Fügeverfahren und Fügeverbindung für mikrofluidische Bauteile
Die vorliegende Erfindung betrifft Fügetechniken zum Verbinden mikrofluidischer Bauteile aus insbesondere Kunststoff, zu einer mikrofluidischen Cartridge.
Diese mikrofluidischen Cartridges werden beispielsweise in Point of Care Handanalysegeräten oder medizinischen Diagnosegeräten in Laboren oder Krankenhäusern eingesetzt. Das Gebiet der Erfindung sind insbesondere Fügetechniken für die Herstellung von lateral flow Cartridges, bei denen die zu fügende Bauteile Längen- und Breitenmessungen aufweisen, die einige Millimeter bis Zentimeter betragen.
Das Gebiet der Erfindung betrifft somit eine mikrofluidische Cartridge nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung nach Anspruch 20.
Mikrofluidische Cartridges werden vielfältig in Form von Einmaltests eingesetzt.
Dazu wird einer mit einem Biosensor versehenen Cartridge eine zu testende Analyseflüssigkeit (z.B. Blut, Urin, Speichel) zugeführt. Die Probenzugabe zur Cartridge erfolgt vor oder nach einem Einsetzen der Cartridge in das Analysegerät.
Die Zugabe des Analyten erfolgt in eine Öffnung der Cartridge, wobei die Flüssigkeit dann durch Mikrokanäle entsprechenden Probeaufbereitungskammern und Probeuntersuchungskammern zugeführt wird.
Die Begriffsverwendung Mikro bedeutet, dass die Kanäle und/oder Kammern zumindest in einer geometrischen Ausdehnungsrichtung eine Dimension im Mikrometermaßstab aufweisen, dass heißt die Abmaße in mindestens einer Dimension weniger als einen Millimeter betragen.
Unter dem Begriff mikofluidische Cartridge wird eine aus mehreren Bauteilen bestehende Vorrichtung für die Verteilung von Flüssigkeiten verstanden, welche derartige Mikrokanäle und Mikrokomponenten aufweist.
Unter dem Begriff mikrofluidisch wird verstanden, dass ein druckinduzierter und/oder kapillarer Flüssigkeitsfluss durch und in den Mikrokanälen und/oder Mikrokammern erfolgt.
Die Cartridge besteht typischerweise aus mehreren aneinander gefügten plattenförmigen Substraten aus insbesondere Kunststoff, d.h. Bauteilen die eine Dickenabmessung aufweisen, die um ein Mehrzahliges geringer ist als ihre Längen- und Breitenabmessung. Zur Ausbildung der fluidischen Komponenten werden in ein vorwiegend flaches plattenförmi- ges Substrat Einformungen und/oder Durchbrechungen eingebracht, die mit einem weiteren plattenförmigen Substrat abgedeckt werden.
Das plattenförmige Substrat kann eine Folie sein.
Auf das plattenförmige Substrat oder in den Mikrokammern/Mikrokanälen können Reagenzien aufgebracht sein.
Das plattenförmige Substrat kann als Träger für einen Biosensor dienen und insbesondere elektrische Komponenten wie aufgedruckte Leiterbahnen oder optische Komponenten wie optische Flächen, Spiegelflächen und optische Wellenleiter umfassen.
Weiterhin können an einem der plattenförmigen Substrate Anformungen zum Fügen, zur Führung oder zum Handling des Bauteils und/oder der Cartridge angebracht sein.
Typisch können die plattenförmigen Substrate von einer aufgeklebten oder auflaminierten Folie zumindest teilweise bedeckt sein, welche die eingeformten mikrofluidischen Kanäle dichtend abschließt. Als Fügetechniken für mikrofluidische Bauteile der beschriebenen Art, sind das Ultraschallschweißen, das thermische Bonden oder Diffusionsbonden, das Laserschweißen und das Verkleben der Bauteile, z.B. durch Klebeschichten oder durch ein Laminieren allgemein bekannt. Eine weitere geeignete Verbindungstechnik ist die Verwendung von doppelseitigen Klebefolien. Nachteilig bei der Verwendung von Klebeverfahren oder Klebefolien können die hydrophoben Eigenschaften dieser Klebestoffe sein, die eine Benetzung von Fließkanälen verhindern können. Bei der Verwendung von flüssigen Klebstoffen besteht die Gefahr des Verschlusses von fluidleitenden Strukturen durch einfließenden Kleber.
Nachteilig an Ultraschallschweißtechniken sind in vielen Anwendungsfällen die nicht unerheblichen Schwingbelastungen im Fügeprozess.
Diese können zu einem Schaden und zu einer späteren Fehlfunktion des Biosensors führen, wenn beispielsweise Reagenzien oder Partikel in Kammern oder auf Oberflächen aufge- trocknet sind und durch die Erschütterungen beim Ultraschallschweißen gelöst werden, so dass der Reaktionsablauf im Biosensor gestört wird.
Bei einigen Nachweisreaktionen, insbesondere immunochemischen Assays zum Nachweis von Blutbestandteilen ist es nötig, die Flüssigkeit zu filtern.
Bei dieser Blutseparation wird das Filtern des Blutplasmas durch eine in einem Cartridgebau- teil eingeklebte, eingeschweißte oder eingeklemmte Filtermembran bewerkstelligt. Ein Einklemmen der Membran kann beispielsweise durch elastische Dichtungen oder durch einen federnd gehaltenen Ring erfolgen.
Diese Membran kann durch die mechanischen Erschütterungen beim Ultraschallschweißen beschädigt werden, insbesondere reißen.
Nachteilig kann auch sein, dass einige Kunststoffe ein schlechtes Klebeverhalten und Schweißverhalten aufweisen, was insbesondere dann auftritt, wenn unterschiedliche Kunststoffmaterialien verschweißt oder verklebt werden sollen.
