Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Mikrostrukturen mit Verdampfung eines Opferbauteil

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, dreidimensionale mikrovaskuläre Strukturen herzustellen. Dies wird erreicht, indem zunächst opferbare Fasern erzeugt werden, indem Zinn(II)-oxalat in Polylactid-Fasern eingearbeitet wird. Der zweite Schritt besteht darin, die Fasern dreidimensional mittels Strukturierungsscheiben zu mustern.

Anschließend werden die Fasern in ein Einbettungsharz gegossen. Im letzten Schritt werden die Fasern unter Hitze und Vakuum aus dem Harz entfernt. Letztendlich kann das mikrovaskuläre System für zahlreiche Anwendungen genutzt werden, darunter Wärmeaustausch, Stofftransport und Selbstheilungssysteme.

Im Allgemeinen werden Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, da ein hohes Maß an manueller Geschicklichkeit und visueller Wahrnehmung erforderlich ist, um mit den Fasern zu arbeiten. Eine visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da die chemische Behandlung der Fasern und das Bestücken der Mustertafeln schwer zu erlernen sind, da sie eine Hand-Auge-Koordination und spezielle Ausrüstung erfordern. Beginnen Sie den Katalysator-Einbringungsprozess in die Faser mit einer angepassten Spindel und einer Quelle von Polylactid-Fasern mit bekanntem Durchmesser.

Hier 200 Mikrometer. Wickeln Sie die gewünschte Menge der Fasern um die unteren drei Viertel der Spindel. Verringern Sie die Überlappung der Fasern, um eine maximale Oberflächenexposition in einer verschließbaren Flasche zu gewährleisten.

400 Milliliter deionisiertes Wasser mit 40 Milliliter Dysbaric One 30 mischen. Die Flasche verschließen und schütteln, bis eine homogene Lösung vorliegt.

Stellen Sie als Nächstes einen 1000-Milliliter-Becher in ein Wasserbad bei 37 Grad Celsius. Gießen Sie 400 Milliliter Trifluorethanol in den Becher. Geben Sie die Wasserdispersionslösung zum Becher hinzu und rühren Sie, bis eine einheitliche Mischung entsteht.

Fügen Sie ein Gramm Malachitgrün oder einen anderen Farbstoff zur Mischung hinzu und rühren Sie, bis er sich vollständig gelöst hat. Befestigen Sie nun die Spindel am digitalen Mischer und stellen Sie die Höhe so ein, dass die Spindel einen halben Zoll über dem Boden steht. Stellen Sie den Mischer auf 400 U/min und beginnen Sie langsam mit dem Mischen.

Fügen Sie 1,3 Gramm Zinnoxalat-Katalysator zur Mischung hinzu. Stellen Sie den pH-Wert der Mischung mit Natriumhydroxid so ein, dass er etwa zwischen 6,8 und 7,2 liegt. Danach befestigen Sie einen Deckel auf dem Becher und erhöhen die Spindeldrehzahl auf 500 min⁻¹.

Halten Sie dies innerhalb der ersten zwei Stunden 24 Stunden lang aufrecht. Brechen Sie manuell jegliche Agglomeration von Zinnoxalat auf, die sich bildet. Stellen Sie nach 24 Stunden einen auf 35 Grad Celsius vorgeheizten Ofen bereit.

Entfernen Sie die Spindel vom Mischer und legen Sie sie in den Ofen. Lassen Sie sie über Nacht trocknen. Nach mindestens acht Stunden Trocknung nehmen Sie die Spindel aus dem Ofen und wickeln Sie die Fasern von der Spindel ab.

Entfernen Sie den überschüssigen Katalysator von den Fasern. Die Herstellung der mikrovaskulären Gasaustauscheinheit beginnt mit dem Erhalt eines Paares laserbeschnittener Messingstrukturplatten mit dem gewünschten mikrovaskulären Muster. Befestigen Sie die Platten an Klemmhaltern.

Schneiden Sie ein 25-cm-Stück katalysierte Faser pro Mikrokanal zu. Verwenden Sie eine Platte, die auf den Faserdurchmesser zugeschnitten ist, um verbleibenden Katalysator von den Fasern zu entfernen. Verwenden Sie die Spitze einer Heißklebepistole, um die Faserenden anzuspitzen.

