PMMAFügen

Herstellung von großformatigen Apparaturen aus PMMA

Ziel der Entwicklung

Ziel dieses Projekts war es, großformatige, mikrofluidische Apparaturen (DIN A3) bestehend aus dem Thermoplast Polymethylmethacrylat (PMMA) herzustellen. Hierfür wurden verschiedene Verfahren zum Bearbeiten und Fügen der Platten untersucht. Das Einbringen der Kavitäten wurde dabei zum einen über Laserablation mittels eines Ultrakurzpulslasers und zum anderen durch Umformung realisiert. Für das Fügen werden die Methoden des Diffusionsschweißens, des Fügens mittels eines Adhäsionsvermittlers und das Vibrationsreibschweißen angewandt.

Vorteile und Lösungen

Im Rahmen des Projektes sollte eine neue Wissensbasis für das Fügen von großformatigen PMMA-Platten für das Ausnutzen mikrofluidischer Effekte (resultierend aus dem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis von Kanälen) geschaffen werden. Das Einbringen der Kavitäten für großflächige Mikrofluidik, bestehend aus PMMA erfolgt technisch über die Methode der Stereolithographie. Für dieses vollautomatische Verfahren muss zunächst am Computer ein dreidimensionales Modell konstruiert werden. Durch kurzes Eintauchen einer Trägerplatte in ein photopolymerisierbares Harz/Polymer und darauffolgende Aushärtung durch Laserbestrahlung kann durch vielfache Wiederholung Schicht für Schicht ein sehr filigranes 3D-Modell aufgebaut werden. Hierbei können Detailauflösungen bis 20 µm erzeugt werden. Da es sich aber bei der Stereolithographie um einen teuren und langwierigen Prozess handelt, können sich mittels dem hier erprobten UKP-Laserabtrags sehr flexibel verschiedene Baupläne der Kavitäten bis zu 2 µm herstellen lassen. Im Projekt sollte ein Ansatz zum Fügen mittels Klebstoffsystemen untersucht werden: die Wahl eines Klebstoffs, der keine hohe thermische Belastung zum Aushärten und eine dünne Schichtdicke benötigt. Nach dem Fügeprozess sollte der überstehende Klebstoff durch seine unterschiedliche Lösungsmittelbeständigkeit im Vergleich zum PMMA ausgespült werden können. Als thermisches Fügeverfahren für PMMA wird auf dem aktuellen Stand der Technik Diffusionsschweißen an Kunststoffen durchgeführt. Hierbei bestand die Herausforderung im gleichmäßigen Erwärmen von großen Fügeteilen, mit vorher einbrachten Kavitäten, ohne dass es zur Deformation der Kanäle durch die thermische Belastung oder den Pressdruck kommt. Eine weitere interessante Fügemethode für großformatige Mikrofluidik bestehend aus PMMA ergibt sich durch das Vibrationsreibschweißen. Diese Methode wurde bisher nur für kleine thermoplastische Kunststoffteile angewandt. Die bei dieser Methode bestehenden Herausforderungen beziehen sich auf die Formtreue der Kavitäten, den Erhalt der Dicke der Apparaturen und die Dichtheit der entstandenen mikrofluidischen Bauteile. Eine Kombination aus mechanischen und chemischen Fügeprozessen unter milderen Verarbeitungsbedingungen wurde ebenfalls getestet. Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Ultrakurzpulslaserablation des extrudierten PMMAs mit der Fügemethode des Diffusionsschweißens einen optimalen Prozess darstellt, um großformatige (DIN A3 Format) Mikrofluidikplatten mit formtreuen Kavitäten unterschiedlichster Durchmesser zuerhalten. Durch die Be- und Verarbeitungsschritte konnte ebenso gewährleistet werden, dass der entwickelte Demonstrator die Eigenschaften des Grundmaterials beibehält. Somit ist das Projekt ein guter Beitrag zur Verwendung großformatiger Platten aus PMMA als mikrofluidische Apparaturen in verschiedenen Anwendungsgebieten. Hierbei steht das „scale up“, welches in der Mikrofluidik als „numbering up“ oder „equaling up“ bezeichnet wird, im Vordergrund. In der Technik werden hierfür mehrere separate, mikrofluidische Systeme nebeneinander betrieben.

Zielmarkt

Bisher werden die meisten mikrofluidischen Apparaturen aus starren Werkstoffen wie Glas, Silikon oder dem Polymer PDMS gefertigt. PMMA stellt durch seine Bearbeitungsmöglichkeiten und seine Recyclebarkeit eine wirtschaftliche Alternative zu den bisherigen Materialien dar. Durch sein geringeres Gewicht und höhere Bruchfestigkeit ermöglichen Apparaturen aus PMMA auch eine bessere Handhabbarkeit. Mikrofluidische Apparaturen werden vor allem in der chemischen Industrie angewandt. Das gewonnene Know-How aus dem Projekt kommt jedoch auch anderen Branchen zugute. So können Hersteller der Apparaturen von den neuen Kenntnissen zur PMMA-Verarbeitung profitieren. Im Projekt wurden Verarbeitungsprozesse untersucht und optimiert, die die ressourcensparende und damit wirtschaftliche Bearbeitung von PMMA-Produkten ermöglichen. So können Hersteller ihr Portfolio erweitern und PMMA als neuen Werkstoff für ihre Produktion einsetzen.