Chemieresistenter Mikrotropfenerzeuger

Die Dosierung geringster Fluidmengen unter dem Einsatz des Drop-on-Demand Verfahrens findet in den unterschiedlichsten industriellen Gebieten Anwendung, wie bspw. im Home-Office Bereich oder bei industriellen Applikationen. Hierbei ist die Stabilität der erzielten Tropfenparameter von essentieller Bedeutung. Tropfenerzeuger, die auf unterschiedliche Fluide anpassbar sind, werden in heutiger Zeit immer wichtiger. So spielen bspw. im 3D-Druck aggressive Medien wie Säuren oder Lösungsmittel oder in der Medizintechnik sowohl Flüssigkeiten, die mit Partikeln versetzt sind als auch kontrolliert abgegeben werden, eine große Rolle. Daher ist es von großer Bedeutung, die Tropfenbildung auch bei den o.g. Medien in einen reproduzierbaren Prozess zu überführen, sowie die Tropfenmassen/-volumen und Massenströme exakt einstellen zu können.

Seit 1992 arbeitet der Lehrstuhl auf dem Gebiet der 3D-Drucktechnik im Rahmen mehrer Doktorarbeiten. Der Begriff 3D Druck steht an dieser Stelle stellvertretend für unterschiedlichen Verfahren des Direct-Manufacturing bzw. Rapid Manufacturing (STL, SLS, FDM, 3DP usw.).

Problemstellung

Der Entwurf von Mikrosystemen gestaltet sich meist zeit- und kostenintensiv. Die zum Einsatz kommenden Fertigungsverfahren stammen zumeist aus der Mikroelektronik und sind nur bei hohen Stückzahlen rationell einsetzbar. Muss ein Mikrosystem, hier in diesem Fall ein Tropfenerzeuger, für ein neues Einsatzgebiet entworfen werden, so sind entweder aufwendige Modelle oder Prototypen notwendig.

Vorgehen

Die Bereitstellung innovativer, aktiver Mikrosysteme kann durch den Einsatz von softwaregesteuerten Fertigungsverfahren deutlich erleichtert werden. Verfahren wie die Laserablation ersetzen dabei zeit- und kostenintensive Fertigungsverfahren wie etwa das anisotope Ätzen. In Verbindung mit einfachen Modellen können so die gewünschten Eigenschaften des Systems schnell und mit geringen Kosten realisiert werden.

Aufbau des Tropfenerzeugers

Die Grundplatte wird aus einem Si-Wafer gefertigt. Die passive Membran, die mit der Piezokeramik eine Unimorphstruktur bildet, wird aus Pyrexglas erzeugt. Der Druckkopf wird mit einer Piezokeramik angetrieben, die je nach Verwendungszweck unterschiedlich dick ist. Je nach verwendeter Piezokeramik liegt die mögliche Einsatztemperatur bei bis zu 100 °C. Dabei wird der Aktor, je nach Trennbreite der Elektroden und Dicke der Keramik, mit bis zu 150 V angesteuert.

Herstellung mittels Rapid-Prototyping

Sowohl die Materialkosten als auch die Herstellungszeit sind mit 21 € bzw. einigen Stunden bei diesem gut untersuchten und etablierten Druckkopf äußerst gering; zudem liegt die Möglichkeit zur Batch-Herstellung vor. Der Siliziumwafer wird mit Laserablation hergestellt. Dabei erfolgt ein Ebenenabtrag, um die Pumpkammer, Drossel und Düse zu erstellen. Des Weiteren wird die passive Membran aus Pyrex und der Piezoaktor mit einem IR Laser strukturiert.

Modellbildung

Parallel zu den Fluiduntersuchungen wird ein Minimalmodell des Tropfenerzeugers aufgebaut. Unbekannte Modellparameter können aus Messungen am Prototyp gewonnen werden. Das Modell wird benutzt, um notwendige Änderungen an der Geometrie des Tropfenerzeugers und am Ansteuerimpuls vornehmen zu können. Die Genauigkeit des Modells steht dabei nicht im Vordergrund, da durch die extrem schnelle Fertigung des Druckkopf einen iterativen Ansatz erlaubt.

Messungen

Die Zielgrößen wie Fluggeschwindigkeit der Tropfen, sowie deren Masse, werden an einem Tropfenbeobachtungsstand erfasst. Dieser erlaubt durch stroboskopische Beleuchtung die einfache optische Vermessung der Tropfenparameter.

Fluiduntersuchungen

Der Hauptaugenmerk untersuchter Fluide liegt aufgrund der guten fluidtechnischen Eigenschaften bislang auf Isopropanol. Dabei kann ein Tropfenvolumen zwischen 40-1500 pl je nach Dimensionierung des Druckkopfes erreicht werden. Über die Variation der Ansteuerparameter werden Fluggeschwindigkeiten der Tropfen von 1 m/s bis zu 10 m/s erreicht. Die Grenzfrequenz liegt bei über 10 kHz, je nach Konstruktion.

Ansprechpartner: Dr. F. Irlinger

Publications

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Heinzl, J., Harnisch, J., Irlinger, F., Hoffmann, H., Petry, R., Stanchev, S., et al. Technologien für die Fertigung individualisierter Produkte. In U. Lindemann, R. Reichwald, & M. F. Zäh, (Eds.), Individualisierte Produkte - Komplexität beherrschen in Entwicklung und Produktion. (pp. 89-113). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg.

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Kagerer, M.; Eiler, K. L.; Ottnad, T.;Irlinger, F.; Lueth, T. C. (2013): „Mikrotropfenerzeuger Hergestellt mit Rapid Manufacturing Verfahren”, Proceedings of the MikroSystemTechnik Kongress (MST Kongress), October 14 - 16, 2013, Aachen, Germany, pp. 345-348.

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Kagerer, M.; Rumschoettel, D.; Ottnad, T.; Lueth, T. C.; Irlinger, F. (2013): „FAST DROPLET GENERATION WITH A PRINTHEAD MANUFACTURED WITH RAPID MANUFACTURING TECHNIQUES MOUNTED ON A CARRIER BOARD”, Proceedings of the ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress & Exposition (IMECE 2013), November 15-21, 2013, San Diego, USA, pp. 1-8.