DE102017127315A1

DE102017127315A1 - Herstellung eines mikrofluidischen Bauteils mittels additiver Fertigung

Info

Publication number: DE102017127315A1
Application number: DE102017127315.8A
Authority: DE
Inventors: Darijo Zeko; Tony Ziegler; Thomas Ortmann
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2018-03-08
Also published as: US20200276728A1; US11931918B2; WO2019097490A1; CN111328374A

Abstract

Mikrofluidisches Bauteil (100) für ein Probentrenngerät (10), wobei das Bauteil (100) einen Keramik aufweisenden Bauteilkörper (102) und mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) in dem Bauteilkörper (102) aufweist, wobei der Bauteilkörper (102) mittels additiver Fertigung, insbesondere mittels dreidimensionalem Drucken, hergestellt ist.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauteil, einen Grünling, ein Probentrenngerät und ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils.
In einer HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (zum Beispiel im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20 bis 1000 bar und darüber hinausgehend, derzeit bis zu 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar ist, durch eine sogenannte stationäre Phase (zum Beispiel in einer chromatografischen Säule), bewegt, um einzelne Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Ein solches HPLC-System ist zum Beispiel aus der EP 0,309,596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc. bekannt. Ein solches HPLC-System hat häufig ein oder mehrere schaltbare Fluidventile.
Mikrofluidische Bauteile wie zum Beispiel Komponenten von Fluidventilen werden herkömmlich hergestellt, indem ein zum Beispiel pulverförmiges Ausgangsmaterial in einem Formwerkzeug in eine gewünschte Form gepresst wird.
Die Herstellung von Fluidventilen (insbesondere von Rotor- und/oder Statorkomponenten eines Fluidventils) sowie anderer mikrofluidischer Bauteile für Probentrenngeräte ist allerdings immer noch aufwendig und fehleranfällig. Eine Schwierigkeit liegt darin, dass die mikrofluidischen Bauteile für Probentrenngeräte hohen und höchsten Drücken standhalten müssen. Darüber hinaus sollen mikrofluidische Bauteile, die in Kontakt mit fluidischer Probe und Lösungsmitteln gelangen, vorzugsweise biologisch und chemisch inert sein. Außerdem sollen Fluide durch mikrofluidische Strukturen der mikrofluidischen Bauteile zuverlässig durchfließen können. Dies wird zunehmend kritisch, wenn mikrofluidische Strukturen der mikrofluidischen Bauteile kleiner und kleiner werden. Dann kann es während eines Herstellungsprozesses zum Beispiel dazu kommen, dass mikrofluidische Kanäle oder dergleichen unerwünscht geschlossen werden.
OFFENBARUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein mikrofluidisches Bauteil mit mikrofluidischen Strukturen mit vertretbarem Aufwand und hoher Fehlerrobustheit während Fertigung und Betrieb herzustellen. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein mikrofluidisches Bauteil für ein Probentrenngerät geschaffen, wobei das Bauteil einen Keramik aufweisenden Bauteilkörper und mindestens eine mikrofluidische Struktur in dem Bauteilkörper aufweist, wobei der Bauteilkörper mittels additiver Fertigung (insbesondere mittels dreidimensionalem Drucken) hergestellt ist.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Grünling oder Grünkörper zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils (insbesondere mit den oben beschriebenen Merkmalen) bereitgestellt, wobei der Grünling eine Vorform eines Bauteilkörpers des mikrofluidischen Bauteils, die Keramikpartikel und ein mittels elektromagnetischer Strahlung ausgehärtetes Bindemittel aufweist, und mindestens eine mikrofluidische Struktur in der Vorform aufweist.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe bereitgestellt, wobei das Probentrenngerät einen Fluidantrieb zum Antreiben einer mobilen Phase und der darin befindlichen fluidischen Probe, eine Probentrenneinrichtung zum Trennen der fluidischen Probe in der mobilen Phase und ein mikrofluidisches Bauteil mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist, wobei die fluidische Probe und/oder die mobile Phase beim Trennen durch die mindestens eine mikrofluidische Struktur zu fördern ist.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils (insbesondere mit den oben beschriebenen Merkmalen) für ein Probentrenngerät bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren eine Vorform eines Bauteilkörpers mittels additiven Fertigens hergestellt wird, mindestens eine mikrofluidische Struktur in der Vorform während des additiven Fertigens (insbesondere als Teil des additiven Fertigens) gebildet wird, und die Vorform in das mikrofluidische Bauteil mittels Brennens überführt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mikrofluidisches Bauteil“ eine Komponente verstanden, die im Rahmen einer Probentrennanalyse einen funktionellen Beitrag leistet, der das Hindurchführen eines Fluids (insbesondere der zu trennenden fluidischen Probe und/oder einer mobilen Phase) durch mikrofluidische Strukturen des Bauteils umfasst. Ein solches mikrofluidisches Bauteil kann über Fluidleitungen (zum Beispiel Kapillare) mit einem oder mehreren anderen mikrofluidischen Bauteilen fluidisch gekoppelt werden. Beispiele für solche mikrofluidischen Bauteile sind ein zwischen unterschiedlichen Fluidkopplungszuständen schaltbares fluidisches Ventil oder eine Komponente davon, eine Probentrenneinrichtung zum Trennen einer fluidischen Probe, ein Detektor oder eine Detektorkomponente zum Detektieren der getrennten fluidischen Probe, ein fluidischer Wärmetauscher, ein Mischer zum Mischen von Fluiden, etc.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mikrofluidische Struktur“ insbesondere ein verzweigter oder unverzweigter Kanal, eine Mehrzahl solcher Kanäle oder eine andere Struktur mit Dimensionen im Bereich von Mikrometern bis Millimetern verstanden, die von Fluid durchfließbar ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser der mindestens einen mikrofluidischen Struktur in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, sein.
Im Rahmen der vorliegenden Anwendung können unter dem Begriff „additive Fertigung“ oder generative Fertigung (englisch: Additive Manufacturing) Verfahren zur aufbauenden Fertigung von Körpern (insbesondere einer Vorform des Bauteilkörpers) verstanden werden, die zum Beispiel direkt auf der Basis eines beispielsweise rechnerinternen Datenmodells aus formlosen Ausgangsstoffen (zum Beispiel einer Suspension, einer Emulsion, Flüssigkeiten, Gelen, Pasten, Pulver, etc.) oder formneutralem (zum Beispiel bandförmig, drahtförmig, blattförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse hergestellt werden können. Obwohl es sich oft um formende Verfahren handelt, sind für die additive Fertigung keine Werkzeuge erforderlich, die entsprechend der jeweiligen Geometrie des zu generierenden Körpers geformt sind (zum Beispiel Gussformen). Beispiele für additive Fertigungsverfahren sind Pulverbettverfahren, Freiraumverfahren, Flüssigmaterialverfahren und andere Schichtbauverfahren, dreidimensionales Drucken, etc.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Grünling“ oder „Grünkörper“ insbesondere ein in Keramiktechnik gefertigter ungebrannter Rohling verstanden. Beispielsweise handelt es sich um gepresstes Keramikpulver, mit Bindemitteln verklebtes Pulver, etc. Ein solcher Grünling bzw. Grünkörper kann so bemessen sein, dass er durch das Schwinden beim Brennen (insbesondere durch nachfolgende thermische Entfernung von einem oder mehreren Bestandteilen des Grünlings, insbesondere ausgehärtetes Bindemittel) nahezu die endgültige Form erhält. Weiter insbesondere kann unter einem „Grünling“ oder „Grünkörper“ eine Vorform eines mikrofluidischen Bauteils verstanden werden, die durch additive Fertigung hergestellt worden ist, aber noch nicht in einem Brennverfahren in einen vollständig ausgehärteten Zustand überführt worden ist. Insbesondere kann bei einem solchen Brennen eines Grünlings in diesem noch befindliches, bereits vollständig oder nur teilweise ausgehärtetes, Bindemittel ganz oder vollständig entfernt werden. Daher kann es beim Brennen des Grünlings zum Überführen desselben in ein mikrofluidisches Bauteil zu einer Volumenverringerung bzw. einer Massenverringerung kommen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein mikrofluidisches Bauteil und ein zugehöriges Herstellungsverfahren geschaffen, bei denen das mikrofluidische Bauteil mittels eines additiven Fertigungsverfahrens mit mikrofluidischen Strukturen versehen wird. Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass sich bei der selektiven Verfestigung zum Beispiel einer Suspension als Ausgangsmaterial des additiven Herstellungsverfahrens mittels räumlich begrenzten Energieeintrags zum Beispiel durch einen Laser präzise definierte mikrofluidische Strukturen schaffen lassen, die sich später mit hoher Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zum Durchführen eines Fluids während des Betriebs eines Probentrenngeräts eignen. Wenn nämlich Volumenbereiche der Suspension, die als Ausgangsmaterial zum Herstellen des mikrofluidischen Bauteils dienen kann, um eine zu bildende mikrofluidische Struktur herum selektiv verfestigt werden, verbleibt kein unerwünschter Rückstand im Inneren der so abgegrenzten mikrofluidischen Kanäle, die daher erstaunlicherweise während des additiven Fertigens freigehalten bleiben können. Eventuell in den gebildeten mikrofluidischen Kanälen zurückbleibende Suspension kann zum Beispiel mittels Reinigens oder durch das Anlegen von Druck oder das Ausspülen der Kanäle mit Wasser oder dergleichen einfach und problemlos entfernt werden.
Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass thermisch leitfähige Keramiken in Form von Partikeln in der Suspension im Zusammenwirken mit einem dort vorgesehenen Bindemittel in dem beschriebenen additiven Fertigungsverfahren problemlos einsetzbar sind, um mikrofluidische Bauteile additiv zu fertigen. Auf diese Weise ist es gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen mit mäßigem Aufwand möglich, ein mikrofluidisches Bauteil zu schaffen, das einfach und mit präzise definierbaren mikrofluidischen Strukturen sowie vorteilhaften thermischen Eigenschaften herstellbar ist. Auch ist keramisches Material mit Vorteil chemisch und biologisch inert, so dass ein entsprechendes mikrofluidisches Bauteil sowohl aggressiven Lösungsmittelkomponenten einer mobilen Phase als auch verschiedensten fluidischen Proben (zum Beispiel biologischen Proben) ausgesetzt werden kann, ohne dass es zu unerwünschten Wechselwirkungen zwischen Fluid und mikrofluidischem Bauteil kommt.
Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des mikrofluidischen Bauteils, des Grünlings, des Probentrenngeräts und des Verfahrens beschrieben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mikrofluidische Bauteil als Fluidventil oder Komponente eines Fluidventils ausgebildet sein, insbesondere als Rotorkomponente oder Statorkomponente eines Fluidventils. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Ventilkomponente“ ein Ventilkörper verstanden, der relativ zu einer anderen Ventilkomponente während eines Schaltvorgangs des Fluidventils bewegt werden kann. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Ventilkomponenten eine Rotoreinrichtung und eine Statoreinrichtung eines fluidischen Ventils. Es ist alternativ aber zum Beispiel auch möglich, das Schalten des Fluidventils durch eine Longitudinalbewegung zwischen zwei zusammenwirkenden Ventilkomponenten zu bewerkstelligen. Ein fluidisches Ventil kann aus zwei zueinander relativ beweglichen Komponenten ausgebildet sein, die im Falle eines Rotorventils eine zu rotierende Rotorkomponente und eine ortsfest zu erhaltende Statorkomponente beinhalten. In der Statorkomponente können Ports zum fluidischen Anschließen des Fluidventils an eine fluidische Umgebung (zum Beispiel mittels Fluidleitungen wie Kapillaren) gebildet sein. Darüber hinaus können in der Rotorkomponente fluidische Kopplungsstrukturen (wie zum Beispiel Nuten oder Kanäle) gebildet sein, die in unterschiedlichen Schaltzuständen des Fluidventils unterschiedliche fluidische Kopplungszustände oder fluidische Entkopplungszustände zwischen den Ports ermöglichen. Auch in der Statorkomponente können ein oder mehrere solcher Fluidleitungen gebildet sein. Die Statorkomponente und die Rotorkomponente können derart zusammengesetzt werden, dass durch Verdrehen der Rotorkomponente gegenüber der Statorkomponente die Ports und die Fluidkanäle in die verschiedenen Fluidkopplungszustände gebracht werden können. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Rotorkomponente und/oder die Statorkomponente mittels additiven Fertigens hergestellt werden. Bei anderen Ausgestaltungen ist ein solches Fluidventil aus zwei in anderer Weise relativ zueinander beweglichen Ventilkomponenten geschaffen, zum Beispiel aus zwei relativ zueinander längsverschieblichen Komponenten. Die beschriebenen Ports sowie die beschriebenen Fluidleitungen können mikrofluidische Strukturen gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellen. Sie können während des additiven Fertigungsverfahrens durch bloßes Weglassen einer selektiven Verfestigung der Suspension genau im Bereich der späteren mikrofluidischen Strukturen hergestellt werden. Es hat sich herausgestellt, dass mittels additiver Fertigung hergestellte mikrofluidische Bauteile in Form von Fluidventilen die hohen Anforderungen an mechanische Robustheit, Dichtigkeit und zuverlässige Bereitstellung einer fluidischen Kopplungsfunktion erfüllen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das mikrofluidische Bauteil als eines aus einer Gruppe ausgebildet sein, die besteht aus einer Probentrenneinrichtung oder einem Teil einer Probentrenneinrichtung, einem Wärmetauscher und einem Mischer. Bei einer Probentrenneinrichtung zum Trennen einer fluidischen Probe können die mikrofluidischen Strukturen zum Beispiel einem Lumen der Probentrenneinrichtung entsprechen. Auch können bei einer Probentrenneinrichtung die mikrofluidischen Strukturen zum Bilden einer in einer Wandung der Probentrenneinrichtung integrierten Wärmetauscherfunktion dienen. Bei einer anderen Ausgestaltung kann ein solcher Wärmetauscher auch unabhängig von einer Probentrenneinrichtung ausgebildet sein und zum Beispiel mäanderförmige oder helikale mikrofluidische Strukturen aufweisen, die von einem Fluid zum Bewerkstelligen eines Wärmeaustauschs mit einem anderen Fluid durchflossen werden können. Bei einem fluidischen Mischer werden ein oder mehrere fluidische Eingangsströme miteinander vermischt (zum Beispiel an einem fluidischen T-Punkt, Y-Punkt oder X-Punkt) und treten dann als gemischtes Fluid an einem Ausgang der mikrofluidischen Struktur aus.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mikrofluidische Bauteil aus dem Bauteilkörper bestehen. Gemäß der beschriebenen Ausgestaltung kann außer dem Bauteilkörper also keine weitere Komponente vonnöten sein, um das mikrofluidische Bauteil zu bilden. Anders ausgedrückt kann das mikrofluidische Bauteil einstückig ausgebildet sein. Auch sehr komplex gefertigte mikrofluidische Bauteile in einstückiger Ausgestaltung können mittels additiver Fertigung hergestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mikrofluidische Bauteil aus Keramik bestehen. Wenn der gesamte Bauteilkörper nur aus der Keramik besteht, kann die besondere Robustheit des mikrofluidischen Bauteils während des Betriebs durch das keramische Material bereitgestellt werden. Gleichzeitig kann eine solche Keramik eine gute Wärmeleitfähigkeit zeigen. Keramisches Material ist auch bioinert, so dass es selbst in Anwesenheit eines aggressiven chemischen Lösungsmittels oder einer biochemischen Probe weder selbst geschädigt wird noch eine unerwünschte Auswirkung auf die Probe hat. Darüber hinaus lassen sich Keramiken in Pulverform verarbeiten, wobei dieses Pulver während der Herstellung des Grünlings des mikrofluidischen Bauteils mit einem Bindemittel versehen werden kann, das zum Herstellen der Vorform durch eine Laser- oder eine andere Energiequelle selektiv verfestigt werden kann.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das mikrofluidische Bauteil außer der Keramik ein oder mehrere andere Materialien aufweisen, zum Beispiel Reste von verfestigtem Bindemittel, die bei einem Brennen nicht oder nicht vollständig aus dem Körper entfernt worden sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Keramik Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid aufweisen oder daraus bestehen. Aluminiumoxid (Al₂O₃) hat den besonderen Vorteil einer hohen Wärmekapazität. Die Verwendung von Zirkoniumoxid ist besonders vorteilhaft, wenn ein mechanisch sehr robustes und wenig sprödes Material gefordert wird. Es sind auch Kombinationen aus den genannten und/oder anderen pulverförmigen Keramiken möglich, zum Beispiel um die verschiedene Materialeigenschaften zu kombinieren. Auch können aus solchen Gründen Keramikpulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen eingesetzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Aspektverhältnis der mindestens einen mikrofluidischen Struktur mindestens 50, insbesondere mindestens 100, weiter insbesondere zwischen 200 und 400, sein. