Method development for the production of flow channels for μPIV measurements with the use of additive manufacturing

Abstract

3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, ist eine aufstrebende Produktionsmethode, die in zunehmend mehr Bereichen eingesetzt wird. Auch für die Mikrofluidik eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten, da komplette Fluidikkanäle für die particle image velocimetry (PIV) in nur wenigen Schritten hergestellt werden können. In dieser Arbeit wurden diese Fluidikkanäle mit Hilfe kommerziell verfügbarer Stereolithographie 3D Drucker selbst hergestellt sowie als Bestellteil zugekauft und anschließend verglichen. Es wurden verschiedene Designs sowie unterschiedliche Orientierungen im Drucker und verschiedene Druckereinstellungen getestet. So konnten Kanäle mit quadratischem Querschnitt mit Hilfe eines Formlabs Form 2 und Form 3 Drucker hergestellt werden. Außerdem wurde auch versucht mit dem Form 3 Drucker Kanäle herzustellen, in denen sich eine interne Struktur befindet. Die gewählten Strukturen konnten mit den gegebenen Parametern nicht gedruckt werden, aber die vorliegende Arbeit beinhaltet eine umfangreiche Diskussion der Rahmenbedingungen. Des Weiteren konnte ein offener Kanal mit Struktur gedruckt werden, welcher dann mit Plexiglas zugeklebt wurde. Abschließend wurden mit den Kanälen PIV Messungen durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass es aufgrund des hohen Brechungsindex der transparenten 3D-Druck-Materialien notwendig ist auch den Brechungsindex der verwendeten Flüssigkeit zu erhöhen. Mit Hilfe von Natriumiodid wurde der Brechungsindex angehoben, wodurch gute Ergebnisse erzielt werden konnten. Im Gegensatz zu den Kanälen, die komplett gedruckt wurden, war bei jenen mit Plexiglasdeckel keine Brechungsindexerhöhung für die PIV Messungen notwendig. Der Vergleich der verschiedenen Kanäle hat die grundsätzliche Tauglichkeit der additiv erzeugten Bauteile in der Mikrofluidik gezeigt, weist aber auch auf die Komplexität und Herausforderungen hin.

3D printing, also called additive manufacturing, is an emerging production method that is being used in an increasing number of fields. It also offers a great possibility for the production of microfluidic devices since the fabrication can be achieved very fast and easy within only a few steps. In order to investigate the usability of commercial 3D printers for purpose of manufacturing of microfluidic channels for particle image velocimetry (PIV) measurements, several steps were methodically performed.In the course of this work, microfluidic channels were printed in-house with stereolithography desktop 3D printers of Formlabs (Form 2 and Form 3). Thus, different designs and orientations were intensively tested. For further comparisons, microfluidic devices were also printed by 3D printing mail-order services using different materials.Furthermore, several attempts were made to produce channels with an internal structure using the Formlabs Form 3 printer. The selected structures could not be printed with the given parameters, but this paper includes an extensive discussion of the framework. In addition, an open channel with structure could be printed, which was then sealed with plexiglass.Finally, PIV measurements were performed using a setup at the institute’s laboratory. The different 3D printed parts were investigated and evaluated by the criterion of the image quality suitable for further software processing. To achieve decent results, an adaptation of the fluid was also of high importance. Due to the high refractive index of the transparent 3D printing materials, the refractive index of the liquid also had to be raised. This was achieved with the help of sodium iodide.This work results in firstly finding a 3D printing setup suitable for PIV and secondly an evaluation of the velocity vector fields monitored by PIV. Moreover, an intense discussion about the printing settings and properties and practical advice for performing these kinds of investigations, also providing a solid basis for future works, are documented. The comparison of the channels and the production methods show that this method of fabrication is still rather complex and challenging but in general is suitable and offers a variety of new possibilities.