Nachteilig bei der Verwendung von Klebefolien ist auch der zusätzliche Materialaufwand sowie der Aufwand zur Bearbeitung der Klebefolie (z.B. das Ausstanzen oder Ausschneiden von Öffnungen und Kanälen), der Mehrkosten verursacht.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, ein Fügeverfahren und eine Fügeverbindung für eine derartige Vorrichtung anzugeben, welches die oben genannten Nachteile ausräumt. Insbesondere stellt sich die Aufgabe, ein Fügeverfahren und eine Fügeverbindung anzugeben, das eine kostengünstige, feste und materialeinsparende Verbindung zwischen den Bauteilen einer mikrofluidischen Cartridge sicherstellt.
Des weiteren stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Fügeverbindung anzugeben, die eine mechanische Belastung der Bauteile während des Fügeprozesses vermeiden, sowie eine sichere Bauteilbefestigung erlauben.
Weiterhin stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Verbindung zum Fügen bereitzustellen, die die fluidischen Eigenschaften der Cartridge nicht beeinträchtigt.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 20 gelöst.
Die Erfindung betrifft insbesondere fluidische Testvorrichtungen, Cartridges, bei welchen ein plattenförmiges fluidleitendes Bauteil mit einer Folie gedeckelt wird. Die Folie überdeckt dabei in eine oder in beide Seiten der Platte eingeformte Kanal- und/oder Kammerstrukturen, wodurch ein mikrofluidisches Kanalsystem mit Strukturbreiten und Strukturhöhen von einigen 10 Mikrometer bis zu einigen Millimeter gebildet wird. Die Folie deckt das plattenförmige Bauteil partiell oder vollflächig ab. Bevorzugt besteht der Werkstoff der Platte und der Werkstoff der Folie im wesentlichen aus einem amorphen oder teilkristallinen Kunststoff, ausgewählt aus Polystyrol (PS), Poly- methylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Olefinpolymeren und Olefincopolymeren wie Cycloolefinpolymer und Cylcoolefincopolymer (COC und COP), Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyethyletherketon (PEEK).
Die Folie kann mehrschichtig aufgebaut sein. Insbesondere kann die Folie ein- oder beidseitig mit einer Klebeschicht zur Befestigung am plattenförmigen Substrat versehen sein.
Die Klebeschicht ist bevorzugt eine niedrig schmelzende Laminierschicht oder Siegelschicht aus Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA).
Die Oberfläche und/oder die Kanalstrukturen können vollflächig oder teilflächig einer Oberflächenbehandlung und/oder Oberflächenbeschichtung unterzogen worden sein.
Als Oberflächenbehandlung/Oberflächenaktivierung kann z.B. eine Plasmabestrahlung/Plasmaätzung zur Verbesserung der Oberflächenhaftung erfolgt sein.
Als Oberflächenbeschichtungen ist beispielsweise eine Hydrophilisierung der Kanalbereiche zur verbesserten Fluidleitung wässriger Flüssigkeiten denkbar.
Alternativ kann die Folie auch eine zusätzliche Siegelschicht aufweisen, die bei einem Heiß- laminierprozess auf die Oberfläche des Substrates aufgeschweißt wird.
Weiterhin kann die Folie direkt auflaminiert sein, dass heißt, es wird ohne das Aufschmelzen einer Siegelschicht durch Druck- und Hitzeeinwirkung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Folie und Substrat geschaffen.
Bevorzugt ist die Folie eben. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Folie lokal auszuformen, um beispielsweise deformierbare Kammern zu bilden, oder einzuformen, um druck- oder vakuumgesteuerte Ventile und Mikroaktoren zu bilden.
Hierzu wird auf die Schriften mit den Anmeldenummern PCT/EP2009003908 und
PCT/EP2009003907 verweisen, die vollumfänglich bezüglich ihres Umfanges mit in die vorliegende Offenbarung aufgenommen werden.
Zusätzlich zu einer ersten Folie kann eine zweite Folie am plattenformigen Substrat und/oder der ersten Folie angeordnet sein. Die zweite Folie kann weitere mikrofluidische Strukturen wie Kanäle, Kammern und/oder Durchbrechungen aufweisen. Bevorzugt umfasst die zweite Folie Strukturen für einen Biosensor, insbesondere Messmittel wie elektrische Kontakte und elektrische Potentialflächen oder optische Strukturen wie optische Lichtleiter oder optische Spiegelflächen. Bei mikrofluidischen Tests wird das zu messende Analyt (wie z.B. Blut, Speichel, Urin) dem mikrofluidischen Biosensor meist über einen oder mehrere Einlasskanäle zugeführt, die von einem Einfüllbereich abzweigen.
Der Einfüllbereich wird durch eine Einfüllöffnung mit dem Analyten gespeist, wobei die Einfüllöffnung eine Bohrung in einem plattenformigen Substrat ist.
Unter dem Begriff Bohrung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Öffnung oder Einformung in einem der plattenformigen Substrate verstanden. Hierbei kann die Form der Öffnung wie bei Bohrungen üblich zylinderförmig rund sein oder auch im Querschnitt oval oder im Querschnitt quaderförmig eckig oder dreieckig ausgeführt sein. Auch dreidimensio- nale Formen wie eine Tear Drop Struktur sind als Bohrungsgestalt denkbar.
Vorteilhaft weist mindestens eines der plattenformigen Substrate im Bereich der Einfüllöffnung eine Dichtlippe auf. Diese Dichtlippe erfüllt die Funktion, den Einfüllbereich, das heißt die Einfüllöffnung fluidisch abzudichten.
