giselbrecht S, Gietzelt T, Gottwald E, Trautmann C, Truckenmüller R, Weibezahn KF i Welle A 2006 3D podłoża do hodowli tkankowych wytwarzane przez mikrotermoformowanie wstępnie przetworzonych folii polimerowych Biomed. Mikrourządzenia 8 191–9
  • Kurosawa M, Haga S, Yamasato H, Kobayashi I i Suzuki S Przełącznik membranowy z wytłoczonym PET z 1995 r. Przegląd techniczny Fujikura 24 97–100
  • Dreuth H i Heiden C 1999 Termoplastyczna struktura cienkich warstw polimerowych Sens. Actuators A-Physical 78 198–204
  • Nagarajan P i Yao D 2006 Wytłaczanie na gorąco wspomagane gumą do strukturyzacji cienkowarstwowych folii polimerowych Proc. Międzynarodowy Kongres i Wystawa Inżynierii Mechanicznej ASME (IMECE) (Chicago, Illinois)
  • Gottwald E, Giselbrecht S, Augspurger C, Lahni B, Dambrowsky N, Truckenmüller R, Piotter V, Gietzelt T, Wendt O, Pfleging W, Welle A, Rolletschek A, Wobus AM i Weibezahn KF 2007 Platforma oparta na chipie dla generowanie in vitro tkanek w organizacji trójwymiarowej Lab Chip 7 777-85
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Microthermoforming&oldid=915857706 ”