Name: micro-masonry for 3d additive micromanufacturing
Uploaded: 2014-08-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 45 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing at JoVE.com

This work was supported by the NSF (CMMI-1351370).

מסכות עיצוב 1. לייצור של תשתית תורמות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה עם גיאומטריה רצויה. לפברק 100 x 100 מיקרומטר יחידות בודדות מיקרומטר מרובעים סיליקון, לצייר מערך של 100 מיקרומטר x 100 מיקרומטר ריבועים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה שנייה עם גיאומטריה זהה, כאשר כל צד הארכה החוצה 15 מיקרומטר נוסף. למערך של 100 מיקרומטר x 100 מיקרומטר ריבועים, לצייר מערך של 130 מיקרומטר x 130 מיקרומטר ריבועים שיכולים לכסות את הריבועים בשלב 1.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב הגיאומטריה העוגן. לצייר ארבעה 20 מיקרומטר x 40 מיקרומטר מלבנים, כל אחד מרוכז לאורך קצה אחד של כיכר. הנח את המבנים כך ש15 מיקרומטר הראשון מכסה את 100 מיקרומטר המקורי x 100 מיקרומטר המרובע בשלב 1.1 ו25 מיקרומטר שנותר משתרע כלפי חוץ (כפי שמוצג באיור 2). הערה: כל צורה וממדים יכולים לשמש עוד אנשי הקשר העוגן גם את החומר בדוגמת ואת המצע. קצה אחד של עוגן זה מכסה את המקורהגיאומטריה אל בשלב 1.1 ואת הקצה השני צריכה להרחיב את הגיאומטריה בשלב 1.2. </li></ol> 2. הכן תשתית תורמות לשחזור <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן סיליקון מסומם מסוג p ברקיק מבודד (SOI) בעובי של 3 מיקרומטר מכשיר שכבה, עם התנגדות גיליון של 1-20 עובי שכבת תחמוצת סנטימטר • Ω וקופסא של 1 מיקרומטר. הערה: ליישומים שונים ניתן לשנות פרמטרים אלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר העבה) ולצרף את המסכה שנועדה בשלב 1.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש בתחריט יון תגובה (ורי) מכשיר, דפוס שכבת המכשיר של פרוסות סיליקון SOI ולהסיר מסיכת photoresist. לאחר שלב זה, האזור חרוט רי חשף את שכבת תחמוצת התיבה (איור 2 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) דפוס ועם מסכה שנועדה בשלב 1.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחממים את פרוסות ב125 מעלות צלזיוס במשך 90 שניות על פלטה חשמלית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את פרוסות לתוךHF 49% ל50 שניות כדי לחרוט את שכבת תחמוצת התיבה נחשפה מצעד 2.3. לאחר ייבוש מוחלט, הסר את photoresist המיסוך (איור 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) ודפוס עיצוב העיגון משלב 1.3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחממים את פרוסות ב125 מעלות צלזיוס במשך 90 שניות על פלטה חשמלית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול לתוך HF 49% ל50 דקות. צעד זה etches שכבת תחמוצת התיבה שנותרה מתחת לסיליקון שכבת מכשיר בדוגמת שנותר, וכתוצאה מיחידות בודדות סיליקון תלויים על photoresist (איור 2 ג). </li></ol> 3. מסכות עיצוב לבול microtip <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה עם 100 מיקרומטר אחד x 100 מיקרומטר מרובע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה עם מיקרומטר 12 x 12 מיקרומטר ריבועים מרובים בתוך אזור מיקרומטר x 100 100 מיקרומטר. </li></ol> 4. להפוך את התבנית לבול microtip <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לנקות את פרוסות סיליקון עם אורינטצית גבישים של &lt;1-0-0&gt;, Depoלשבת של סיליקון ניטריד 100 ננומטר באמצעות פלזמה משופרת כימית החמקן הפקדת ציוד (PECVD). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) דפוס ועם מסכה שנועדה בשלב 3.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תבנית שכבת סיליקון ניטריד באמצעות 10:01 נאגר אוקסיד etchant (BOE). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממיסים 80 גרם של אשלגן הידרוקסידי (KOH) ב170 מיליליטר של מים deionized ו40 מיליליטר של אלכוהול תערובת (IPA) כוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחממים את KOH, IPA, ותערובת מים על 80 מעלות צלזיוס על פלטה חשמלית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במאונך למקם את פרוסות מוכנות בכוס עם תערובת KOH כדי לחרוט הסיליקון החשוף במבנה הגבישי (שיעור תחריט הוא סביב 1 מיקרומטר / min). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר הסיליקון החשוף חקוק במלואם, להסיר את רקיק מתערובת KOH, לחרוט משם סיליקון ניטריד באמצעות HF, ולבצע RCA 1 וRCA 2 ניקיון (איור 3 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ספין מעיל עם SU-8 100 ודפוס עם המסיכה מוכנה משלב 3.1 עם המתכון הבא: 3,000 rבערב 1 דקות, לאפות רך על 65 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות ו95 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות, לחשוף עם 550 mJ / 2 סנטימטר, והודעה אופה בחום של 65 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות ו95 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות (איור 3B ). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר SU-8 100 הוא נרפא לחלוטין, להחיל monolayer של (octyl ,1,2,3-tetrahydro tridecafluoro-1)-1-trichlorosilane ידי הטלת 3-5 טיפות (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetrahydro octyl)-1-trichlorosilane לתוך צנצנת ואקום והצבת רקיק בצנצנת וליישם את הוואקום. </li></ol> 5. כפל בול microtip שימוש עובש <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים polydimethylsiloxane בסיס (PDMS) וסוכן ריפוי עם היחס של 5:1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דגה את התערובת על ידי הצבתו בתוך צנצנת ואקום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים חלק קטן מתערובת PDMS degassed על התבנית ולתת reflow PDMS כדי להשיג משטח עליון שטוח (איור 3 ג). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את התבנית עם PDMS בתנור ב C ° 70 לשעה 2 כדי לרפא לחלוטין PDMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את התבנית מןתנור ולקלף את PDMS (איור 3D). </li></ol> 6. אחזר דיו מהתשתית התורם והדפסה באזור היעד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מצע התורם על שלבים ממונעים סיבובי וx, y-תרגום מצויד במיקרוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף את חותמת microtip לבמת translational האנכי עצמאית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתחת למיקרוסקופ, ויישר את חותמת microtip עם דיו סי על מצע התורם באמצעות translational ושלבי סיבוב. יתר על כן, לעשות יישור ההטיה בין משטח microtip והדיו Si ידי התאמת שלב הטיה. לאחר מכן, להביא את חותמת microtip למטה כדי ליצור קשר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאט לאט מביא את חותמת microtip מטה נוסף לאחר יצירת קשר ראשוני, כך שטיפים קטנים התמוטטו באופן מלא והשטח כולו הוא במגע עם דיו סי על מצע תורם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במהירות להעלות את שלב z, לשבור את העוגנים בשל שטח מגע הגדול בין חותמת microtip והדיו Si, לretrieve דיו Si מן מצע התורם ולצרף אותו לחותמת microtip. הערה: כאשר חותמת microtip היא חופשית מכל לחץ, microtip הדחוס משחזר לצורת הפירמידה המקורית שלה, מה שהופך את קשר מינימאלי עם דיו Si מאוחזר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מצע המקלט על x, y-שלב תרגום וליישר את דיו Si אחזר תחת חותמת microtip במיקום הרצוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יורד בשלב z עד שדיו Si לאחזר בקושי יוצר קשר עם מצע המקלט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר יצירת קשר, להעלות לאט את שלב z כדי לשחרר את דיו Si, מדפיס אותו על המיקום הרצוי. </li></ol> 7. תהליך מליטה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תכנית תנור מהיר חישול תרמית למחזור מRT עד 950 מעלות צלזיוס ב90 שניות, תישאר ב950 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות ולקרר לRT (על ידי הסרת כל אספקת חום בתנור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מצע המקלט המודפס בכבשן בסביבת סביבת אוויר ולחשל ב950 °צלזיוס למשך 10 דקות למליטת Si-Si או ב-C ° 360 ל30 דקות למליטת Si-Au. </li></ol>