Besonders vorteilhaft sollte daher die Dichtlippe die Einfüllöffnung durchgehend umschließen.
Eine Dichtlippe ist insbesondere dann vorgesehen, wenn zwischen mindestens einer Folien- seite und einem Substrat keine Klebeverbindung geschaffen wird.
Bevorzugt ist die Dichtlippe in diesem Fall als eine aus einer Substratoberfläche hervorstehenden Schneide ausgeführt. Beim Fügen der Bauteile drückt sich die Schneide dann in die
Folie und dichtet etwaige Spalten zwischen der Folie und dem Substrat. Die Schneide ist bevorzugt keilförmig, kann aber auch eine Kreissegmentform, eine Viereckform oder eine Dreieckform aufweisen. Alternativ kann die Dichtlippe auch eine Dichtung, insbesondere Ringdichtung aus elastischem Material wie Silikon sein, die beim Fügeprozess gequetscht wird und dadurch eine dichtende Verbindung zur Folie und zum Substrat schafft. Der Dichtring kann in eine um die Einfüllöffnung umlaufende Vertiefung im Substrat eingelegt sein. Alternativ zu einem Dichtring kann auch vorgesehen sein, ein elastisches Dichtmaterial als umlaufende Dichtlippe einzusetzen, wobei die Dichtlippe durch einen Wulst elastischer Dichtmasse gebildet wird, die vor dem Fügen den Bereich der Einfüllöffnung dann aufgetragen wurde.
Als Dichtmaterialien sind auch Kleber oder Klebefilme einsetzbar.
Eine entsprechend angeordnete Bohrung kann auch in die und/oder den Folien angebracht sein.
Bevorzugt ist die Einfüllöffnung in einem zweiten plattenförmigen Substrat, insbesondere einem Deckelelement angeordnet.
Dieses Deckelelement wird besonders bevorzugt mit einem Filterelement, insbesondere einer Membran, zur Filterung von Partikeln aus der Probenflüssigkeit versehen.
Insbesondere bei blutbasierten diagnostischen Tests ist es in der Regel erforderlich, das Blut zu filtern, um eine möglichst störungsfreie Messung am Blutplasma vornehmen zu können.
Die Membran wird vorteilhaft in eine Ausnehmung oder Aussparung des Substrates eingeklebt oder eingeschweißt und bildet mit dem Deckelelement dann ein Bauteil. Da die Membran möglichst geringen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden sollte, um ein Reißen des Membranteils zu vermeiden, andererseits aber eine feste und sichere Verbindung des Deckelements zur Cartridge nötig ist, wird entgegen dem üblichen Ultraschallverschweißen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fügen des Deckelements oder allgemein eines plat- tenförmiges Substrat eingesetzt.
Hierzu weist das Deckelement und/oder das fluidführende Substrat mit diesem Bauteil ein- stückig verbundene Stifte auf.
Unter dem Begriff Stift im Sinne der vorliegenden Offenbarung werden alle Haltemittel verstanden, die in zumindest einer Dimension, dass heißt in der Breiten- oder in der Längsrichtung der Deckelelementes und/oder des plattenformigen Substrates eine deutlich geringere Ausdehnung aufweisen als das Deckelelement und/oder das Substrat. Insbesondere werden hierunter Haltemittel verstanden, die zylinderförmig sind und Zylinderdurchmesser von wenigen Millimetern aufweisen.
Die Form der Stifte kann aber auch dreieckig, quadratisch, rechteckig oder vieleckig sein. Insbesondere können die Stifte auch als Rippen ausgestaltet sein, dass heißt eine Form aufweisen die in einer Breitenrichtung mehrere Millimeter und in einer Längsrichtung wenige Millimeter ausgedehnt ist. Derartige Rippen werden vorteilhaft kreisförmig um die Einfüllöffnung herum angeordnet.
Diese Stifte, die aus der Fluidplatte und/oder dem Deckelement herausragen, werden insbesondere bei der Spritzgussherstellung des jeweiligen Bauteils mit angespritzt, was eine kos- tengünstige Herstellung erlaubt.
Die Anordnung der Stifte und zugeordneter Bohrungen im zugehörigen Bauteil wird derart ausgewählt, dass diese bei der Positionierung ineinander greifen. Die Form der Bohrung ist vorteilhaft gleichartig zur Stiftform, so dass die Stifte passgenau in die Bohrung eingreifen.
Um die Positionierung und das Handling bei der Herstellung der Cartridge zu erleichtern, haben die Stifte bevorzugt eine leicht angeschrägte, insbesondere kegelförmige Form, was eine einfachere Positionierung der Bauteile zueinander beim Handling gestattet. Durch die breitere Basis der Stifte, die in ihrem Durchmesser in etwa dem Bohrungsdurchmesser entspricht, wird dann in der Stapelposition der Bauteile eine Selbstpositionierung erreicht.
Da die Bauteile der mikrofluidischen Cartridge oft eine Längen- und Breitenabmessung von nur einigen Millimetern bis Zentimetern aufweisen, werden entsprechende Stiftdurchmesser oder Stiftbreiten gewählt, wobei mittlere Durchmesser oder Breiten von 0,2 Millimeter bis 5 Millimeter, insbesondere 0,5 Millimeter bis 2 Millimeter gewählt werden.
Vorteilhaft soll eine einzelne Fügestelle nach der Herstellung eine Haltekraft von einem kg bzw. 10 Newton gewährleisten. Dies bedeutet, dass ein Deckelelement mindestens einer senkrechten einwirkenden Abreißkraft pro Fügestelle von 10 Newton standhält.
Wird eine Mehrzahl von gleichartigen Fügeverbindungen geschaffen, so erhöht sich die Haltekraft gegen Abreißen.
