Basierend auf den Markteinschätzungen für 2020 wird der Mikrofluidikmarkt bis 2025 knapp 25 Mrd. USD betragen. Aufgeschlüsselt nach Anwendungen entfällt der größte Teil des Wachstums auf Point-of-Care-Anwendungen und Werkzeuge für die pharmazeutische und biowissenschaftliche Forschung.
Die Herstellung mikrofluidischer Geräte erfordert den Zusammenbau mehrerer Teile, was die Komplexität des Designs, die Kosten und lange Vorlaufzeiten erhöhen kann. Da der Markt für Mikrofluidik weiter wächst, benötigen Forscher neue Fertigungsmethoden, um einige dieser Herausforderungen zu bewältigen.
Konventionelle Fertigungsmethoden für die Mikrofluidik
Konventionelle Produktionsmethoden für die Mikrofluidik konzentrieren sich auf die Herstellung der Hauptkomponenten der mikrofluidischen Geräte. Die mikrofluidischen Geräte müssen nach der Herstellung der Komponenten separat montiert werden. Zu den konventionellen Methoden der Komponentenherstellung gehören Mikrofräsen, Photolithographie und Ätzen, Spritzgießen und Heißprägen. Zu den Montagemethoden gehören thermisches Kleben, Lösungsmittelkleben, Laminieren und Laserschweißen.
Konventionelle Fertigungsmethoden führen zu langen Vorlaufzeiten für mikrofluidische Geräte. Dies ist eine Herausforderung im Entwicklungsprozess. Lange Vorlaufzeiten bedeuten, dass es Monate dauern kann, bis Forscher funktionsfähige Prototypen erhalten.
Historische Hürden für den 3D-Druck in der Mikrofluidik
In der Vergangenheit wurden 3D-Drucker aus verschiedenen Gründen nicht zur Herstellung von mikrofluidischen Geräten eingesetzt:
Auflösung
Die meisten kommerziell erhältlichen 3D-Drucker können nur Auflösungen um 50-100µm erreichen. Mit diesen Auflösungen lassen sich bestenfalls konsistente, originalgetreue Kanäle um 100 µm erzielen. Bei der Entwicklung von mikrofluidischen Geräten wollen die Entwickler in der Regel Kanäle mit Durchmessern von weniger als 100 µm erzeugen. Da 3D-Drucker mit höherer Auflösung kommerziell verfügbar werden, ist es möglich, mikrofluidische Kanäle mit hoher Wiedergabetreue zu drucken.
Materialeigenschaften
Mikrofluidische Geräte müssen mit Materialien gebaut werden, die mit den Montageprozessen und ihren beabsichtigten Anwendungen kompatibel sind. Die Grundchemie der Materialien und die Thermostabilität sind wichtig. Außerdem sind viele mikrofluidische Anwendungen in den Biowissenschaften angesiedelt, sodass die Materialien biokompatibel sein müssen. Wenn 3D-Druckmaterialien mit den richtigen Eigenschaften verfügbar werden, wird der 3D-Druck für die Mikrofluidik möglich.
Durchsatz
Während mikrofluidische Kanäle recht klein sind, ist der Gesamtaufbau für mikrofluidische Geräte oft recht groß. Die Druckgeschwindigkeit und der Druckbereich bestimmen weitgehend die gesamte Produktion eines 3D-Druckers. Um mikrofluidische Geräte in 3D zu drucken, benötigen 3D-Drucker eine ausreichend hohe Auflösung, um kleine Kanäle zu drucken, und die richtigen Druckgeschwindigkeiten und -flächen, um den Durchsatz herkömmlicher Fertigungsmethoden zu übertreffen.
Wie die PµSL-Technologie helfen kann
Funktionsprototypen mit schnellen Durchlaufzeiten
Lange Vorlaufzeiten sind eine Herausforderung bei den herkömmlichen Fertigungsmethoden für die Mikrofluidik. Dies ist ein Hindernis im Entwicklungsprozess, da es Monate dauern kann, bis man nach kleinen Änderungen an einem Gerät einen funktionsfähigen Prototyp erhält. Der 3D-Mikrodruck kann die Durchlaufzeit erheblich verkürzen. Mit der PµSL-Technologie können Entwickler funktionale Prototypen in etwa einer Woche erhalten. Dank der kürzeren Durchlaufzeiten können die Forscher während des Entwicklungsprozesses leichter kleine Designänderungen vornehmen.
Reduzierte Herstellungskosten
Bei der Skalierung auf die Produktion liegt der größte Teil der Kosten bei der Erstellung mikrofluidischer Geräte nicht in der Herstellung der einzelnen Komponenten, sondern im Zusammenbau des Geräts. Der Mikro-3D-Druck ermöglicht es, das gesamte mikrofluidische Gerät auf einmal zu drucken. Der Wegfall des Montageschritts bei der Herstellung mikrofluidischer Geräte erhöht die Durchlaufzeiten und reduziert gleichzeitig die Produktionskosten.
Die PµSL-Technologie bietet spannende Entwicklungen für die Herstellung mikrofluidischer Geräte. Mit einer Auflösung von bis zu 2µm können microArch-Drucker schnell kleine Teile mit einer Genauigkeit von +/- 10µm herstellen.