<ol>
	<li>Stix, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+&#8220;Point+one.">Toward &#8220;Point one.</a> Sci Am. Feb. , 90-95 (1995).</li><li>Appenzeler, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Man+Who+Dared+to+Think+Small.">The Man Who Dared to Think Small.</a> Science. 254, 1300-1301 (1991).</li><li>Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+Microfabrications+The+Science+of+Miniaturization.">Fundamentals of Microfabrications The Science of Miniaturization.</a> , (2002).</li><li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Lithography.">Soft Lithography.</a> Angew Chem Int Ed. 38, 551-575 (1998).</li><li>Judy, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microelectromechanical+systems+(MEMS)+fabrication,+design+and+applications.">Microelectromechanical systems (MEMS) fabrication, design and applications.</a> Smart Mater Struct. 10, 1134-1154 (2001).</li><li>Jain, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Micromanufacturing Process. , (2012).</li><li>Keum, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+micro-masonry+using+elastomeric+stamps+for+three-dimensional+microfabrication.">Silicon micro-masonry using elastomeric stamps for three-dimensional microfabrication.</a> J Micromech Microeng. 22, 55018 (2012).</li><li>Keum, H., Chung, H., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+Contact+at+The+Interface+between+Silicon+and+Transfer-Printed+Gold+Films+by+Eutectic+Joining.">Electrical Contact at The Interface between Silicon and Transfer-Printed Gold Films by Eutectic Joining.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 5, 6061 (2013).</li><li>Keum, H., Seong, M., Sinha, S., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatically+Driven+Collapsible+Au+Thin+Films+Assembled+Using+Transfer+Printing+for+Thermal+Switching.">Electrostatically Driven Collapsible Au Thin Films Assembled Using Transfer Printing for Thermal Switching.</a> Appl Phys Lett. 100, 211904 (2012).</li><li>Klaassen, E. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+and+deep+reactive+ion+etching:+a+new+technology+for+microstructures.">Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures.</a> Sens Actuators A. 52, 132-139 (1996).</li><li>Barth, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+for+fabrication+of+sensors+actuators+and+microstructures.">Silicon fusion bonding for fabrication of sensors actuators and microstructures.</a> Sens Actuators. A21 - A23, 919-926 (1990).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