Zum Fügen werden die Bauteile auf eine Auflage positioniert und ein geeignetes Druckwerk- zeug, insbesondere eine Thermode, wird in erhitztem Zustand auf die Enden der Stifte mit einem Druck von 0,5 bar bis 5 bar aufgedrückt. Alternativ kann mittels eines geeigneten Druckwerkzeuges bei entsprechender Druckaufbringung und Fließfähigkeit des Kunststoffmaterials auch eine Kaltumformung erfolgen. Hierbei sind die aufgeführten 0,5 bar bis 5 bar der Druck der an der Mechanik des Druckwerkzeuges wirkt. Die Druckerzeugung kann pneumatisch, hydraulisch oder auch servo- elektrisch ausgeführt werden.
Die Thermode weist bevorzugt am Aufsatzpunkt ein kegelförmiges Ende auf, das zentral auf das Stiftende einwirkt.
Alternativ kann das Ende der Thermode auch eben sein, oder eine negative Schalenform, insbesondere negative Pilzform aufweisen. Ergänzend kann die Negativform in der Mitte einen Dorn aufweisen, der sich beim Umformen in das Stiftende eindrückt und das Stiftmaterial nach Außen verdrängt.
Die Thermode übt auf eine Fügestelle im Umformprozess eine Kraft von 25 Newton bis 250 Newton aus.
Eine Schweißzeit größer 0,5 Sekunden, insbesondere 1 ,5 Sekunden bis 5 Sekunden garan- tiert einen ausreichenden Wärmefluss von der Thermodenspitze in den Stiftwerkstoff, wobei das Material über seine Glastemperatur, respektive Erweichungstemperatur erhitzt wird.
Dabei werden für die Kunststoffe PS, PMMA, PC, PE PP und PEEK die Werkzeug und Prozesstemperaturen von: PS (100°C bis 180°C, insbesondere 130°C bis 150°C), PMMA (100°C bis 180°C, insbesondere 130°C bis 150°C), PC (140°C bis 230°C, insbesondere 160°C bis 190°C), PE (80°C bis 170°C, insbesondere 100°C bis 140°C), PP (90°C bis 200°C, insbesondere 120°C bis 170°C), COP und COC (150°C bis 240°C, insbesondere 170°C bis 210°C) und PEEK (160°C bis 250°C, insbesondere 180°C bis 210°C) ausgewählt. Bei der Erweichung wird das Kunststoffmaterial vom Druckwerkzeug von der Mitte ausgehend zum Fließen gebracht, so dass sich ein Kopf ausbildet und Material unter Druck an die Wand der Bohrung gepresst wird. Durch diese Materialpressung entsteht ein Reibschluss
zwischen dem umgeformten Stift und der Bohrung, so dass die Bauteile sowohl durch Reib- schluss auch durch Formschluss des ausgebildeten Kopfes gefügt sind.
Nach der Schweißzeit ts wird die Thermode von der Fügestelle abgehoben oder die Ther- mode für ein weiteres Zeitintervall, die Haltezeit tH auf der Fügestelle belassen. Die Haltezeit tH wird so gewählt, dass eine Verfestigung der Fügeverbindung während dieser Zeit stattfindet. Beispielsweise wird die Wärmezufuhr der Thermode für die Haltezeit unterbrochen und/oder die Thermode passiv und/oder aktiv gekühlt. Das Kühlen kann beispielsweise durch ein angeschlossenes Kühlsystem, durch Anblasen der Fügestelle (Luftkühlung) oder durch passive Kühlung (Kühlkörper) erfolgen.
Alternativ können die Bauteile auch durch einen Klemmmechanismus oder Haltemechanismus während der Haltezeit tH zueinander fixiert werden. In diesem Fall wird die Thermode vollständig von der Fügestelle abgehoben, wobei vorteilhaft entsprechende Kühlschritte die Verfestigung der Fügestelle unterstützen.
Bevorzugt beträgt die Haltezeit tH 0,2 bis 5 Sekunden, insbesondere 0,5 bis 2,5 Sekunden.
Die realisierbaren kurzen Schweiß- (ts) und Haltezeiten (tH) garantieren wirtschaftliche Zykluszeiten für das Fügeverfahren.
Vorteilhaft beträgt die Zugfestigkeit der derart hergestellten Fügeverbindung mindestens 25% der Zugfestigkeit des Substratmaterials.
Besonders bevorzugt sind die Bohrungen in den plattenförmigen Substraten, insbesondere im Deckelement auf der Oberseite, an den ein Kopf ausgebildet wird, mit einem Sackloch versehen, in welches der Kopf eingeformt wird, so dass eine vorwiegend plane, ebene Oberfläche des plattenförmigen Substrates erhalten bleibt.
Die Erfindung findet eine Umsetzung gemäß der nachfolgenden Ausführungsbeispiele: Dabei zeigt
Fig. 1 : ein plattenförmiges Substrat mit mikrofluidischen Kanalstrukturen Fig. 2a: ein Deckelelement von der Oberseite
Fig. 2b: das Deckelelement von der Unterseite
Fig. 2c: eine Deckelfolie mit Einlassöffnung
Fig. 2d: ein Deckelelement mit Stiften und umlaufenden Dichtlippen Fig. 2e: ein gleichartiges Deckelelement mit Bohrungen
Fig. 3: einen Cartridgeausschnitt im Herstellprozess nach dem Positionieren und vor dem Fügeschritt Fig. 4 und Fig. 5: gefügte Cartridges
Fig. 6: ein Schliffbild einer Fügestelle
Fig. 7: das Fügen mittels Thermode
Fig. 8: einen schematischen Belastungsversuch
Fig. 9: Diagramme zur Festigkeit der Fügeverbindung Fig. 10 und Fig. 1 1 : statistische Diagramme zu Parametern der Fügeverbindung
Fig. 12: eine Fügestelle mit einem inneren konstruktiven Formschluss
Die Figuren 1 , 2 a, 2 b und 2 c stellen schematische Darstellungen der Bauteile einer erfin- dungsgemäßen Cartridge (20) dar. Diese besteht aus einem ersten plattenformigen Substrat (1 ), insbesondere einer Kunststoffplatte von einigen Zentimetern Länge und einigen Zentimetern Breite und einigen Millimetern Höhe.
