Mikrofluidische Systeme

Bei der Prozessentwicklung liegt der Schwerpunkt auf der schnellen und flexiblen Herstellung einer kleinen Anzahl von Prototypen mikrofluidischer Geräte zur Bewertung. Es wird ein "Konzeptnachweis" für die Herstellung eines Geräts erbracht, das die Leistungsanforderungen erfüllt, und es können mehrere Iterationen des Produktdesigns, der Tests und der Optimierung durchgeführt werden, bevor das Design des Geräts endgültig festgelegt wird. Da sich die Konstruktionsparameter des mikrofluidischen Geräts im Laufe dieser Phase in der Regel ändern, werden direkte Bearbeitungs- oder Laserfertigungsverfahren, die eine schnelle Änderung der Abmessungen ermöglichen, gegenüber teuren, durchsatzstarken, aber weniger flexiblen formgebundenen Herstellungsverfahren bevorzugt. Direkte Bearbeitungsmethoden ermöglichen auch die Herstellung von Teilchipdesigns, die schneller herzustellen sind und das schnelle Screening von schwierigen Merkmalen wie Mikrokanälen und Säulen ermöglichen. Das Hauptziel der Prozessentwicklung besteht darin, die korrekten Konstruktionsspezifikationen des Bauelements in der Anwendung vor dem Scale-up festzulegen. Da in dieser Phase häufig Änderungen an den Designparametern vorgenommen werden, sind sowohl die Flexibilität als auch die Geschwindigkeit der Fertigung von größter Bedeutung. Sobald der Prototyp fertiggestellt ist, kann Potomac zusätzliche Schichten aufbringen, Abdeckungen aufkleben und Anschlusslöcher bohren.

Mit dem Scale-up werden zwei Ziele verfolgt: erstens die Erhöhung des Volumens und die Senkung der Stückkosten und zweitens die Entwicklung des Know-hows, das für die Skalierung des Prozesses auf kommerzielle Mengen erforderlich ist. Für mikrofluidische Geräte auf Polymerbasis werden zu diesem Zweck üblicherweise Verfahren wie Heißprägen und Spritzgießen eingesetzt. Die Entwicklung einer effektiven Scale-up-Lösung für ein mikrofluidisches Gerät erfordert jedoch ein Verständnis des integrierten Mikrofabrikationssystems, das nicht nur die oben erwähnten Replikationsprozesse umfasst, sondern auch die Operationen nach der Replikation wie Kleben, Oberflächenbehandlung und Schnittstellen u0026amp; Verbindung. Darüber hinaus ist ein Verständnis der wirtschaftlichen Aspekte der Mikrofertigung erforderlich, insbesondere des Verhältnisses zwischen Stückkosten und Volumen, das ausschlaggebend für die Entscheidung ist, wann von einem Batch- zu einem kontinuierlichen Betrieb und von einer Replikationstechnologie wie dem Heißprägen zu einer anderen wie dem Mikrospritzgießen übergegangen werden soll. Um diese kritischen Entscheidungen zu ermöglichen, wird ein techno-ökonomisches Modell entwickelt, das es dem Ingenieur ermöglicht, Sensitivitätsanalysen für verschiedene Produktionsszenarien durchzuführen. Viele Ingenieure machen den Fehler anzunehmen, dass der Übergang zu einer Replikationstechnologie mit höherem Volumen automatisch zu einer Senkung der Stückkosten führt; tatsächlich werden die minimalen Stückkosten in der Regel von den anderen Prozessen des Mikrofabrikationssystems wie Kleben, Oberflächenbehandlung und Verbindungstechnik bestimmt. Das wirtschaftlichste Mikrofabrikationssystem passt die geeigneten Fertigungstechnologien an das gewünschte Fertigungsvolumen an und beseitigt "Engpässe" im Prozess. Als Faustregel kann man davon ausgehen, dass die Stückkosten des Bauelements bei einem gut konzipierten System nach dem Scale-up um eine Größenordnung sinken. Ein gut konzipiertes Mikrofabrikationssystem ermöglicht auch einen reibungslosen Übergang zu Technologien mit höheren Stückzahlen, wenn die Produktionsanforderungen dies erfordern.

A critical objective of scale-up is to design the microfabrication system for commercial volumes and the integrated microfabrication system should be designed to deliver the microfluidic product at the minimum unit cost for the specified volume.  Equally important is that the system be designed to allow for scale-up to larger volumes once product demand increases. As mentioned above, this can only be achieved with a thorough analysis of the microfabrication system that provides insight on how the individual operations impact the integrated system at different production volumes as well as a cost model that models the unit cost as a function of production volume.rnrnu003c/divu003ernu003cdivu003eThe purpose of technology transfer is two-fold; to transfer the commercial microfabrication process defined during scale-up to manufacturing and secondly to develop the Process Technology Package (PTP) for future scale-up when production volumes increase. Technology transfer to manufacturing first and foremost entails developing the standard operating procedures (SOPs) for each operation of the microfabrication system. In addition, it entails training operators and technicians to achieve the Key Performance Indicators (KPIs) that include quality control, yield and cycle time repeatably and consistently. As a rule of thumb, you can expect that at the conclusion of technology transfer the unit cost will be further reduced by a factor of 2 or greater. Eventually the scale of the microfabrication system may need to increase to accommodate increasing demands for your product and with proper foresight the system will have been designed to enable a smooth transition to higher volume manufacturing. Development of a technoeconomic model for the microfabrication system as described above will enable you to anticipate in advance the next generation of technologies that will be required and the current processes that will need to be optimized in order to further scale-up manufacturing. Using this insight, microfabrication engineers can customize the development effort to collect relevant data for that purpose during the scale-up phase. This data would become an integral part of the Process Technology Package for use when production requirements increase.