מיקרו בנייה, מוצגת באיור 4, כרוך מליטה היתוך סיליקון בצעד מליטה חומר. המליטה היתוך הסיליקון מושגת על ידי הצבת הדוגמא בתנור חישול תרמית מהירה (תנור להרכבה עצמית) וחימום המדגם ב950 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. מצב חישול זה גם לאימוץ בין סי - סי וסי - SiO 2 המליטה <sup...

מערכות מייקרו (MEMS), כגון המזעור של מכונות 3D רגילות בקנה מידה גדולה, הם חיוניים לקידום טכנולוגיות מודרניות על ידי אספקת שיפורי ביצועים ו1,2 הפחתת עלות ייצור. עם זאת, בקצב הנוכחי של התקדמות טכנולוגית בMEMS לא יכול להישמר ללא חידושים מתמידים בטכנולוגיות ייצור 3-6. microfabrication מונוליטי הנפוץ מסתמך בעיקר על שכבה אחר שכבת תהליכים שפותחו עבור הייצור של מעגלים משולבים (IC). שיטה זו הייתה מוצלחת למדי הבמאפשר ייצור המוני של התקני MEMS ביצועים גבוהים. עם זאת, בשלה מורכב שכבה אחר שכבה וטבע אלקטרוכימי תוסף, ייצור של מבני 3D MEMS diversely בצורת והתקנים, ואילו קל בmacroworld, הוא מאוד מאתגר להשיג באמצעות microfabrication מונוליטי זה. כדי לאפשר microfabrication 3D גמיש יותר עם מורכבות פחות תהליך, אנחנו developed אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה &quot;מיקרו / ננו בנייה &#39;), אשר כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול. העברת הדפסה היא שיטה להעברת חומרים מוצקים microscale (כלומר, &#39;דיו מוצק&#39;) ממצע שבו הם נוצרו או גדלו מצע שונה באמצעות הדבקה יבשה מבוקרת של בולי אלסטומרי. ההליך האופייני למייקרו בנייה מתחיל עם העברת הדפסה. דיו מוצק טרומי הוא העברה המודפסת באמצעות חותמת microtip שהיא צורה מתקדמת של בולי אלסטומרי והמבנים המודפסים לאחר מכן הם annealed באמצעות חישול תרמית מהיר (להרכבה עצמית) כדי לשפר את דיו דיו והידבקות דיו מצע. גישת ייצור זה מאפשרת הבנייה של מבנים חריגים microscale ומכשירים שלא ניתן לאכלס באמצעות metho הקיים אחר7 DS. מיקרו בנייה מספקת מספר תכונות אטרקטיביות לא קיימים בשיטות אחרות: (א) את היכולת לשלב דיו מוצק תפקודי והמבני של חומרים שונים כדי להרכיב חיישני MEMS ומפעילה משולבים בתוך כל מבנה 3D; (ב) את הממשקים של דיו מוצק שנאסף יכולים לתפקד כמו מגעים חשמליים ותרמית 9,10; (ג) ברזולוציה מרחבית ההרכבה יכולה להיות גבוהה (~ 1 מיקרומטר) על ידי ניצול תהליכי יתוגרפיות הפערים מדרגי והבינו היטב ליצירת דיו מוצק ושלבים מכאניים מאוד מדויקים להעברת הדפסת 7; ו (ד) דיו מוצק תפקודי והמבני יכול להיות משולב בשני מצעים קשיחים וגמישים במישוריים או גיאומטריות עקומות.

