インク直接書き込み3D印刷技術は、マイクロ流体デバイスの効率的かつ低コストな製造を実現します。

出典: MEMS

マイクロ流体デバイスは、サイズが小さく、応答速度が速く、検出感度が高いため、バイオメディカル、化学合成、農業管理、環境試験などで広く使用されています。現代の付加製造技術の急速な発展により、3D 印刷技術はマイクロ流体デバイスの製造にとってより魅力的なソリューションを提供します。従来のマイクロマシニング技術と比較して、3D プリント技術には、設計と処理速度が速く、材料の適応性が広く、コストが低いなどの利点があります。

現在、3D 印刷技術を使用してマイクロ流体デバイスを製造する主な方法には、ステレオリソグラフィー (SLA)、デジタル光処理 (DLP)、熱溶解積層法 (FDM)、直接インク書き込み (DIW) などがあります。 FDM および DIW 技術は、主に材料押し出し法に基づいています。製造プロセスは比較的単純で、材料の適応性とコストの面で多くの利点があります。これらは、3D 印刷マイクロ流体デバイスに最適な選択肢です。しかし、FDM 方式で製造されるマイクロ流体デバイスのほとんどは不透明または半透明であり、複雑で時間のかかる後処理などの課題があり、実際の用途がある程度制限されています。

MEMSコンサルティングによると、最近、瀋陽農業大学と遼寧省農業情報化工学技術研究センターの研究チームが共同でDIW法に基づく3Dプリント技術を提案し、マイクロ流体デバイスの製造に効率的で低コストのソリューションを提供しているという。研究結果は「Scientific Reports」誌に掲載された。

本研究で3Dプリントマイクロ流体デバイスに使用した材料は、米国ダウコーニング社のDowsil 732であり、さまざまな業界でシーラントやカプセル化剤として使用されています。研究チームは、Dowsil 732 の硬化時間と表面疎水性を評価し、マイクロ流体デバイスの製造に適していることを実証しました。

(A) 異なる温度での Dowsil 732 の硬化時間。(B) 異なる湿度での Dowsil 732 の硬化時間。(C) Dowsil 732 の表面における液体の接触角測定。
高精度のマイクロチャネル構造を確保するために、研究チームは55〜70psiの圧力範囲内で340μmと420μmのノズルの押し出し速度を測定し、印刷圧力と速度がチャネル壁の精度に与える影響を分析しました。測定データに基づいて、印刷圧力と速度を入力、マイクロチャネル壁の精度を出力とする印刷パラメータ最適化モデルを確立しました。観察結果によると、モデルの予測値は実験データとよく一致しており、精度は95％以上で、印刷速度、印刷圧力、チャネル壁精度の変化傾向を効果的に反映できます。したがって、このモデルはマイクロチャネル壁の 3D プリント結果を予測するために使用できます。

(A) 実際のチャネル印刷幅と 340μm ノズルの設計サイズの比較。(B) 実際のチャネル印刷幅と 420μm ノズルの設計サイズの比較。(C) 340μm ノズルで印刷された直線チャネルの模式図。(D) 340μm ノズルで印刷された曲線チャネルの模式図。
Dowsil 732 材料 3D 印刷の汎用性をさらに実証するために、研究チームは、マイクロミキサー、濃度勾配発生器、液滴発生器の 3 つの印刷例を実証し、製造方法の実現可能性を検証しました。

マイクロ流体デバイスの印刷プロセスの概略図。340μm ノズルを使用して印刷されたマイクロ流体デバイス: (A) マイクロミキサー、(B) 濃度勾配ジェネレーター、(C) 液滴ジェネレーター。
研究結果によると、材料押し出しプロセスに基づく 3D 印刷技術は、マイクロ流体デバイスの製造に対する経済的および技術的障壁を効果的に低減し、透明性と時間効率の両方を兼ね備えたマイクロ流体デバイスの設計と製造に魅力的なソリューションを提供します。

論文情報: https://doi.org/10.1038/s41598-022-05350-4

インク直接書き込み3D印刷技術は、マイクロ流体デバイスの効率的かつ低コストな製造を実現します。

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