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Aspektverhältnis“ insbesondere ein Verhältnis aus der Länge einer mikrofluidischen Struktur (also der Pfadlänge, die von dem Fluid beim Durchfließen der mikrofluidischen Struktur durchflossen wird) und einem Durchmesser der mikrofluidischen Struktur (das heißt einer Erstreckungsbreite senkrecht zur Fließrichtung) verstanden werden. Es hat sich herausgestellt, dass die genannten hohen Aspektverhältnisse, die für bestimmte fluidische Funktionen (zum Beispiel einen Wärmetauscher oder eine komplexe fluidische Ventilfunktion) erforderlich sind, mittels additiven Fertigens zuverlässig und einfach herstellbar sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser der mindestens einen mikrofluidischen Struktur in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, sein. Dann kann sichergestellt werden, dass selbst bei Toleranzen des Lasers oder einer anderen Energiequelle zum Aushärten größere Bereiche der mikrofluidischen Struktur vor einem unerwünschten Verfestigen zuverlässig geschützt sind. Dadurch kann ein Verengen oder sogar vollständiges Blockieren der mikrofluidischen Strukturen vermieden werden. Gleichzeitig sind diese geringen Strukturgrößen geeignet, mit geforderten niedrigen Flussraten und begrenzten Fluidvolumina moderner Probentrenngeräte zurecht zu kommen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine mikrofluidische Struktur mindestens eines aus einer Gruppe aufweisen, die besteht aus einem vollumfänglich begrenzten mikrofluidischen Kanal und einer mikrofluidischen Nut. Mit anderen Worten kann die mikrofluidische Struktur ein mikrofluidischer Hohlraum in dem Bauteilkörper sein. Ein solcher Hohlraum kann als Lumen im Inneren des Bauteilkörpers von dem Fluid durchflossen werden. Unter einer Nut wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine längliche rinnenförmige Vertiefung verstanden. Ein Kanal ist in Abgrenzung zu einer Nut ein vollumfänglich begrenzter Hohlraum, der zum Beispiel einen kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt haben kann. Es sind allerdings auch andere mikrofluidische Strukturen möglich, zum Beispiel Poren in einem porösen Volumenabschnitt des Bauteilkörpers.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Grünling ein Anteil des Bindemittels zwischen 20 Gewichtsprozent und 40 Gewichtsprozent betragen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Grünlings. Zum Beispiel kann der Anteil des Bindemittels ungefähr 30 Gewichtsprozent betragen. Als Bindemittel kann zum Beispiel ein UV-aushärtbares Harz eingesetzt werden. In diesem hochviskosen Bindemittel können Keramikpartikel enthalten sein, um die Suspension zu bilden. Während der Laserbehandlung zum Formgeben der Vorform des mikrofluidischen Bauteils wird also ein Teil des Bindemittels verfestigt und bildet dann gemeinsam mit den darin eingeschlossenen Keramikpartikeln die Vorform. Beim Brennen des so entstandenen Grünlings, der sich bereits in einer gewünschten Form befindet, kann dann zum Beispiel zumindest ein Teil des Bindemittels ausgetrieben werden und die keramische Struktur verfestigt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Grünling mittels Brennens in ein mikrofluidisches Bauteil überführbar sein. Das Brennen kann durch Erhöhen der Temperatur in einem Bereich zwischen 800 °C und 1800 °C, insbesondere in einem Bereich zwischen 900 °C und 1600 °C, erfolgen. Zum Beispiel kann das Brennen in einem Brennofen stattfinden. Beim Brennen kann zumindest ein Teil des beim Bilden der Vorform verfestigten Bindemittels aus dem Verbund ausgetrieben werden. Dadurch reduziert sich bei Formtreue des Bauteilkörpers dessen Volumen und Masse gegenüber der Vorform, während sich der relative Keramikanteil erhöht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Probentrenngerät vollständig mittels mikrofluidischer Bauteile mit den oben beschriebenen Merkmalen ausgebildet sein. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das gesamte Probentrenngerät mittels mikrofluidischer Bauteile mit den beschriebenen Eigenschaften hergestellt sein. Alle mikrofluidischen Bauteile des Probentrenngeräts können dann durch additive Fertigung, insbesondere 3D-Druck, hergestellt werden. Auf diese Weise kann ein Probentrenngerät, insbesondere ein Flüssigchromatographiegerät, mit einfachen Mitteln, homogenem Material und geringem Aufwand gefertigt werden. Eine solche Ausgestaltung kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn standardisierte Flüssigchromatographie bezogen auf ganz spezifische Applikationen durchgeführt werden soll, bei denen auf komplizierte Ausgestaltungen der Module des Probentrenngeräts verzichtet werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem Verfahren die Vorform mittels selektiven Aushärtens eines aushärtbaren Bindemittels hergestellt werden, das gemeinsam mit Keramikpartikeln verfestigt wird. Ferner kann das Verfahren ein Entfernen von zumindest einem Teil des ausgehärteten Bindemittels aus der Vorform aufweisen, wodurch das mikrofluidische Bauteil erhalten wird. Insbesondere können speziell jene Bereiche des Bindemittels ausgehärtet werden, bei denen im fertig hergestellten mikrofluidischen Bauteil keine mikrofluidischen Strukturen hergestellt werden sollen. In diesen Bereichen, die von ausgehärtetem Bindemittel freibleiben sollen, verbleibt daher die unverfestigte Suspension aus Bindemittel und Keramikpartikeln, die leicht aus den mikrofluidischen Kanälen ausgespült oder in anderer Weise entfernt werden kann. Das Entfernen des ausgehärteten Bindemittels, vollständig oder teilweise, kann das Volumen des dann fertigen Bauteilkörpers gegenüber dem Volumen der Vorform verkleinern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Entfernen mittels Erhitzens der Vorform bewerkstelligt werden, insbesondere auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 800 °C und 1800 °C. Zum Beispiel kann das Entfernen durch Erhitzen in einem Brennofen bewerkstelligt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann bei dem additiven Fertigen eine Suspension (d.h. eine Materialzusammensetzung mit flüssigem Bindemittel und festen Keramikpartikeln) aus einem durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung selektiv aushärtbaren flüssigen Bindemittel und darin befindlichen Keramikpartikeln durch selektive Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung selektiv ausgehärtet werden, wodurch die Vorform mit der mindestens einen mikrofluidischen Struktur erhalten wird. Dabei kann in einer entsprechenden Apparatur das mikrofluidische Bauteil schichtweise hergestellt werden, indem Suspension oberhalb eines Trägers selektiv verfestigt wird, um eine erste Schicht zu bilden. Nach Absenken des Trägers kann dann ein Laser die darüber befindliche neue Suspensionsschicht zum Bilden einer zweiten festen Schicht selektiv verfestigen und dabei mit der zuvor gefertigten ersten Schicht verbinden. Dies kann mehrmals wiederholt werden, so dass sich Verfestigungssequenzen von Teilen von Suspensionsschichten und Absenksequenzen des Trägers abwechseln. Auf diese Weise kann schließlich die Vorform des Bauteilkörpers erhalten werden, die ausgehärtetes Bindemittel mit darin enthaltenen Keramikpartikeln aufweisen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Aushärten mittels Bestrahlens der Suspension mittels eines Lasers, insbesondere mittels eines UV-Lasers, durchgeführt werden. In anderen Ausgestaltungen kann ein Aushärten auch mit elektromagnetischer Strahlung anderer Wellenlängen erfolgen, zum Beispiel mittels sichtbarem Licht oder mittels Infrarotlicht. Der Laser kann durch eine andere Energiequelle ersetzt werden, welche einen zweidimensionalen Bereich abscannen und dadurch selektiv härten kann, zum Beispiel einen Teilchenstrahl.