<table><tbody><tr><td>Az 5214</td><td>Clariant</td><td></td><td>1.5 mm thick Photoresist</td></tr><tr><td>Su8-100</td><td>Microchem</td><td></td><td>100 mm Photoresist used in mold</td></tr><tr><td>Sylgard 184</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS mixed to fabricate stamp</td></tr><tr><td>Hydrofluoric acid</td><td>Honeywell</td><td></td><td>Acid to etch silicon oxide layer</td></tr><tr><td>Silicon on insulator</td><td>Ultrasil</td><td></td><td>Donor substrate was fabricated</td></tr><tr><td>Trichlorosilane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Chemical used to help pealing of PDMS from mold</td></tr></tbody></table>

micro-masonry for 3d additive micromanufacturing

העברת הדפסה היא שיטה להעברת חומרים מוצקים מיקרו / ננו (המכונים במסמך &quot;דיו&quot;) ממצע שבו הם נוצרו למצע שונה על ידי שימוש בבולי אלסטומרי. העברת הדפסה מאפשרת שילוב של חומרים הטרוגניים לפברק מערכות תפקודיות מבנים שאין דומים או שנמצאים במכשירים מתקדמים אחרונים, כגון תאים סולריים גמישים ומתיחים ומערכי LED. בעוד הדפסת העברה מפגינה תכונות ייחודיות ביכולת הרכבה חומר, השימוש בשכבות דבק או שינוי פני השטח כגון תצהיר של monolayer עצמית התאספו (SAM) על מצעים לשיפור תהליכי הדפסה מעכבת ההסתגלות רחבה שלה ברכבות מייקרו מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. כדי להתגבר על חסרון זה, פיתחנו מצב מתקדם של הדפסת ההעברה שdeterministically מרכיב אובייקטי microscale אדם אך ורק באמצעות שליטה בשטח מגע פני השטחללא כל שינוי פני השטח. היעדר שכבת דבק או שינוי אחר ותהליכי המליטה החומרים הבאים להבטיח מליטה מכאנית לא רק, אבל גם חיבור תרמי וחשמלי בין חומרים שנאספו, אשר פותח עוד יותר יישומים שונים בהסתגלות בבניית התקני MEMS יוצא דופן.

מיקרו-בנייה מאפשרת שילוב חומרים הטרוגניות כדי ליצור מבני MEMS, כי הם מאוד מאתגרים או בלתי אפשריים להשיג על ידי תהליכי microfabrication מונוליטי. כדי להמחיש את היכולת שלו, מבנה (שנקרא &#39;קומקום מיקרו &quot;) הוא מפוברק אך ורק באמצעות מיקרו-בנייה. איור 4A הוא תמונת מיקרוסקופ ...

Watch this Scientific Journal Video about Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing at JoVE.com

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

נייר זה מציג אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה &quot;מיקרו בנייה&quot;) עבור הייצור גמיש של מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. גישה זו כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול.

מיקרו בנייה לMicromanufacturing 3D תוסף

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

micro-masonry-for-3d-additive-micromanufacturing

Universidad de Cartagena UDEC

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Engineering

Unit 1

Masonry

SCIENTISTS IN ACTION

10.3K Views.  University of Illinois at Urbana-Champaign.  נייר זה מציג אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה "מיקרו בנייה") עבור הייצור גמיש של מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. גישה זו כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול. 

Video: Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Chemistry

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Microfabrication של שבב בגודל פיגומים לעיבוד תלת ממדי נייד

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Biology

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection molding inserts with micro surface features. The Soft Tooling inserts are manufactured by Digital Light Processing (vat photo polymerization) using a photopolymer that can withstand relatively high temperaturea. The part manufactured here has four tines with an angle of 60&#176;. Micro pillars (&#216;200 &#181;m, aspect ratio of 1) are arranged on the surfaces by two rows. Polyethylene (PE) injection molding with the soft tooling inserts is used to fabricate the final parts. This method demonstrates that it is feasible to obtain injection-molded parts with microstructures on complex geometry by additive manufactured inserts. The machining time and cost is reduced significantly compared to conventional tooling processes based on computer numerical control (CNC) machining. The dimensions of the micro features are influenced by the applied additive manufacturing process. The lifetime of the inserts determines that this process is more suitable for pilot production. The precision of the inserts production is limited by the additive manufacturing process as well.

