Fertigungsmethoden zur Herstellung dreidimensionaler metallischer Mikrosysteme für Life-Science Anwendungen

Richter, Claudia

Die Miniaturisierung ist eine der Schlüsseltechnologien in modernen Produktentwicklungsprozessen. Mikrosysteme werden unter immer extremeren Umweltbedingungen, z. B. hinsichtlich Temperatur und Druck eingesetzt. Solche Anforderungen verlangen robuste und verschleißfeste Systeme mit spezifischen Eigenschaften. Die Silizium-basierte Mikrotechnologie kann diesen Ansprüchen nicht mehr genügen. Es werden neue Materialien und Fertigungsmethoden benötigt. Die vorliegende Dissertation präsentiert vier Fertigungsverfahren für die präzise Strukturierung von dreidimensionalen Mikrosystemen in Edelstahl. Ermittelt wurde die Anwendbarkeit einer Standard UV-Lithographie mit einem anschließenden nasschemischen Ätzschritt in Eisen(III)-chlorid. Weitere Untersuchungen beschäftigen sich mit den nicht-konventionellen Fertigungsverfahren der Mikrobahnerosion und der Senkerosion. Die bereitgestellten Prozesse werden vervollständigt durch einen elektrochemischen Polierschritt zur nachträglichen Oberflächenbearbeitung. Die einzelnen Verfahren wurden detailliert untersucht und hinsichtlich der erreichbaren Abbildungsgenauigkeit, der Abtragrate und der Oberflächengüte optimiert. Ihre Anwendung erfolgt im Rahmen der DFG Forschergruppe 856 mikroPART bei der Entwicklung eines komplexen Mikrosystems für die Herstellung und Beladung von Lipidnanopartikeln als Arzneistoffträger. Die entwickelten Funkenerosionsprozesse zeigen eine außergewöhnliche Eignung für die Fertigung der benötigten Mikrokanäle. Mit Hilfe der Bahnerosion wurden kleinste Strukturbreiten von 50 μm mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 100 nm hergestellt. Die Verwendung eines Senkerosionsprozesses verringert die Fertigungszeit. Bei einer vergleichbaren Strukturgüte wird die Abtragrate um 40 % gesteigert. Die Erzeugung von glatten, glänzenden Oberflächen ist in vielen Anwendungen unumgänglich, z. B. zur Vermeidung von Ablagerungen in mikrofluidischen Systemen. Die Kombination aus Bahnerosion und elektrochemischen Polieren ergibt eine Oberflächenverbesserung von mehr als 75 %. Die so hergestellten Mikrostrukturen ermöglichen den Betrieb des komplexen, modular aufgebauten und damit prozessflexiblen, Mikrogesamtsystems bei bis zu 2300 bar und 100 °C. In nur einem Systemdurchlauf wurden feste Lipidnanopartikel mit einer Partikelgröße von weniger als 200 nm hergestellt.

Miniaturization is one of the key technologies in modern product development. Microsystem components are applied under more and more harsh conditions, e.g. higher temperature and higher pressure. Such challenges demand robust and wear resistant microsystems featuring specific characteristics. Often, common silicon based microtechnology does not suffice to fulfill these increasing demands. New materials and manufacturing methods are required. In this doctoral thesis, four manufacturing methods for the precise and accurate structuring of 3D microsystems made of stainless steel are presented. Based on a standard UV photolithography, a wet chemical etching process applying iron(III) chloride is tested for suitability. Further investigations include the non-conventional fabrication technologies microelectrical discharge milling (μED-milling) and diesinking microelectrical discharge machining (μEDM). The process cluster is completed by electrochemical polishing as a subsequent surface finishing method. Each fabrication method is analyzed in detail and optimized related to reproduction accuracy, removal rate and achievable surface roughness. The described manufacturing methods are applied in the context of the Research Group 856 mikroPART. One of the project aims is to design a complex microsystem for the integrated generation and loading of drug carrier systems. The developed microelectrical discharge processes provide an excellent ability for the production of required microchannel geometries. With µED-milling, orifices with a minimum width of 50 µm and a surface roughness of less than 100 nm are fabricated. The use of die-sinking μEDM offers comparable structural qualities and increases the removal rate about 40 %, leading to shorter production times. Smooth and bright surfaces are necessary for many applications, e.g. to prevent fouling in microfluidic systems. The combination of a μED-milling process with a subsequent electrochemical polishing step improves the surface quality by more than 75 %. Microstructures fabricated with the manufacturing processes established in this thesis prove to be combinable to form complex, nonetheless modular, multi-process microsystem that can be operated at up to 2300 bar and 100 °C. Solid lipid nanoparticles (mean particle size < 200 nm) were efficiently produced within only one cycle, paving the way to advantageous, continuous manufacturing.

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Richter, Claudia: Fertigungsmethoden zur Herstellung dreidimensionaler metallischer Mikrosysteme für Life-Science Anwendungen. Aachen 2015. Shaker.

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