Führen Sie dies durch langsames Extrudieren der Faserspitzen durch. Danach führen Sie die Fasern durch die entsprechenden Löcher in den Paaren der Messingstrukturplatten. Danach schrauben Sie die Platten auf eine Formbox.

Stellen Sie sicher, dass die Fasern beim Befestigen der Platten nicht verdreht werden. Fädeln Sie dann die Faserenden durch die Spannschrauben der kundenspezifischen Spannplatte und spannen Sie die PLA-Fasern, bis sie straff sind. Achten Sie darauf, die Fasern nicht übermäßig zu belasten und sie nicht zu zerreißen.

Entfernen Sie überschüssige Partikel aus dem Fasermuster mit Druckluft. Mischen Sie nun Poly-Dimethyl-Xin-Basis mit seinem Härter im Volumenverhältnis 10 zu 1 und geben Sie die Mischung in ein Exsikkatorglas. Entgasen Sie die Mischung 10 Minuten lang unter Vakuum.

Gießen Sie die PDMS-Mischung in die Gussform, jedoch nicht direkt auf die Fasern. Entfernen Sie mit einer 26-Gauge-Nadel alle Luftblasen in der Gussform oder zwischen den Fasern. Danach härten Sie das Bauteil bei 85 Grad Celsius 30 Minuten lang aus.

Wenn die Form gekühlt ist, lösen Sie die Messingplatten von der Gießform, wobei darauf zu achten ist, die Platten nicht zu verbiegen oder zu stark zu ziehen. Entfernen Sie die ausgehärtete erste Stufe aus der Gießform. Verwenden Sie eine Hohlnadel mit einer Nadelstärke, die mindestens doppelt so groß ist wie der Außendurchmesser der Fasern, um Löcher in eine RTV-Endkappe zu stechen, und führen Sie dabei den Faserstrang durch das Loch, während die Nadel noch eingeführt ist.

Entfernen Sie dann die Nadel. Das Lochmuster sollte dem des Messinglochmusters ähneln, jedoch weiter auseinanderliegen. Befestigen Sie anschließend die Endkappen an einer größeren Formschachtel.

Geben Sie eine zweite Stufe PDMS hinzu und entfernen Sie alle verbleibenden Gasblasen. Lagern Sie erneut bei 85 Grad Celsius für 30 Minuten aus. Schneiden Sie nach der zweiten Aushärtung überschüssige PLA-Fasern von der Probe ab.

Stellen Sie es 24 Stunden lang oder bis zum weitgehenden Entfernen der PLA-Fasern in einen Vakuumofen bei 210 Grad Celsius. Falls restliches PLA nicht entfernt werden kann, geben Sie ein Milliliter Chloroform zu, um den verbleibenden Rest in den Mikrokanälen aufzulösen. Damit ist die Herstellung der Einheit abgeschlossen.

Dieses Verfahren beschreibt eine Methode zur Herstellung mikrovaskulärer Strukturen in Harz, wie sie in der Gasaustauscheinheit zu sehen sind. Dargestellt oben. Unten links befindet sich eine Detailansicht eines Segments der Struktur.

Farbstoffe wurden zur besseren Sichtbarkeit verwendet. Rechts ist das sechseckige Muster von 200 Mikron und 300 Mikron großen Löchern zu sehen, das zur Erzeugung der Mikrokanäle dient. Die Mikrokanäle sind vollständig hohl und können durch weniger als 50 Mikron voneinander getrennt sein.

Die Struktur des mikrovaskulären Netzwerks ist nur durch die Strukturen begrenzt, die mithilfe der opfergebenden Fasern gebildet werden können. Es können sowohl Leckagen als auch Verstopfungen innerhalb der Mikrokanäle auftreten. Auf der linken Seite dieser Gasaustauscheinheit befindet sich eine Verstopfung.

Diese können oft mit einem Lösungsmittel entfernt werden. Auf der rechten Seite ist ein Beispiel für ein Leck zu sehen. Solche entstehen, wenn die opfern Fibern nicht gründlich gereinigt oder ausreichend gespannt werden. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie in 45 Minuten zum Erstellen der Fasern und in 60 Minuten zum Herstellen der mikrovaskulären Einheiten durchgeführt werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man opferbare Fasern herstellt, um ein dreidimensionales Muster zu erzeugen, und wie man bei diesem umfangreichen Prozess Probleme behebt.