A protocol for fabricating injection molding inserts for complex geometry with micro features on surfaces employing Additive Manufacturing (AM) is presented.

עמודי רשת אבזור רך בתהליך הזרקה של רכיב 3D עם מיקרו

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Multi-material Ceramic-Based Components &#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three dimensions for the geometry and one degree of freedom concerning the material properties at each position) the Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) was developed. It is a direct AM technology which allows the AM of multi-material components. To demonstrate the advantages of this technology black-and-white zirconia components were additively manufactured and co-sintered defect-free.
Two different pairs of black and white zirconia powders were used to prepare different thermoplastic suspensions. Appropriate dispensing parameters were investigated to manufacture single-material test components and adjusted for the additive manufacturing of multi-color zirconia components.

Here we describe a protocol for additively manufacturing black-and-white zirconia components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) and co-sintering defect-free.

הרכיבים מבוססי קרמיקה חומר רב – כתוסף בייצור מרכיבים אסתטיים בשחור-לבן על-ידי הדפסת תלת-ממד תרמופלסטיים (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three ...

Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light processing/stereolithography, is developed within the scope of the CerAMfacturing European research project. A three-dimensional (3-D) hemi-maxillary bone-like structure is 3-D printed using custom aluminum oxide polymeric mixtures. The powders and mixtures are fully analyzed in terms of rheological behavior in order to ensure proper material handling during the printing process. The possibility to print functionally graded materials using the Admaflex technology is explained in this document. Field-emission scanning electron microscopy (FESEM) show that the sintered aluminum oxide ceramic part has a porosity lower than 1% and no remainder of the original layered structure is found after analysis.

This manuscript describes the processing of single multifunctional ceramic components (e.g., combinations of dense-porous structures) additively manufactured by stereolithography.

כתוסף בייצור חומרי קרמיקה פונקציונלית מדורגת על ידי Stereolithography

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light ...

Negative Additive Manufacturing of Complex Shaped Boron Carbides

Boron carbide (B4C) is one of the hardest materials in existence. However, this attractive property also limits its machineability into complex shapes for high wear, high hardness, and lightweight material applications such as armors. To overcome this challenge, negative additive manufacturing (AM) is employed to produce complex geometries of boron carbides at various length scales. Negative AM first involves gelcasting a suspension into a 3D-printed plastic mold. The mold is then dissolved away, leaving behind a green body as a negative copy. Resorcinol-formaldehyde (RF) is used as a novel gelling agent because unlike traditional hydrogels, there is little to no shrinkage, which allows for extremely complex molds to be used. Furthermore, this gelling agent can be pyrolyzed to leave behind ~50 wt% carbon, which is a highly effective sintering aid for B4C. Due to this highly homogenous distribution of in situ carbon within the B4C matrix, less than 2% porosity can be achieved after sintering. This protocol highlights in detail the methodology for creating near fully dense boron carbide parts with highly complex geometries.

A method called negative additive manufacturing is used to produce near fully dense complex shaped boron carbide parts of various length scales. This technique is possible via the formulation of a novel suspension involving resorcinol-formaldehyde as a unique gelling agent that leaves behind a homogenous carbon sintering aid after pyrolysis.

הייצור מוספים שלילי של קומפלקס בצורת Carbides בורון

Boron carbide (B4C) is one of the hardest materials in existence. However, this attractive property also limits its machineability into complex shapes for ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

Micropatterning והרכבת 3D microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Bioengineering

Design and Development of a Three-Dimensionally Printed Microscope Mask Alignment Adapter for the Fabrication of Multilayer Microfluidic Devices