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine mikrofluidische Struktur durch selektives Nicht-Aushärten des Bindemittels in einem Volumenbereich erhalten werden, welcher der mindestens einen mikrofluidischen Struktur entspricht. Mit anderen Worten verbleiben mikrofluidische Strukturen überall dort, wo die Suspension oder ein anderes Ausgangsmaterial nicht selektiv ausgehärtet worden ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann während des additiven Fertigens die mindestens eine mikrofluidische Struktur in der Vorform mit einer vertikalen Erstreckungsrichtung ausgebildet werden. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, beim additiven Fertigen der Vorform des Bauteilkörpers die zu fertigende mikrofluidische Struktur parallel zu einer Emissionsrichtung des Laserstrahls anzuordnen. Auf diese Weise kann besonders zuverlässig vermieden werden, dass während des Herstellungsverfahrens Abschnitte der herzustellenden mikrofluidischen Struktur unerwünscht mit Material verschlossen werden oder sich im Bereich der mikrofluidischen Struktur durch unerwünschte Materialverfestigung Engstellen bilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das additive Fertigen ein dreidimensionales Drucken aufweisen. Beim dreidimensionalen Drucken können kleine Materialbereiche einzeln auf einen Untergrund aufgedruckt werden und sich miteinander verbinden. Dadurch kann ein mikrofluidisches Bauteil in annähernd jeder Form hergestellt werden. Durch das selektive Freilassen von Volumenabschnitten kann beim dreidimensionalen Drucken eine Kanalstruktur in annähernd jeglicher Form, Größe und Geometrie hergestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Trenneinrichtung als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet sein. Bei einer chromatographischen Trennung kann die Chromatographietrennsäule mit einem Adsorptionsmedium versehen sein. An diesem kann die fluidische Probe aufgehalten werden und erst nachfolgend mit hinreichend Laufmittel (isokratisch) oder bei Anwesenheit einer spezifischen Lösungsmittelzusammensetzung (Gradient) fraktionsweise wieder abgelöst werden, womit die Trennung der Probe in ihre Fraktionen bewerkstelligt wird.
Das Probentrenngerät kann ein mikrofluidisches Messgerät, ein Life Science-Gerät, ein Flüssigchromatographiegerät, eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography), eine UHPLC-Anlage, ein SFC- (superkritische Flüssigchromatographie) Gerät, ein Gaschromatographiegerät, ein Elektrochromatographiegerät und/oder ein Gelelektrophoresegerät sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.
Die Fluidpumpe kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die mobile Phase mit einem hohen Druck, zum Beispiel einige 100 bar bis hin zu 1000 bar und mehr, durch das System hindurch zu befördern.
Das Probentrenngerät kann einen Probeninjektor zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad aufweisen. Ein solcher Probeninjektor kann eine mit einem Sitz koppelbare Injektionsnadel in einem entsprechenden Flüssigkeitspfad aufweisen, wobei die Nadel aus diesem Sitz herausgefahren werden kann, um Probe aufzunehmen, wobei nach dem Wiedereinführen der Nadel in den Sitz die Probe sich in einem Fluidpfad befindet, der, zum Beispiel durch das Schalten eines Ventils, in den Trennpfad des Systems hineingeschaltet werden kann, was zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad führt.
Das Probentrenngerät kann einen Fraktionssammler zum Sammeln der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Fraktionssammler kann die verschiedenen Komponenten zum Beispiel in verschiedene Flüssigkeitsbehälter führen. Die analysierte Probe kann aber auch einem Abflussbehälter zugeführt werden.
Vorzugsweise kann das Probentrenngerät einen Detektor zur Detektion der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Detektor kann ein Signal erzeugen, welches beobachtet und/oder aufgezeichnet werden kann, und welches für die Anwesenheit und Menge der Probenkomponenten in dem durch das System fließenden Fluid indikativ ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein HPLC-System als Probentrenngerät gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stators bzw. Rotors eines Fluidventils als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt eine Fluidverarbeitungsvorrichtung mit einem Fluidventil als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt eine Draufsicht und 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Rotorkomponente eines Fluidventils als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 und 7 zeigen eine dreidimensionale Ansicht eines Wärmetauschers als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 bis 10 zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen eines keramische Partikel aufweisenden und mittels additiver Fertigung hergestellten mikrofluidischen Bauteils gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Vergrößerungen.
11 zeigt eine Apparatur zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils mittels additiver Fertigung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
12 zeigt einen mittels Brennens herbeiführbaren Übergang von einem Grünling als Vorform zu einer Endform eines mikrofluidischen Bauteils gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch.
Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst werden, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet worden sind.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein mikrofluidisches Bauteil, wie zum Beispiel eine Komponente eines fluidischen Ventils (eine Rotorkomponente, eine Statorkomponente oder eine Hochdruckdichtung), mittels dreidimensionalen Druckens oder eines anderen additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Es hat sich herausgestellt, dass mit einem solchen Verfahren Kanäle mit hohem Aspektverhältnis zuverlässig freigehalten werden können. Hierfür kann eine hochviskose Suspension mit Keramikpartikeln als Ausgangsmaterial verwendet werden, wobei das mikrofluidische Bauteil durch selektives Aushärten von präzise auswählbaren Volumenelementen dieser Suspension, gefolgt von einem Brennen, durchgeführt werden kann.
Herkömmlich kann eine Ventilkomponente eines fluidischen Ventils durch Verpressen eines Pulvers gemeinsam mit Paraffin in einem Formwerkzeug hergestellt werden, womit eine Formgebung verbunden ist. Ein so hergestellter Grünling kann dann getempert werden, so dass der Grünling durch das Austreiben des Paraffins an Volumen verliert. Nach einem Reinigungsschritt ist das mikrofluidische Bauteil fertiggestellt. Im Zuge immer kleiner werdender mikrofluidischer Strukturen stoßen derartige Herstellungsverfahren aber an ihre Grenzen. Insbesondere das Ausbilden feiner Kanäle mit immer kleiner werdenden Dimensionen ist mit einem solchen Verfahren bei fortgesetzter Miniaturisierung nur noch eingeschränkt und irgendwann gar nicht mehr möglich.
Um diese Probleme zu überwinden, wird gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ein Grünling für ein mikrofluidisches Bauteil mittels additiven Aufbaus (insbesondere 3D-Drucks) hergestellt. Hierfür kann als Ausgangsmaterial keramischer Schlicker bzw. eine Suspension verwendet werden, die als hochviskose und UV-aushärtbare Flüssigkeit mit dispergierten Keramikpartikeln ausgebildet werden kann. Die Partikelgröße der Keramikpartikel sowie eine räumliche Auflösung eines Lasers zum Aushärten des UV-aushärtbaren Bindemittels bestimmen die Genauigkeit der erzeugbaren Geometrie. Die genannten Parameter sind prozesstechnisch jedoch gut handhabbar. Durch den Laser härtet die Flüssigkeit aus, wobei in den ausgehärteten Bereichen weiterhin Keramikpartikel enthalten verbleiben. Ein so erhaltener Grünling kann weiterverarbeitet werden, indem dieser einem Brennverfahren unterzogen wird. Optional kann der so erhaltene Bauteilkörper einer Nachprozessierung unterworfen werden, zum Beispiel einem Planschleifen, einer Reinigung etc. Auf diese Weise kann eine mikrofluidische Komponente für die HPLC geschaffen werden, die mikrofluidische Kanäle hat. Dies kann zum Beispiel eine Rotorkomponente eines Fluidventils, eine Statorkomponente eines Fluidventils, ein Säulenkörper, ein Wärmetauscher oder ein Mischer sein. Eine typische Kanalbreite solcher mikrofluidischer Bauteile beträgt ungefähr 0,2 mm. Bei solchen Kanalgrößen kann ein Hineinfließen des Schlickers in die Kanäle durch wirkende Kapillarkräfte vermieden werden. Eine typische Länge solcher mikrofluidischer Strukturen beträgt 60 mm. Ein Vorteil derart hergestellter mikrofluidischer Bauteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die besondere Hochdruckstabilität keramischer Materialien, von denen auch das mikrofluidische Bauteil profitiert. Außerdem kann eine Keramik bioinert (da sie metallfrei ist) wirken und erlaubt daher eine große Flexibilität im Umgang mit Fluiden, die im Betrieb durch das mikrofluidische Bauteil geführt werden. Zum Beispiel kann eine Dicke des mikrofluidischen Bauteils, das mittels additiven Fertigens hergestellt ist, bevorzugt unter 1 cm, insbesondere unter 5 mm, betragen. Ein Durchmesser einer solchen mikrofluidischen Komponente kann zum Beispiel kleiner als 4 cm, insbesondere kleiner als 3 cm, sein.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems als Beispiel für ein Probentrenngerät 10, wie es zum Beispiel zur Flüssigkeitschromatographie verwendet werden kann. Eine Fluidpumpe als Fluidantrieb 20, der mit Lösungsmitteln aus einer Versorgungseinheit 25 versorgt wird, treibt eine mobile Phase durch eine Probentrenneinrichtung 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), die eine stationäre Phase beinhaltet. Ein Entgaser 27 kann die Lösungsmittel entgasen, bevor diese dem Fluidantrieb 20 zugeführt werden. Eine Probenaufgabeeinheit 40 mit einem Schaltventil oder Fluidventil 95 ist zwischen dem Fluidantrieb 20 und der Probentrenneinrichtung 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit in den fluidischen Trennpfad einzubringen. Die stationäre Phase der Probentrenneinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probe zu separieren. Ein Detektor 50, zum Beispiel aufweisend eine Flusszelle, detektiert separierte Komponenten der Probe. Ein Fraktionierer 60 kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probe in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Nicht mehr benötigte Flüssigkeiten können in einen Abflussbehälter ausgegeben werden.
Eine Steuereinheit 70 steuert die einzelnen Komponenten 20, 25, 27, 30, 40, 50, 60, 95 des Probentrenngeräts 10.
Ein oder mehrere der Komponenten des Probentrenngeräts 10 gemäß 1 sind als mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut. Gemäß 1 sind dies, wie mit den jeweiligen Bezugszeichen 100 dargestellt, eine Rotorkomponente (siehe Bezugszeichen 114 in 2) und eine Statorkomponente (siehe Bezugszeichen 116 in 2) des Fluidventils 95 sowie ein Säulenkörper 189 (siehe das entsprechende Detail 195 in 1) der Probentrenneinrichtung 30. Jedes dieser mikrofluidischen Bauteile 100 weist einen aus Keramik hergestellten Bauteilkörper 102 sowie fluidische Kanäle als mikrofluidische Strukturen 104 in dem keramischen Bauteilkörper 102 auf. Der jeweilige Bauteilkörper 102 ist mittels additiver Fertigung einer keramische Partikel aufweisenden Suspension mit nachfolgendem Brennen hergestellt (siehe 11 und 12).
Was die Komponenten des Fluidventils 95 anbetrifft, sind die entsprechenden mikrofluidischen Strukturen 104 in 2 dargestellt und beschrieben.
Bei der Probentrenneinrichtung 30 sind mikrofluidische Kanäle oder Strukturen 104 in einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Wandung des Säulenkörpers 189 integrierte Fluidleitungen, durch die eine mobile Phase bzw. eine fluidische Probe fließen kann. Dies ist in 1 in Detail 195 schematisch dargestellt. Zum Bewerkstelligen eines Wärmeausgleichs eines durch die Probentrenneinrichtung 30 fließenden Fluids fließt dieses zunächst von einem Eingang 197 der Probentrenneinrichtung 30 in Richtung hin zu einem Ausgang 198 der Probentrenneinrichtung 30, von dort (zum Beispiel entlang eines in 1 nicht im Detail dargestellten helikalen oder mäandrischen Flusspfads) zurück Richtung Eingang 197, um dann von dort durch chromatographisches Probentrennmaterial 196 geradlinig in einem von dem Säulenkörper 189 umfänglich begrenzten zentralen Lumen radial innerhalb der mikrofluidischen Struktur 104 wieder zurück zum Ausgang 198 zu fließen, wo das Fluid die Probentrenneinrichtung 30 verlässt (siehe die in dem Detail 195 schematisch angezeigte Trajektorie, bei der Pfeile die Fließrichtung anzeigen).
Die in 1 schematisch gezeigte Probentrenneinrichtung 30 zum Trennen einer fluidischen Probe in dem Probentrenngerät 10 weist also den Säulenkörper 189 auf, der das Lumen zum Durchführen der fluidischen Probe zum Trennen der fluidischen Probe begrenzt. Die als Wärmetauscher 118 ausgebildete mikrofluidische Struktur 104 ist in der Wandung des Säulenkörpers 189 integriert. Ein Fluid (zum Beispiel die mobile Phase und/oder die fluidische Probe) fließt (was der schematischen Darstellung gemäß 1 nicht im Detail zu entnehmen ist) beim Durchlaufen der Probentrenneinrichtung 30 vorzugsweise zunächst helikal innerhalb der Wandung des Säulenkörpers 189 der Probentrenneinrichtung 30 um und fließt erst dann durch das Lumen innerhalb der Wandung des Säulenkörpers 189 der Probentrenneinrichtung 30 geradlinig hindurch. Während der helikalen Bewegung entlang einer verlängerten Trajektorie erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem helikal umlaufenden Fluid in der mikrofluidischen Struktur 104 und dem längsströmenden Fluid in dem Lumen durch gut wärmeleitfähiges Material des Säulenkörpers 189. Während des Längsströmens entlang des Lumens durchfließt dann das Fluid die Probentrenneinrichtung 30. Auf diese Weise ist in die Probentrenneinrichtung 30 eine Wärmetauschfunktion integriert.
Bei dem in 1 dargestellten Probentrenngerät 10 kann also insbesondere ein Teil oder das gesamte Fluidventil 95 (siehe Beschreibung zu 2), ein Teil oder die gesamte Probentrenneinrichtung 30 (siehe Beschreibung oben), oder aber auch ein Teil des Detektors 50, eines nicht dargestellten Mischers im Bereich des Fluidantriebs 20, etc. als jeweiliges mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet werden, das mittels additiven Fertigens hergestellt worden ist. Vorzugsweise ist ein Aspektverhältnis der mindestens einen mikrofluidischen Struktur 104 mindestens 50. Das Aspektverhältnis ist dabei als Länge der mikrofluidischen Struktur 104 geteilt durch den Durchmesser der mikrofluidischen Struktur 104 definiert, d.h. geteilt durch den Innendurchmesser der jeweiligen Kapillare.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Fluidventils 95 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Fluidventil 95 ist aus einer Rotorkomponente 114 und aus einer Statorkomponente 116 mit dazwischenliegender ringförmiger Hochdruckdichtung 137 ausgebildet.
Die Rotorkomponente 114 kann relativ zu der Statorkomponente 116 im Betrieb gedreht werden, wie mittels eines Drehpfeils 133 angedeutet. Eine zugehörige Drehachse ist durch Bezugszeichen 135 dargestellt. Um eine fluiddichte Verbindung zwischen der Statorkomponente 116 und der Rotorkomponente 114 zu bewerkstelligen, ist die Hochdruckdichtung 137 zwischen diesen angeordnet und in eine Nut in einer Kontaktoberfläche der Rotorkomponente 114 eingelassen.
Gemäß 2 besteht jedes der beiden mikrofluidischen Bauteile 100 des Fluidventils 95, nämlich die Rotorkomponente 114 und die Statorkomponente 116, aus einem jeweiligen aus Keramik gebildeten Bauteilkörper 102. Zum Beispiel kann das Keramikmaterial Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid sein. Sowohl die Rotorkomponente 114 als auch die Statorkomponente 116 ist als additiv gefertigtes mikrofluidisches Bauteil 100 konfiguriert. Die Statorkomponente 116 und die Rotorkomponente 114 ist jeweils mittels Aushärtens einer UV-aushärtbaren Suspension aus Keramikpartikeln und Bindemittel hergestellt, wobei in Bereichen von mikrofluidischen Strukturen 104 von einer Verfestigung der Suspension lokal abgesehen wird (siehe 11).
Der in 2 dargestellte Innendurchmesser d von einigen von mikrofluidischen Strukturen 104 in beiden mikrofluidischen Bauteilen 100 kann zum Beispiel 0,12 mm betragen. Die mikrofluidischen Strukturen 104 der Rotorkomponente 114 sind zum Teil als vollumfänglich begrenzte mikrofluidische Kanäle (siehe Bezugszeichen 141, 143) und zu einem anderen Teil als mikrofluidische Nuten 139 ausgebildet. Dagegen sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die mikrofluidischen Strukturen 104 der Statorkomponente 116 alle als vollumfänglich begrenzte mikrofluidische Kanäle ausgebildet.
Wie in 2 dargestellt, weist die Rotorkomponente 114 als mikrofluidische Strukturen 104 eine oberflächliche Nut 139, sich vertikal in eine Kontaktoberfläche der Rotorkomponente 114 hinein erstreckende Vertikalkanäle 141 und sich parallel zu der Nut 139 erstreckende Horizontalkanäle 143 auf. In der Statorkomponente 116 sind dagegen Ports in Form von Vertikalkanälen 141 gebildet. An diese Ports können in 2 nicht dargestellte Kapillaren oder andere Fluidleitungen angeschlossen werden, um das Fluidventil 95 mit anderen Komponenten des Probentrenngeräts 10 fluidisch koppeln zu können.
Indem die Rotorkomponente 114 im Betrieb relativ zu der Statorkomponente 116 gedreht wird, können unterschiedliche fluidische Kopplungszustände zwischen den mikrofluidischen Strukturen 104 der Statorkomponente 116 und den mikrofluidischen Strukturen 104 der Rotorkomponente 114 eingestellt werden. Diese unterschiedlichen Schaltzustände korrespondieren mit der Funktion des Fluidventils 95 im Rahmen des Injizierens fluidischer Probe in den Flusspfad zwischen Fluidantrieb 20 und Probentrenneinrichtung 30 gemäß 1.
3 zeigt eine Fluidverarbeitungsvorrichtung 111 mit einem Fluidventil 95 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Eine Nadel 142 ist in einem Sitz 144 angeordnet und kann aus diesem herausgefahren werden (nicht gezeigt), um fluidische Probe aus einem Probenbehälter (nicht gezeigt) einzuziehen und nach Zurückfahren in den Sitz 144 über das Fluidventil 95 in einen fluidischen Pfad zwischen einem Fluidantrieb 20 und einer Probentrenneinrichtung 30 zu injizieren. Beim Einziehen der Probe durch die Nadel 142 kann die Probe zeitweise in einem Zwischenspeichervolumen 147, einer sogenannten Sample Loop, zwischengespeichert werden. Das Einziehen der Probe kann durch eine Dosierpumpe 149 bewerkstelligt werden. Ein Kolben derselben kann zum Einziehen in einer Kolbenkammer zurückfahren und zum Injizieren nach vorne fahren. Ferner sind in 3 ein Waste 165, eine fluidische Restriktion 167, Rückschlagventile 169 und ein Flüssigkeitsbehälter 171 gezeigt. Um die Fluidverarbeitungsvorrichtung 111 zu betreiben, ist das Fluidventil 95 mit Nuten 139 und Vertikalkanälen 141 und optional Horizontalkanälen 143 als Fluidanschlüsse versehen, die in der Rotoreinrichtung 114 bzw. der Statoreinrichtung 116 in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein können. Insbesondere können Fluidleitungen gegenüber einer Papierebene von 3 nach unten versetzt sein, wohingegen ein anderer Teil der Fluidleitungen auch in der Papierebene von 3 verlaufen kann. Dadurch ist ein rotatorisches Schalten des Fluidventils 95 ermöglicht, ohne dass die genannten Fluidleitungen in den unterschiedlichen Ebenen unerwünscht zeitweise mit den direkt fluidisch gekoppelt werden. Derartige mikrofluidische Strukturen 104 sind mittels additiver Fertigung flexibel herstellbar.
4 zeigt eine Draufsicht und 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Rotorkomponente 114 eines Fluidventils 95 als mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt eine Detailansicht der Rotorkomponente 114, die mittels additiven Fertigens hergestellt worden ist. Die mikrofluidischen Strukturen 104 können auch in kleinsten Dimensionen mittels dreidimensionalen Druckens oder eines anderen additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden.
5 zeigt insbesondere, dass mittels additiven Fertigens nicht nur oberflächliche mikrofluidische Strukturen 104 in Form der Nuten 139 und der Vertikalkanäle 141 gebildet werden können, sondern auch im Inneren des Bauteilkörpers 104 solche mikrofluidischen Strukturen (siehe Horizontalkanal 143) vorgesehen werden können.
6 und 7 zeigen eine dreidimensionale Ansicht eines Wärmetauschers 118 als mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt den Wärmetauscher 118 als Beispiel für ein mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mittels additiven Fertigens hergestellt wurde. Das Fluid kann durch eine hier annähernd spiralförmige Trajektorie fließen und dabei einen effizienten Wärmeaustausch vollführen. Indem Keramikpartikel den Bauteilkörper 104 bilden, ist nicht nur eine gute Druckstabilität und eine bioinerte Eigenschaft erreicht, sondern werden auch vorteilhafte thermische Eigenschaften des mikrofluidischen Bauteils 100 erhalten.
7 zeigt noch einmal den Wärmetauscher 118 gemäß 6 ohne Bauteilkörper 102, das heißt nur die im Inneren des Bauteilkörpers 102 befindliche mikrofluidische Struktur 104. Fluid kann über einen Eingang 197 zufließen und über einen Ausgang 198 abfließen, oder umgekehrt.
8 bis 10 zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen eines Keramikpartikel 120 aufweisenden und mittels additiver Fertigung hergestellten mikrofluidischen Bauteils 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die die Keramikpartikel 120 in einer verbleibenden Matrix von Bindemittel 110 darstellt. Aus 8 ist zu entnehmen, dass eine homogene Materialzusammensetzung des dargestellten Bauteilkörpers 102 erreicht ist.
9 zeigt eine Aufnahme einer mikrofluidischen Struktur 104 in dem dargestellten additiv gefertigten mikrofluidischen Bauteil 100. In 9 ist zu erkennen, dass die mikrofluidische Struktur 104 einen sauberen kreisförmigen Querschnitt und somit eine gut definierte Geometrie zeigt.
10 ist eine vergrößerte Darstellung des Bauteils 104 entsprechend 8 und 9.
11 zeigt eine Apparatur 176 zum Herstellen einer Vorform 108 bzw. eines Grünlings 106 eines mikrofluidischen Bauteils 100 mittels additiver Fertigung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei der dargestellten Apparatur 176 ist ein Behälter 171 dargestellt, in dem eine Suspension 173 (auch als keramischer Schlicker bezeichnet) aus Keramikpartikeln 120 und einem flüssigen, aber UV-aushärtbaren Bindemittel 110 eingefüllt ist (siehe Detail 191). Ein Träger 175 befindet sich im Inneren des Behälters 171 und dient dazu, die Vorform 108 des Bauteilkörpers 102 während des Bildens zu tragen. Ein Laser 128 ist zum Emittieren eines UV-Strahls 126 ausgebildet und ist, wie mit Bezugszeichen 177 dargestellt, verfahrbar. 11 zeigt außerdem Schichten 181, 183, 185 der Vorform 108, wie sie durch selektives Verfestigen von Bereichen der Suspension 173 mittels Aushärtens des darin befindlichen Bindemittels 110 durch den UV-Laserstrahl 126 hergestellt werden können. Zum Ausbilden der ersten Schicht 181 befindet sich der Träger 175 knapp unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche der Suspension 173. Der Laser 128 scannt die Oberfläche ab und verfestigt jene Bereiche der Suspension 173, in der keine mikrofluidische Strukturen 104, sondern Bereiche des späteren Bauteilkörpers 102 gebildet werden sollen. Nachdem die erste Schicht 181 gefertigt ist, fährt der Träger 175 um etwa eine Schichtdicke nach unten. Nachfolgend wiederholt der Laser 128 die beschriebene Prozedur durch Abscannen einer weiteren Schicht der Suspension 173 über der ersten Schicht 181. Dadurch wird mittels selektiven Aushärtens der Suspension 173 bzw. präziser des Bindemittels 110 der Suspension 173, die zweite Schicht 183 hergestellt. Die Prozedur wiederholt sich, indem der Träger 175 ein weiteres Mal abgesenkt wird, die dritte Schicht 185 in entsprechender Weise ausgebildet wird, usw. Auf diese Weise kann mittels additiven Fertigens die Vorform 108 des Bauteilkörpers 102 hergestellt werden.
Bei der Prozedur gemäß 11 wird also ein Grünling 106 hergestellt, der die Vorform 108 des Bauteilkörpers 102 aus den Keramikpartikeln 120 und dem mittels elektromagnetischer Strahlung (siehe Bezugszeichen 126) ausgehärtetem Bindemittel 110 darstellt. Durch selektives Nichtverfestigen der Suspension 173 in bestimmten Volumenbereichen der Schichten 181, 183, 185 bleibt im Inneren der Vorform 108 mindestens eine mikrofluidische Struktur 104 zurück.
Zum Beispiel kann ein Anteil des Bindemittels 110 in der Vorform 108 zwischen 20 Gewichtsprozent und 40 Gewichtsprozent betragen. Der Rest kann Keramikmaterial sein. Bei dem additiven Fertigen der Vorform 108 samt mikrofluidischer Strukturen 104, d.h. des Grünlings 106, wird die Suspension 173 aus dem durch Bestrahlung mit der elektromagnetischen Strahlung 126 selektiv aushärtbaren flüssigen Bindemittel 110 und der darin befindlichen Keramikpartikeln 120 durch selektive Bestrahlung selektiv ausgehärtet. Bestrahlte Bereiche der Suspension 173 werden zum Bilden der Vorform 108 ausgehärtet, wohingegen nicht bestrahlte Bereiche der Suspension 173 nicht ausgehärtet werden und daher mikrofluidische Strukturen 104 bilden.
Bevorzugt werden während des additiven Fertigens die mikrofluidischen Strukturen 104 in der Vorform 108 mit einer vertikalen Erstreckungsrichtung ausgebildet. Anders ausgedrückt werden, wie auch in 11 zu erkennen, nicht bestrahlte Abschnitte der einzelnen Lagen 181, 183, 185 so ausgewählt, dass diese gemeinsam eine gemäß 11 vertikal orientierte mikrofluidische Struktur 104 bilden. Es hat sich herausgestellt, dass mit diesem Herstellungsverfahren die ausgebildeten mikrofluidischen Strukturen 104 besonders zuverlässig von irrtümlich oder unerwünscht ausgehärtetem Bindemittel 110 freigehalten werden können.
Die gemäß 11 fertiggestellte Vorform 108 mit der darin befindlichen mindestens einen mikrofluidischen Struktur 104 wird auch als Grünling 106 bezeichnet. Der Grünling 106 kann dann zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils 100 gemäß 12 verwendet werden. Hierfür wird, wie in 12 näher dargestellt, der Grünling 106 mittels Brennens in ein mikrofluidisches Bauteil 100 überführt.
Eine gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzte Suspension 173 kann in einem Lösungsmittel die Keramikpartikel 120, das Bindemittel 110 sowie gegebenenfalls ein oder mehrere weitere Additive in geringen Mengen (zum Beispiel ein Dispergierungsmittel) aufweisen. Als Lösungsmittel kann zum Beispiel Wasser und/oder ein organisches Lösungsmittel wie beispielsweise Alkohol eingesetzt werden. Als Keramikartikel 120 können oxidkeramische Partikel wie zum Beispiel Aluminiumoxid (Al₂O₃) Partikel und/oder Zirkoniumoxid (ZrO₂) Partikel oder Mischungen aus diesen und anderen keramischen Partikeln eingesetzt werden. Zum Beispiel können die Keramikpartikel 120 in der Suspension 173 in einer Menge zwischen 10 Gewichtsprozent und 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 40 Gewichtsprozent und 60 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Suspension 173, enthalten sein. Das Bindemittel 110 kann in der Suspension 173, bezogen auf deren Feststoffgehalt, in einer Menge zwischen 0,1 Gewichtsprozent und 40 Gewichtsprozent, insbesondere zwischen 0,2 Gewichtsprozent und 30 Gewichtsprozent, enthalten sein. Als Dispergierungsmittel kann zum Beispiel eine Carbonsäure eingesetzt werden.
12 zeigt einen Übergang von einem Grünling 106 als Vorform 108 und einer Endform eines mikrofluidischen Bauteils 100 mittels Brennens gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf der linken Seite von 12 ist der gemäß 11 erhaltene Grünling 106 dargestellt. Auf der rechten Seite von 12 ist das fertig hergestellte mikrofluidische Bauteil 100 dargestellt, das durch die im Weiteren näher beschriebene Weiterbearbeitung des Grünlings 106 erhalten wird.
Ist die Vorform 108 des Bauteilkörpers 112 in der Bezug nehmend auf 11 dargestellten Weise hergestellt worden, wird dieser aus dem Behälter 171 entnommen und kann zunächst gereinigt und getrocknet werden. In der Vorform 108 des Bauteilkörpers 102 ist noch eine größere Menge UV-ausgehärteten Bindemittels 110 enthalten, so dass die Vorform 108 noch eine erhebliche Größe hat, vgl. 12 links.
Um die Vorform 108 in das mikrofluidische Bauteil 100 zu überführen, wird dieses einem Brennverfahren unterzogen, das in einem Brennofen bei starker Erhitzung durchgeführt werden kann. Hierdurch wird das ausgehärtete Bindemittel 110 ganz oder teilweise aus der Vorform 108 ausgetrieben, wodurch das mikrofluidische Bauteil 100 erhalten wird. Das Entfernen zumindest eines Teils des Bindemittels 110 aus dem Grünling 106 wird also mittels Erhitzens bewerkstelligt. Indem die Vorform 108 einem Brennverfahren bei erhöhter Temperatur T von zum Beispiel 1400°C unterzogen wird, wird zumindest ein Teil des verfestigten Bindemittels 110 aus der Vorform 108 ausgetrieben, was zu einer Volumenverringerung der Vorform 108 während ihrer Transformation zu dem Bauteilkörper 104 führt. Dies ist in 12 veranschaulicht. Wie ein Detail 191 in 11 und 12 zeigt, ist die Vorform 108 aus den Keramikpartikeln 120 in einer Matrix aus dem verfestigten Bindemittel 110 gebildet. Wie in einem Detail 193 in 12 dargestellt, ist nach dem Brennen das Bindemittel 110 zumindest teilweise entfernt, so dass dicht gepackte Keramikpartikel 120 als Material des Bauteilkörpers 102 verbleiben.
Der keramische Grünkörper oder Grünling 106 kann bei Temperaturen gebrannt werden, die sich aus den verwendeten Keramikmaterialien ergeben. Zum Beispiel kann die Brenntemperatur zwischen 900°C und 1800°C, insbesondere zwischen 1100°C und 1700°C, weiter insbesondere zwischen 1100°C und 1400°C liegen.
Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0309596 B1 [0002]

Claims

Mikrofluidisches Bauteil (100) für ein Probentrenngerät (10), wobei das Bauteil (100) aufweist: einen Keramik aufweisenden Bauteilkörper (102); mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) in dem Bauteilkörper (102); wobei der Bauteilkörper (102) mittels additiver Fertigung, insbesondere mittels dreidimensionalem Drucken, hergestellt ist.
Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 1, ausgebildet als Fluidventil (95) oder Komponente eines Fluidventils (95), insbesondere als Rotorkomponente (114) oder Statorkomponente (116) eines Fluidventils (95).
Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 1, ausgebildet als eines aus einer Gruppe, die besteht aus einer Probentrenneinrichtung (30) oder einem Teil einer Probentrenneinrichtung (30), einem Wärmetauscher (118) und einem Mischer.
Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem einzigen Bauteilkörper (102).
Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus Keramik.
Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei die Keramik Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid aufweist oder daraus besteht; wobei ein Aspektverhältnis der mindestens einen mikrofluidischen Struktur (104) mindestens 50, insbesondere mindestens 100, weiter insbesondere zwischen 200 und 400, ist; wobei ein Innendurchmesser (d) der mindestens einen mikrofluidischen Struktur (104) in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, ist; wobei die mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) mindestens eines aus einer Gruppe aufweist, die besteht aus einem vollumfänglich begrenzten mikrofluidischen Kanal (141, 143) und einer mikrofluidischen Nut (139).
Grünling (106) zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils (100), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Grünling (106) aufweist: eine Vorform (108) eines Bauteilkörpers (102) des mikrofluidischen Bauteils (100), die Keramikpartikel (120) und ein mittels elektromagnetischer Strahlung (126) ausgehärtetes Bindemittel (110) aufweist; mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) in der Vorform (108).
Grünling (106) gemäß Anspruch 7, wobei ein Anteil des Bindemittels (110) zwischen 20 Gewichtsprozent und 40 Gewichtsprozent beträgt, bezogen auf das Gesamtgewicht des Grünlings (106).
Grünling (106) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei der Grünling (106) mittels Brennens in ein mikrofluidisches Bauteil (100), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, überführbar ist.
Probentrenngerät (10) zum Trennen einer fluidischen Probe, wobei das Probentrenngerät (10) aufweist: einen Fluidantrieb (20) zum Antreiben einer mobilen Phase und der darin befindlichen fluidischen Probe; eine Probentrenneinrichtung (30) zum Trennen der fluidischen Probe in der mobilen Phase; ein mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die fluidische Probe und/oder die mobile Phase beim Trennen durch die mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) zu fördern ist.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 10, vollständig ausgebildet mittels mikrofluidischer Bauteile (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 10 oder 11, ferner aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: die Probentrenneinrichtung (30) ist als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet; das Probentrenngerät (10) ist zum Analysieren von zumindest einem physikalischen, chemischen und/oder biologischen Parameter von zumindest einer Fraktion der fluidischen Probe konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist zumindest eines aus der Gruppe auf, die besteht aus einem Gerät zur chemischen, biologischen und/oder pharmazeutischen Analyse und einem Chromatografiegerät, insbesondere einem Flüssigchromatografiegerät, einem Gaschromatografiegerät, einem Gerät für superkritische Flüssigchromatografie, einem HPLC-Gerät und einem UHPLC-Gerät; der Fluidantrieb (20) ist zum Antreiben der mobilen Phase mit einem hohen Druck konfiguriert; der Fluidantrieb (20) ist zum Antreiben der mobilen Phase mit einem Druck von mindestens 100 bar, insbesondere von mindestens 500 bar, weiter insbesondere von mindestens 1000 bar, konfiguriert; das Probentrenngerät (10) ist als mikrofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) ist als nanofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist eine Probenaufgabeeinheit (40) zum Einleiten der fluidischen Probe in einen fluidischen Pfad zwischen dem Fluidantrieb (20) und der Probentrenneinrichtung (30) auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Detektor (50), insbesondere einen Fluoreszenzdetektor oder UV-Absorptionsdetektor, zum Detektieren der getrennten fluidischen Probe auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Probenfraktionierer (60) zum Fraktionieren der getrennten fluidischen Probe auf.
Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils (100), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, für ein Probentrenngerät (10), wobei das Verfahren aufweist: Herstellen einer Vorform (108) eines Bauteilkörpers (102) mittels additiven Fertigens; Bilden mindestens einer mikrofluidischen Struktur (104) in der Vorform (108) während des additiven Fertigens; Überführen der Vorform (108) in das mikrofluidische Bauteil (100) mittels Brennens.
Verfahren gemäß Anspruch 13, aufweisend: Herstellen der Vorform (108) mittels selektiven Aushärtens eines aushärtbaren Bindemittels (110), das mit Keramikpartikeln (120) gemischt ist; Entfernen von zumindest einem Teil des ausgehärteten Bindemittels (110) aus der Vorform (108), wodurch das mikrofluidische Bauteil (100) erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Entfernen mittels Erhitzens der Vorform (108) bewerkstelligt wird, insbesondere auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 800 °C und 1800 °C.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei bei dem additiven Fertigen eine Suspension (173) aus einem durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung (126) selektiv aushärtbarem flüssigen Bindemittel (110) und darin befindlichen Keramikpartikeln (120) durch selektive Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung (126) selektiv ausgehärtet wird, wodurch die Vorform (108) mit der mindestens einen mikrofluidischen Struktur (104) erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Aushärten mittels Bestrahlens der Suspension (173) mittels eines Lasers (128), insbesondere mittels eines UV-Lasers, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) durch selektives Nicht-Aushärten des Bindemittels (110) in einem Volumenbereich erhalten wird, welcher der mindestens einen mikrofluidischen Struktur (104) entspricht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das additive Fertigen ein dreidimensionales Drucken aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei während des additiven Fertigens die mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) in der Vorform (108) mit einer vertikalen Erstreckungsrichtung ausgebildet wird.