Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
So sánh giữa các đặc tính thủy động lực học của các kênh vi đếm bằng nhựa in 3D và silicon được khắc
Tóm tắt
Việc sử dụng công nghệ in 3D như một phương pháp chế tạo vi mô có tiềm năng giải quyết các thách thức hiện tại trong các ứng dụng vi chất lỏng, bao gồm tạo mẫu nhanh, bố trí kênh phức tạp và đóng kín. Các đặc tính thủy động lực học của các mảng kênh vi khắc silicon và kênh vi in 3D đã được thử nghiệm thực nghiệm trong tài liệu này. Các quy trình chế tạo silicon truyền thống sử dụng kỹ thuật ăn mòn ion sâu (DRIE) và ăn mòn ướt (KOH) được sử dụng làm tiêu chuẩn so sánh. Các hình dạng mặt cắt ngang hình chữ nhật, hình thang và hình tròn đã được xem xét. Các mảng kênh được in 3D theo chiều dọc và chiều ngang để kiểm tra ảnh hưởng của hướng in lên các đặc tính của kênh. Các đặc tính này bao gồm diện tích mặt cắt ngang (CSA), các đặc điểm bề mặt và hành vi áp suất - dòng chảy. Các kênh silicon khắc được phát hiện có kích thước vượt trội, với sự khác biệt giữa các kênh về CSA là 2,7 và 5,0 % tương ứng cho DRIE và KOH. Các mảng kênh vi in 3D cho thấy độ phân tán lớn hơn về CSA (6,6–20 %), với phương pháp in theo chiều dọc tạo ra độ đồng nhất kích thước cao hơn so với chiều ngang. Các mảng kênh vi in 3D có giá trị CSA nhỏ hơn so với giá trị danh nghĩa, với một đặc điểm rõ ràng của phương pháp in ngang là độ nhám thêm của thành bên dẫn đến biến dạng hình dạng. Các phép đo thủy động lực học cho thấy các mảng kênh vi khắc silicon tương thích với lý thuyết dòng chảy vĩ mô (trong khoảng ±10 % cho DRIE và KOH, tương ứng) sử dụng dữ liệu hình học danh nghĩa. In 3D theo chiều dọc tạo ra các kênh có độ chính xác thấp hơn với sự khác biệt lên tới 24,5 % giữa hình học thực tế và đầu vào danh nghĩa. Các kênh vi in ngang được phát hiện có sự khác biệt lớn hơn đáng kể lên tới 103,8 %. Sử dụng dữ liệu hình học đã đo, lý thuyết cung cấp một dự đoán hợp lý về hiệu suất thủy động lực học của các kênh in. Kết luận rút ra là in 3D theo chiều dọc vượt trội hơn so với phương pháp in 3D theo chiều ngang để tạo ra các mảng kênh vi nhằm vận chuyển chất lỏng. Kết quả này hữu ích cho những người thực hành sử dụng in 3D trong chế tạo vi mô và các ứng dụng vi chất lỏng nhanh chóng.
Từ khóa
#in 3D; chế tạo vi mô; kênh vi; thủy động lực học; silicon không ăn mònTài liệu tham khảo
Agostini B, Fabbri M, Park JE, Wojtan L, Thome JR, Michel B (2007) State of the art of high heat flux cooling technologies. Heat Transf Eng 28(4):258–281
Bonyár A, Sántha H, Ring B, Varga M, Gábor Kovács J, Harsányi G (2010) 3D rapid prototyping technology (RPT) as a powerful tool in microfluidic development. Procedia Eng 5:291–294
Eason C, Dalton T, Davies M, O’Mathna C, Slattery O (2005a) Direct comparison between five different microchannels, part 1: channel manufacture and measurement. Heat Transf Eng 26(3):79–88
Eason C, Dalton T, Davies M, O’Mathna C, Slattery O (2005b) Direct comparison between five different microchannels, part 2: experimental description and flow friction measurement. Heat Transf Eng 26(3):89–98
Guo ZY, Li ZX (2003) Size effect on microscale single-phase flow and heat transfer. Int J Heat Mass Transf 46(1):149–159
Ippolito R, Iuliano L, Gatto A (1995) Benchmarking of rapid prototyping techniques in terms of dimensional accuracy and surface finish. CIRP Ann Manuf Technol 44(1):157–160
Kandlikar SG (2006) Chapter 3—single-phase liquid flow in minichannels and microchannels. In: Kandlikar SG, Garimella S, Li D, Colin S, King MR (eds) Heat transfer fluid flow in minichannels and microchannels. Elsevier Science Ltd, Oxford, pp 87–136
Kays W, London A (1984) Compact heat exchangers. McGrawHill, Noida
Kline SJ, McClintock FA (1953) Describing uncertainties in single-sample experiments. Mech Eng 75:3
Krejcova L, Nejdl L, Rodrigo MAM, Zurek M, Matousek M, Hynek D, Zitka O, Kopel P, Adam V, Kizek R (2013) 3D printed chip for electrochemical detection of influenza virus labeled with CdS quantum dots. Biosens Bioelectron 54C:421–427
Kruth JP, Vandenbroucke B, Vaerenbergh JV, Mercelis P (2005) Benchmarking of different sls/slm processes as rapid manufacturing techniques. In: Proceeding of the international conference of polymers and mould innovations
Li ZX (2003) Experimental study on flow characteristics of liquid in circular microtubes. Microscale Thermophys Eng 7(3):253–265
Mala GM, Li D (1999) Flow characteristics of water in microtubes. Int J Heat Fluid Flow 20(2):142–148
Martynova L, Locascio LE, Gaitan M, Kramer GW, Christensen RG, Wa MacCrehan (1997) Fabrication of plastic microfluid channels by imprinting methods. Anal Chem 69(23):4783–4789
McCullough EJ, Yadavalli VK (2013) Surface modification of fused deposition modeling ABS to enable rapid prototyping of biomedical microdevices. J Mater Process Technol 213(6):947–954
McDonald JC, Chabinyc ML, Metallo SJ, Anderson JR, Stroock AD, Whitesides GM (2002) Prototyping of microfluidic devices in poly(dimethylsiloxane) using solid-object printing. Anal Chem 74(7):1537–1545
Moore JL, McCuiston A, Mittendorf I, Ottway R, Johnson RD (2010) Behavior of capillary valves in centrifugal microfluidic devices prepared by three-dimensional printing. Microfluid Nanofluid 10(4):877–888
Muzychka Y, Yovanovich M (2009) Pressure drop in laminar developing flow in noncircular ducts: a scaling and modeling approach. J Fluids Eng 131(1):111,105
Paydar O, Paredes C, Hwang Y, Paz J, Shah N, Candler R (2014) Characterization of 3d-printed microfluidic chip interconnects with integrated o-rings. Sens Actuators A Phys 205:199–203
Pfund D, Rector D, Shekarriz A, Popescu A, Welty J (2000) Pressure drop measurements in a microchannel. AIChE J 46(8):1496–1507
Wang RJ, Wang L, Zhao L, Liu Z (2007) Influence of process parameters on part shrinkage in sls. Int J Adv Manuf Technol 33(5–6):498