In die Kunststoffplatte sind mikrofluidische Strukturen wie ein Kanal (4), eine Einlasskammer (17) mit einem um die Einlasskammer (17) umgebenden Entlüftungsgraben (18), Entlüftungskanäle (19) und eine Analysekammer (21 ) eingeformt.
Zur Durchführung einer Analyse mittels der Cartridge (20) wird eine Flüssigkeit in die Einlasskammer (17) eingebracht und über den Kanal (4) einer Analysekammer zugeführt.
In der Analysekammer ist ein Biosensor angeordnet, der eine biologische oder chemische Komponente der Flüssigkeit misst, wie beispielsweise eine Hormonkonzentration im Blutplasma.
Das hier dargestellte fluidische Netzwerk ist stark vereinfacht dargestellt, die Cartridge (20) kann weitere mikrofluidische Komponenten, sowie Reagenzien zur Probenbehandlung, zur Probenaufbereitung und zur Detektion umfassen.
Bei der Herstellung einer Cartridge (20) nach dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 2b wird auf das erste plattenförmige Substrat (1 ) eine Folie (3) aufgeklebt oder auflaminiert. Die Folie (3) weist dazu auf ihrer Unterseite eine Klebeschicht oder Siegelschicht (16) auf, die die Verbindung zwischen Substrat (1 ) und Folie (3) herstellt. Die Folie (3) kann durch Laserschneiden oder Ausstanzen in Form gebracht werden, wobei Bohrungen (7) für Stifte (6) und eine Einfüllöffnung (5) zur Befüllung der Einlasskammer (17) ausgespart sind. Alternativ kann die Folie auch beidseitig mit einer Klebe- und /oder Siegelschicht versehen sein, um sowohl eine Fügeverbindung/Klebeverbindung zum ersten Substrat (1 ) als auch zum zweiten Substrat (2) zu schaffen.
Durch das Aufkleben und/oder Auflaminieren der Folie (3) auf die mikrofluidischen Strukturen entsteht ein außer an der Einfüllöffnung (5) und an den Öffnungen der Entlüftungskanäle (19) allseitig abgeschlossenes fluidisches Netzwerk.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen (7) in der Folie (3) in ihrem Durchmesser dem Durchmesser der Stifte (6) entsprechen oder einen etwas geringeren Durchmesser haben, so dass die Folie dichtend an den Stiften anliegt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn fluidführende Strukturen im Substrat (1 ) oder der Folie (3) in Stiftnähe angeordnet sind und die Gefahr besteht, dass durch Kapillarkräfte ein ungewollter Fluidabfluss in Hohlräume der Fügestelle auftritt.
Vorteilhaft kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Durchmesser des Durchlasses, das heißt der Bohrungsdurchmesser der Einfüllöffnung (5) in der Folie (3) geringer ist als der Bohrungsdurchmesser der Einfüllöffnung (5) im zweiten plattenförmigen Substrat (2) und/oder kleiner ist als der Durchmesser des Bodens der Einlasskammer (17).
Da die Folie meist hydrophob ist, bilden die Kante und die Seitenflächen der Folie einen Flu- idstop für wässrige Flüssigkeiten. Durch den verringerten Durchmesser der Folienöffnung (5) wird somit vermieden, dass ein Flüssigkeitsfluss von der Membran (14) im Deckelelement (2) in etwaige Spalte zwischen Folie und Deckelement (2) erfolgt.
Das zweite plattenförmige Substrat (2), das im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2a und 2b ein Deckelelement (2) ist, hat eine in etwa zentrische Öffnung (5), in welche das zu analysierende Fluid eingefüllt wird.
Vorteilhaft ist die Öffnung der Durchlassbohrung so ausgestattet, dass die Öffnungsweite 5 bis 15mm beträgt.
Besonders bevorzugt bilden die Seitenflächen der Bohrung einen sich zum Oberfläche öffnenden Trichter, der in seiner Geometrie und Form auf die Größe und Form eine Fingerkuppe abgestimmt ist.
Figur 2a zeigt das Deckelelement (2) von der Oberseite. Zusätzlich zur zentrischen Öffnung sind in den Eckenbereichen des Deckelelements (2) vier Bohrungen (7) angeordnet, die sich zu einem Sackloch (10) an der Oberseite des Deckels erweitern. Das Sackloch (10) hat die Funktion, den sich beim Fügeprozess bildenden Nietkopf (9) aufzunehmen, so dass dieser nicht über die Oberfläche des Deckels (2) übersteht.
Figur 2b zeigt eine Darstellung des Deckelelements (2) von der Unterseite. Gut zu erkennen ist die Öffnung (5), die zur Unterseite des Deckelelements im Umfang erweitert ist, so dass eine Aussparung um die Öffnung (5) gebildet wird, die eine umlaufende Befestigungsfläche (22) aufweist. In die Aussparung wird eine Membran (14) eingelegt und mit der Befestigungsfläche (22) verklebt oder verschweißt.
Der Abstand der Befestigungsfläche zur Oberfläche des Deckelelements, also die Tiefe der Aussparung in Richtung der Deckeldicke entspricht in etwa der Membrandicke. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Unterseite der Membran (14) und die Unterseite des Deckelelements (2)eine plane Fläche bilden und die Membran an der Öffnung (5) in der Folie (3) nach Figur 2 nach dem Fügen der Bauteile zur Cartridge (20) anliegt.
Die Figuren 2d und 2e zeigen Deckelelemente (2) analog dem in den Figuren 2a und 2b dargestellten Deckelelement (2). Hierbei wird jeweils diejenige Seite dargestellt, die in der Cartridge (20) an der Folie (3) anliegt.
An den Bereichen der Einfüllöffnung (5) schließt sich zunächst die umlaufende und eingeformte Befestigungsfläche (22) an, in welcher die Membran (14) angeordnet ist.
Weiterhin sind jeweils zwei ringförmig umlaufende Dichtlippen (1 1 ) erkennbar.
Wie auf dem linken Ausschnitt von Figur 2d entnehmbar ist, ragt die Dichtlippe aus der Substratoberfläche des Deckelelementes (2) heraus und ist einstückig mit dem Substrat verbunden.
Die Spitze der Dichtlippe bildet eine Schneide, die sich nach dem Fügen der Bauteile, wie eine Abbildung zeigt, in die Folie (3) eindrückt.
Unter der Schneide, im Sinne der vorliegenden Anmeldung, wird jede keilförmige, schnei- denförmige, ringförmige oder gerundete Ausformung im Substrat verstanden, welche geeignet ist, sich in die verwendete Folie (3) zumindest teilweise einzudrücken.
In den Figuren 3, 4, 5 und 7 wird das Positionieren und Fügen der Cartridgebauteile im Bereich der Fügestellen schematisch dargestellt.
Hierzu werden in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 und Figur 7 das erste plattenförmige Substrat (1 ), welches im Querschnitt eine Kanalstruktur (4) aufweist, die von einer Folie (3) überdeckt ist und das Deckelelement (2) auf einer Auflage (13) aufeinander gestapelt.
Das plattenförmige Substrat (1 ), insbesondere Bodenelement (1 ) weist kegelförmige Stifte (6) auf, die aus der Oberfläche des Substrates (1 ) herausragen und mit diesem einstückig verbunden sind. Die Stifte können in einfacher Weise im Spritzgussherstellungsprozess der aus Polystyrol bestehenden Substratplatte (1 ) mit eingespritzt werden.
Die Kegelform der Stifte (6), bei der die Stiftbasis in ihrem Durchmesser in etwa dem Durchmesser der Bohrung (7) im Deckel (2) entspricht, hat den Vorteil, das eine Selbstzentrierung von Deckel (2) und Bodenplatte (1 ) zueinander eintritt.
Figur 7 zeigt den Umformungsprozess des Kegelendes des Stiftes (6) nach dem Positionierungsschritt. Erkennbar ist, dass die Folie (3) zumindest in der Umgebung der Fügestelle mit einer Klebeschicht (16) versehen ist, die eine Klebekraft und eine dichtende Verbindung zwischen Folie (3) und dem Deckel (2) erzeugt.
Zum Fügen des Stiftes (6) in der Bohrung (7) wird ein Druckwerkzeug (12) mit einem vorge- gebenen Druck P zentrisch auf das Stiftende aufgesetzt. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Stiftdurchmesser an der Basis 1 Millimeter und an der Kegelspitze 0,7 Millimeter, wobei das Stiftmaterial Polystyrol (PS) ist.
Das Druckwerkzeug (12) wird erwärmt und hat in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Umformen von PS eine Werkzeugtemperatur von 130°C bis 150°C. Für andere Kunststoffe oder Werkzeuggeometrien wird die Werkzeugtemperatur entsprechend angepasst.
Das Druckwerkzeug, die Thermode (12) ist stiftförmig, wobei der Kopf kegel- oder pyramidenförmig zulaufend ist.
Die Thermode wird mit einem Werkzeugdruck p von 1 ,5 bar bis 5 bar auf das Stiftende auf- gesetzt.
Der Werkzeugdruck ist derjenige Druck, der an der Niederhaltemechanik des Werkzeuges anliegt.
Die Niederhaltemechanik wird ein Pneumatikzylinder mit einer Stempelfläche von etwa 2000 mm2 sein.
Umgerechnet ergibt sich somit für die Aufsetzkraft der Thermode (12) ein Wertebereich von 100 Newton bis zu 1 Kilonewton, wobei sich diese Kraft auf die Thermodenspitzen aufteilt. Bei gleichzeitiger thermatischer Formung von 4 Fügestellen ergibt sich eine Kraft von 25 Newton bis 250 Newton mit der die Thermodenspitze auf den Stift (6) einwirkt und diesen umformt.
Während einer Schweißzeit von ts von 1 ,5 Sekunden bis 5 Sekunden erfolgt eine Wärmeübertragung in das Stiftende, wobei das Stiftmaterial über seine Glasübergangstemperatur erhitzt wird und zu fließen beginnt. Dabei wird es durch den Stempeldruck des Werkzeuges an die Bohrungswand gedrückt, so dass sich eine reibschlüssige Verbindung zwischen dem Stift (6) und der Wand der Bohrung (7) ausbildet.
Wie Figur 7 zeigt, verdrängt die kegelförmige Spitze der Thermode das Material des Stiftes von der Mitte ausgehend zum Umfang, wobei sich ein Kopf (9) ausbildet.
Hierbei kann es auch zu einer plastischen Verformung des Deckelmaterials im Bereich der Deckelbohrungen (7) kommen, wie die Figuren 6 und 7 zeigen.
Alternativ oder ergänzend zu der Ausführung nach den Figuren 6 und 7 kann auch eine Ausführung nach der Figur 12 erfolgen.
Hierbei werden zusätzlich oder alternativ zum Ausformen des Kopfes (9) eine oder mehrere ringförmige Vertiefungen im Deckelelement (2) durch das thermisch-plastisch verformte
Stiftmaterial ausgefüllt, so dass zusätzliche formschlüssige Verbindungselemente den Halt zwischen Bodenteil (1 ) und Deckel (2) der Cartridge sicherstellen.
Im Ausführungsbeispiel 12 sind diese Ausformungen (29) ringförmig, es sind aber auch an- dere Formen, wie eine schraubenförmige, keilförmige oder auch Formen mit Hinterschnitt anwendbar.
Es ist auch denkbar, statt des Kopfes alleinig eine derartige Fügeverbindung (29) in der Bohrung (7) einzusetzen.
Alternativ kann bei Verwendung höherer Temperaturen oder flacher Thermodenenden auch eine vorwiegend formschlüssige Verbindung hergestellt werden. Hierbei tritt ein Fließen des Stiftmaterials überwiegend nur zur Ausformung des Kopfes auf, wobei weiter in der Bohrung liegende Bereiche kaum verformt werden.
Um sicherzustellen, dass die Bauteile fest aneinander gefügt werden, werden die Bauteile für eine weitere Haltezeit tH fest zueinander positioniert, insbesondere geklemmt. Vorteilhaft kann die Positionierung durch Aufrechterhalten der Thermodenandruckkraft und oder durch äußere Klemmung der Bauteile bewirkt werden. Im ersten Fall wird die Thermode während der Haltezeit auf die Fügestelle aufgedrückt und die thermische Erwärmung während dieser Zeit unterbrochen und/oder aktiv eine Kühlung vorgenommen.
Alternativ kann an der Thermode ein federnder Niederhalter (nicht gezeigt) angebracht sein, so dass die Thermodenspitze eine erste Distanz von der Fügestelle abgehoben werden kann und wobei die Federkraft des Niederhalters die Bauteile während der Haltezeit tH weiterhin zusammenpresst.
Alternativ kann auch eine gesonderte Halteeinrichtung (nicht gezeigt) an der Fügevorrichtung angeordnet sein, welche die Bauteile positioniert und diese während der Schweißzeit ts und der Haltezeit tH zusammenpresst.
Bevorzugt sind die Schweißzeit ts und die Haltezeit tH getrennt einstellbar und steuerbar. Die Haltezeit tH beträgt vorzugsweise 0,2 bis 5 Sekunden, insbesondere 0,5 bis 2,5 Sekunden. Das Zusammenpressen oder Klemmen der Bauteile unterdrückt die Relaxation der Kunststoffbauteile bis zur Verfestigung der Fügestelle.
Figur 6 zeigt ein Schliffbild der gefertigten Fügestelle im Schnitt. Zur Verdeutlichung und Unterscheidbarkeit der Bauteile wurden diese schraffiert und die Randflächen grafisch hervorgehoben. Das Schliffbild zeigt eine Cartridge im Bereich einer Fügestelle, wobei die PS-Bodenplatte (1 ), eine Folie (3) und ein Deckelelement (2) über die so gebildete Kunststoff-Nietverbindung miteinander verbunden sind.
Gut erkennbar ist die Wand einer Bohrung (7), in die der Stift (6) eintaucht. Eine Ecke eines Sackloches (10) ist in der linken oberen Ecke erhalten geblieben.
Durch den thermischen Druck- Fügeprozess ist das Stiftmaterial, wie deutlich erkennbar, an den Bohrungsrand gepresst worden und bildet dort einen Reibschluss mit dem Deckelelement (2). Weiterhin ist ersichtlich, dass das Material des Deckels (2) im Bereich der Fügestelle ebenfalls plastisch verformt ist, so dass der ausgeformte Stiftkopf (9) formschlüssig auf dem Boden des Sackloches aufliegt, sowie formschlüssig im Seitenbereich am plastisch verformten Deckelmaterial anliegt und/oder vom Deckelmaterial umschlossen ist. Bei ausreichend hohen Werkzeugtemperaturen und/oder hohen Schweißzeiten ts können der Stiftkopf (9) und der Deckel (2) lokal stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
Bevorzugt sollten das Deckel- (2) und Bodenelement (1 ) für eine stoffschlüssige Verbindung aus dem gleichem Kunststoff oder aus miteinander verbindbaren Kunststoffen mit ähnlicher Erweichungstemperatur bestehen.
Die Werkzeugtemperatur und die Schweißzeit ts bestimmen im Wesentlichen die Festigkeit der Fügeverbindung wie durch die folgenden Belastungstests gezeigt werden kann.
Figur 8 zeigt einen solchen Belastungstest schematisch.
Zur Durchführung des Belastungstests werden das Bodenbauteil (1 ), die Folie (3) und der Deckel (2) durch einen einzelnen Stift (6)-Kopf (9) Fügestelle verbunden.
Bei diesem Test der Fügestelle besteht zwischen Folie (3) und Deckelelement (2) keine wei- tere Fügeverbindung, so dass das Deckelelement (2) nur über die Nietverbindung gehalten wird.
Die über die Stiftverbindung gefügten Bauteile Bodenelement (1 ) und Deckelelement (2) werden mit Haltemitteln (23) verbunden. Im Test waren dies Spannwinkel, die mit einer Seitenfläche großflächig mit den Bauteilen (1 ,2) verklebt wurden. In den nachfolgend beschriebenen Versuchen wurden verschiedene Nietverbindungen unter mechanischer Einwirkung auf ihre Belastbarkeit getestet.
Ziel war es, statistische Aussagen über die mittlere Belastbarkeit einer Nietstelle und über Einflussparameter für die Festigkeit und Haltesicherheit einer solchen Fügeverbindung zu gewinnen.