This project aims to develop an easy-to-use and cost-effective platform for the fabrication of precise, multilayer microfluidic devices, which typically can only be achieved using costly equipment in a clean room setting. The key part of the platform is a three dimensionally (3D) printed microscope mask alignment adapter (MMAA) compatible with regular optical microscopes and ultraviolet (UV) light exposure systems. The overall process of creating the device has been vastly simplified because of the work done to optimize the device design. The process entails finding the proper dimensions for the equipment available in the laboratory and 3D-printing the MMAA with the optimized specifications. Experimental results show that the optimized MMAA designed and manufactured by 3D printing performs well with a common microscope and light exposure system. Using a master mold prepared by the 3D-printed MMAA, the resulting microfluidic devices with multilayered structures contain alignment errors of &lt;10 &#181;m, which is sufficient for common microchips. Although human error through transportation of the device to the UV light exposure system can cause larger fabrication errors, the minimal errors achieved in this study are attainable with practice and care. Furthermore, the MMAA can be customized to fit any microscope and UV exposure system by making changes to the modeling file in the 3D printing system. This project provides smaller laboratories with a useful research tool as it only requires the use of equipment that is typically already available to laboratories that produce and use microfluidic devices. The following detailed protocol outlines the design and 3D printing process for the MMAA. In addition, the steps for procuring a multilayer master mold using the MMAA and producing poly(dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic chips is also described herein.

This project allows small laboratories to develop an easy-to-use platform for the fabrication of precise multilayer microfluidic devices. The platform consists of a three-dimensionally printed microscope mask alignment adapter using which multilayer microfluidic devices with alignment errors of &lt;10 &#181;m were achieved.

תכנון ופיתוח מתאם יישור מסיכת מיקרוסקופ תלת מימדי לייצור התקנים מיקרופלואידיים רב שכבתיים

This project aims to develop an easy-to-use and cost-effective platform for the fabrication of precise, multilayer microfluidic devices, which typically ...

Computer Numerical Control Micromilling of a Microfluidic Acrylic Device with a Staggered Restriction for Magnetic Nanoparticle-Based Immunoassays

Microfluidic systems have greatly improved immunoassay techniques. However, many microfabrication techniques require specialized, expensive, or complicated equipment, making fabrication costly and incompatible with mass production, which is one of the most important preconditions for point-of-care tests (POCT) to be adopted in low-resource settings. This work describes the fabrication process of an acrylic (polymethylmethacrylate, PMMA) device for nanoparticle-conjugated enzymatic immunoassay testing using the computer numerical control (CNC) micromilling technique. The functioning of the microfluidic device is shown by performing an immunoassay to detect a commercial antibody using lysozyme as a model antigen conjugated to 100 nm magnetic nanoparticles. This device integrates a physical staggered restriction of only 5 &#181;m in height, used to capture magnetic microparticles that make up a magnetic trap by placing an external magnet. In this way, the magnetic force on the immunosupport of conjugated nanoparticles is enough to capture them and resist flow drag. This microfluidic device is particularly suitable for low-cost mass production without the loss of precision for immunoassay performance.

Microfluidics is a powerful tool for the development of diagnostic tests. However, expensive equipment and materials, as well as laborious fabrication and handling techniques, are often required. Here, we detail the fabrication protocol of an acrylic microfluidic device for magnetic micro- and nanoparticle-based immunoassays in a low-cost and simple-to-use setting.

מיקרומילינג בקרה נומרי ממוחשב של מכשיר אקרילי מיקרופלואידי עם הגבלה מדורגת עבור בדיקות חיסוניות מבוססות ננו-חלקיקים מגנטיים

Microfluidic systems have greatly improved immunoassay techniques. However, many microfabrication techniques require specialized, expensive, or ...

An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels have simple monolithic architectures and often function as scaffolding materials for tissue engineering applications. More sophisticated structures typically take a long time to fabricate and do not contain moving components. This protocol describes a photolithography method that allows for facile and rapid microfabrication of PEG structures and devices. This strategy involves an in-house developed fabrication stage that allows for the rapid fabrication of 3D structures by building upwards in a layer-by-layer fashion. Independent moving components can also be aligned and assembled onto support structures to form integrated devices. These independent components are doped with superparamagnetic iron oxide nanoparticles that are sensitive to magnetic actuation. In this manner, the fabricated devices can be actuated using external magnets to yield movement of the components within. Hence, this technique allows for the fabrication of sophisticated MEMS-like devices (micromachines) that are composed entirely out of a biocompatible hydrogel, able to function without an onboard power source, and respond to a contact-less method of actuation. This manuscript describes the fabrication of both the fabrication set-up as well as the step-by-step method for the microfabrication of these hydrogels-based MEMS-like devices.

An additive manufacturing strategy for processing UV-crosslinkable hydrogels has been developed. This strategy allows for the layer-by-layer assembly of microfabricated hydrogel structures as well as the assembly of independent components, yielding integrated devices containing moving components that are responsive to magnetic actuation.

תוסף טכניקת הייצור עבור הזיוף נתיישב ומהירה של מבוססי הידרוג Micromachines עם רכיבים תגובה מגנטית

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels ...