Verbundprojekt: Umformung von Folien mit bereits aufgebrachten elektronischen Komponenten zur Herstellung von Lab-on-a-Chip-Testträgern mit erweiterten Funktionalitäten - SmartLab2 in der Fördermaßnahme KMU-innovativ Produktionsforschung

Abstract

Kurzfassung (Gemeinsam, alle Projektpartner): Das Projekt SmartLab2 verfolgte das Ziel, ein wirtschaftlich attraktives Herstellungsverfahren für die Produktion von intelligenten, sensorbasierten Probengefäßen zu entwickeln. Das neuartige Herstellungsverfahren besteht darin, das Sensorsystem auf einen Grundkörper zu drucken und diesen dann zum fertigen Probengefäß zu formen. Eine wesentliche Innovation ist die Verwendung einer leitfähigen Tinte in Kombination mit der simulierten Verformung von 2D- zu 3D-Strukturen, wodurch eine homogene Leitfähigkeit der Leiterbahnen nach dem Thermoformen erreicht wird. Dies ermöglicht eine kosteneffiziente Produktion von intelligenten Probengefäßen. addSensors GmbH stellte neben der Koordination des Projekts die Anforderungen an den Testträger, sowie Konstruktionen und Elektroden-Layout für die ersten Prototypen. Die SimpaTec Engineering GmbH entwickelt eine Thermoform-Simulationsmethodik zur Vorhersage des erforderlichen Designs der leitfähigen Schicht vor dem Prozess, indem sie die Verformung und den Effekt der Metalltinte, die während des Prozesses auf der Materialplatte auftreten, einbezieht und ein neues Materialmodell & Charakterisierungsverfahren verwendet. OrelTech GmbH entwickelt leitfähige Gold- und Platintinten für die Elektroden. Diese müssen fein gedruckt werden, eine hohe Leitfähigkeit aufweisen und den physikalischen Anstrengungen des Thermoformens standhalten. Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. entwickelte in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Thermoformprozesse, abgestimmt auf die Anforderungen an Material, Tinten und Positionierung. Auf Basis dieser Prozesse werden Prototypen hergestellt und für weitere Prüfungen hinsichtlich der geforderten Eigenschaften untersucht und die Erkenntnisse in die weiteren Prozessanpassungen der Projektpartner übertragen. Aufgabenstellung: Das Projekt umfasst 9 Arbeitspakete (AP), die zur Entwicklung innovativer Lösungen im Bereich Laborkonsumgüter mit integrierter Sensorik beitragen. Zu Beginn werden Spezifikationen definiert, um Anforderungen und Ziele klar zu definieren. Anschließend erfolgt die Materialauswahl und -evaluierung bei der geeignete Materialien ausgewählt und genau evaluiert wurden. Die Thermoformsimulation berechnet Verzerrungen bei der Herstellung von Formteilen, um diese zu optimieren. Ebenfalls entwickelt wird spezielle Tinten für Laborkonsumgüter durch die Tintenentwicklung. Eine weiterer Schritte ist die Ausrichtung von Folie zu Formwerkzeug, bei der ein Verfahren zum Positionieren der bedruckten Verarbeitungsfolie beim Thermoformen optimiert wird. Die Ergebnisse dieser Arbeitspakete werden dann im Funktionsmuster kombiniert und ihre Gültigkeit überprüft. Anschließend erfolgt die Übertragung auf komplexere Strukturen (Prototypen), bei der erfolgreiche Methoden auf anspruchsvollere Anwendungen übertragen werden. Diese führen zu Designregeln, die als Leitlinien für zukünftige Entwicklungen, wie Mehrlagenverbünde dienen soll. Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn des Vorhabens: Die Firma addSensors produziert und vertreibt folienbasierte Sensoren, welche mit verschieden Fertigungstechnologien (Siebdruck, InkJet etc.) hergestellt werden. Jedoch wird mit diesen Fertigungsverfahren lediglich eine planare Oberfläche adressiert, bei 3D-Strukturen muss ein kostenintensives (unwirtschaftliches) schreibendes Verfahren verwendet werden. Das Blisterverfahren (im Folgenden auch unter dem allgemeineren Begriff Thermoformen) stellt eine etablierte Technologie zur Herstellung von Einwegartikeln (z.B Verpackungen) dar, welche sich durch eine hohe Kosteneffizient und Skalierbarkeit auszeichnet. In der Mikrofluidik fand die Technologie in einer abgewandelten Form als Mikrothermoformen Anwendung, welche einen stärkeren Schwerpunkt auf die formtreue Wiedergabe von kleinen Strukturen (um die 20 μm) hat. Durch den vorverstreckten Druck von funktionalen Strukturen aus leitfähiger Tinte auf ein Foliensubstrat mit nachfolgendem Thermoformprozess soll eine Herstellmethode entwickelt werden, welche kosteneffizient funktionale Einwegartikel herstellen kann. Wesentliche Ergebnisse im Überblick: Im Rahmen des Projekts wurden von den Projektpartnern die folgenden, nach AP gegliederten Ergebnisse erzielt. AP1: Spezifikationen mit Anforderungen an Leitfähigkeit und Materialbeschaffenheiten wurden erstellt und in den nachfolgenden APs in einem Prototyp umgesetzt. AP2,3,4: In den zusammenhängenden Arbeitspaketen wurden Materialien und Tintenkombinationen identifiziert, mit welchen ein erster Prototyp hergestellt werden konnte. Dies umfasst die Entwicklung von Thermoform-Prozessen, mit denen die bedruckten Materialien ohne größere Defekte umgeformt werden können und Designrichtlinien für den Druck der leitfähigen Strukturen. AP5: Strukturen zur Ausrichtung der Elektroden wurden in die Designrichtlinien, für das Layout der leitfähigen Strukturen und Thermoform-Werkzeuge integriert. AP6: Auf Basis der vorangegangenen APs wurden erste Prototypen hergestellt, welche die Erkenntnisse dieser zusammenführen. AP7: Komplexere Strukturen und Mehrlagenverbünde konnten in der Projektlaufzeit nicht mehr umfassend bearbeitet werden. Zusammenfassend wird das Projekt als erfolgreich bearbeitet angesehen. Es wurden die meisten Ziele der Arbeitspakete erreicht. Weitere Verbesserungen wie eine Integration des simulierten Elektroden-Designs können einfach angeschlossen werden.