Basierend auf Marktanalysen von 2020 wird der Mikrofluidikmarkt bis 2025 knapp 25 Milliarden US-Dollar erreichen. Aufgeschlüsselt nach Anwendungen entfällt der Großteil des Wachstums auf Point-of-Care-Anwendungen und Werkzeuge für die pharmazeutische und biowissenschaftliche Forschung.
Die Herstellung mikrofluidischer Bauteile erfordert die Montage mehrerer Einzelteile, was die Designkomplexität, die Kosten und lange Lieferzeiten erhöhen kann. Da der Markt für Mikrofluidik weiter wächst, benötigen Forscher neue Fertigungsmethoden, um einige dieser Herausforderungen zu bewältigen.
Konventionelle Produktionsmethoden für Mikrofluidik
Konventionelle Produktionsmethoden für Mikrofluidik konzentrieren sich auf die Herstellung der Hauptkomponenten mikrofluidischer Bauteile. Die mikrofluidischen Bauteile müssen nach der Fertigung der Komponenten separat montiert werden. Zu den konventionellen Methoden zur Komponentenfertigung gehören Mikrofräsen, Photolithographie und Ätzen, Spritzguss und Heißprägen. Montagemethoden umfassen thermisches Bonden, Lösungsmittelbonden, Laminieren und Laserschweißen.
Konventionelle Fertigungsmethoden führen zu langen Lieferzeiten für mikrofluidische Bauteile. Dies stellt eine Herausforderung im Entwicklungsprozess dar. Lange Lieferzeiten bedeuten, dass Forscher Monate warten müssen, um funktionale Prototypen zu erhalten.
Historische Barrieren für den 3D-Druck in der Mikrofluidik
Historisch gesehen wurden 3D-Drucker aus verschiedenen Gründen nicht zur Herstellung mikrofluidischer Bauteile eingesetzt:
Auflösung
Die meisten kommerziell erhältlichen 3D-Drucker erreichen nur Auflösungen von etwa 50-100 µm. Diese Auflösungen ermöglichen bestenfalls konsistente, hochpräzise Kanäle von etwa 100 µm. Beim Entwurf mikrofluidischer Bauteile wünschen sich Designer typischerweise die Möglichkeit, Kanäle mit Durchmessern von weniger als 100 µm zu erstellen. Da hochauflösendere 3D-Drucker kommerziell verfügbar werden, ist es möglich, hochpräzise mikrofluidische Kanäle zu drucken.
Materialeigenschaften
Mikrofluidische Bauteile müssen aus Materialien gefertigt werden, die mit den Montageprozessen und ihren vorgesehenen Anwendungen kompatibel sind. Die Basischemie und Thermostabilität der Materialien sind dabei entscheidend. Darüber hinaus sind viele mikrofluidische Anwendungen in den Biowissenschaften angesiedelt, weshalb die Materialien biokompatibel sein müssen. Mit der Verfügbarkeit von 3D-Druckmaterialien mit den entsprechenden Eigenschaften wird der 3D-Druck für die Mikrofluidik ermöglicht.
Durchsatz
Obwohl mikrofluidische Kanäle recht klein sind, ist der Gesamtbau von mikrofluidischen Geräten oft recht groß. Druckgeschwindigkeit und Druckbereich bestimmen maßgeblich den Produktionsdurchsatz eines 3D-Druckers. Um mikrofluidische Geräte im 3D-Druck herzustellen, benötigen 3D-Drucker eine ausreichend hohe Auflösung, um kleine Kanäle zu drucken, sowie die richtigen Druckgeschwindigkeiten und -bereiche, um den Durchsatz traditioneller Fertigungsmethoden zu übertreffen.
Wie die PµSL-Technologie unterstützen kann
Funktionale Prototypen mit kurzen Durchlaufzeiten
Lange Vorlaufzeiten stellen eine Herausforderung bei herkömmlichen Fertigungsmethoden für die Mikrofluidik dar. Dies ist ein Hemmnis im Entwicklungsprozess, da es Monate dauern kann, einen funktionsfähigen Prototyp zu erhalten, nachdem kleine Änderungen an einem Bauteil vorgenommen wurden. Der Mikro-3D-Druck kann die Durchlaufzeit erheblich verkürzen. Mit der PµSL-Technologie können Entwickler funktionsfähige Prototypen in etwa einer Woche erhalten. Schnellere Durchlaufzeiten erleichtern es Forschern, kleine Designänderungen während des Entwicklungsprozesses vorzunehmen.
Reduzierte Herstellungskosten
Bei der Skalierung zur Produktion entstehen die meisten Kosten bei der Herstellung mikrofluidischer Bauteile nicht durch die Produktion der einzelnen Komponenten, sondern durch die Montage des Geräts. Der Mikro-3D-Druck ermöglicht es, das gesamte mikrofluidische Bauteil in einem Arbeitsgang zu drucken. Das Eliminieren des Montageschritts bei der Herstellung mikrofluidischer Bauteile verkürzt die Durchlaufzeiten und senkt gleichzeitig die Produktionskosten.
Die PµSL-Technologie bietet spannende Entwicklungen für die Herstellung mikrofluidischer Bauteile. Mit einer Auflösung von bis zu 2 µm können microArch-Drucker kleine Teile schnell mit einer Genauigkeit von +/- 10 µm fertigen.