Im Versuch wurden kegelförmige Stifte (6) mit einem Durchmesser an der Basis von 1 Millimeter und an der Kegelspitze von 0,7 Millimeter, sowie einer Höhe von 1 ,5 Millimeter verwendet. Diese wurden durch das beschriebene Wärmeumformen mit einem Nietkopf (9) ver- sehen.
Nach dem Vernieten beträgt die Stifthöhe etwa 0,8 Millimeter inklusive der Kopfhöhe (9).
Wie Figur 6 zeigt, werden mindestens 50% des Stiftmaterials beim Fügeprozess umgeformt. Nach dem Fügen und dem Befestigen der Spannwinkel (23) wird die gefügte Cartridge (20) mittels der Spannwinkel (23) in eine Zugmaschine der Marke ZWICK eingesetzt und ein Zugversuch durchgeführt.
Um eine Statistik zu erhalten, wurden Tests an 42 genieteten Cartridges durchgeführt, wobei jeweils eine einzelne Nietverbindung dem Zugtest unterworfen wurde und wobei unterschiedliche Nietparameter abgeprüft wurden.
Bei der Planung der Versuche wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung, auch „Design of Experiments" (DoE) verwendet, um die Anzahl der Versuche zu reduzieren, trotz- dem aber eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen. Bei dieser Methodik wird das Parameterfeld nicht in diskreten Schritten komplett untersucht, sondern nur wenige Punkte experimentell geprüft. Mithilfe statistischer Methoden können die fehlenden Messpunkte interpoliert werden. So ist es möglich die Anzahl der erforderlichen Versuche, die der Ermittlung der Haupteinflussgrößen (im folgenden Parameter oder Ein- flussfaktor genannt) und deren optimaler Einstellung für die Festigkeit der Nietverbindung beim Prozess des Heißnietens dienen, von xy (x sind die Anzahl der Stufen bzw. Anzahl der diskreten Schritte und y die Anzahl der Faktoren) zu verringern. Ein DoE-Versuchsplan vari-
iert die Werte für ermittelte Einflussfaktoren gleichzeitig auf mehreren Stufen (Werte). Bei erfolgreicher Versuchsdurchführung kann ein mathematisches Modell des Prozesses innerhalb des Versuchsraums erstellt werden. Auf diese Weise können signifikante Einflüsse und Wechselwirkungen zwischen den Parametern erkannt werden.
Entscheidendes Kriterium bei der Wahl der Parametereinstellungen war das Ziel, einen Bereich abzudecken, in dem ein Einfluss der Prozessparameter auf die Festigkeit der Nietverbindung erkennbar ist. Zusätzlich wurden zentrale Versuchspunkte (Center Points) bestimmt. An einem solchen Zentralpunkt nehmen die Parametereinstellungen jeweils den mittleren Wert des Versuchsraumes ein. Auf diese Weise lässt sich verifizieren, ob alle Einfluss- faktoren einen annähernd linearen Einfluss auf das Ergebnis ausüben, zudem kann durch mehrfache Wiederholungen des Zentralpunktes die Streuung an den Versuchspunkten abgeschätzt werden. In Anbetracht der zu erfüllenden Kriterien (geringe Versuchsanzahl, vermutete Linearität und drei Einflussvariablen) wurde ein 23-vollfaktorieller Versuchsplan mit einem 3-fach realisierten Center Point durchgeführt.
Getestet wurden die drei Faktoren Druck p (in bar), Temperatur T (in °C) und Zeit t (in Sekunden).
Durch die Versuche wurde festgestellt, dass der Fügedruck bei der beschriebenen Nietver- bindung, der gewählten kegelförmigen Thermode (12) und dem verwendeten Polystyrol- Kunststoff stifte (6) mindestens 1 ,8 bar zum Erreichen einer sicheren Kopfausbildung und maximal 2,6 bar betragen darf, um eine Beschädigung der Bauteile durch den Fügeprozess zu verhindern.
Für die Schweißzeit ergaben sich aus diesen Randbedingungen eine minimale Schweißzeit ts von 1 ,8 Sekunden und eine maximalen zulässigen Schweißzeit ts von 2,6 Sekunden.
Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen wurden die folgenden Parametersätze gewählt:
Versuchsnr. Temperatur (°C) Druck (bar) Schweißzeit (s)
1 130 1 ,8 1 ,8
2 140 2,2 2,2
3 150 1 ,8 2,6
4 130 2,6 2,6
5 150 2,6 1 ,8
6 150 2,6 2,6
7 130 1 ,8 2,6
8 130 2,6 1 ,8
9 150 1 ,8 1 ,8
10 140 2,2 2,2
11 140 2,2 2,2
Um eine Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden die 1 1 festgelegten Teilversuche mehrmals durchgeführt. Dabei ergaben sich die folgenden Ergebnisse:
In der Tabelle sind als Messgrößen die Dehnung oder Längung der Fügestelle L und die senkrecht auf die Substrate, das heißt auf den Niet wirkende Kraft Fmax zum Zeitpunkt des Versagens der Fügeverbindung aufgeführt.
Mittels der beschriebenen statistischen Auswertung kann nun bestimmt werden, welche Fügeparameter einen Effekt auf die Festigkeit der Fügestelle ausüben und welche Längung L im Versagensfall auftritt.
Hierzu liefert das standardisierte Pareto-Diagramm Aussagen, das aus den Messwerten erstellt wurde.
Die senkrechte Linie in den Diagrammen nach den Figuren 10 und 1 1 ist die 95% Signifi- kanzlinie des Pareto-Diagramms. Überschreitet ein Faktor diese Linie (z.B. die Temperatur in dem Diagramm für die Festigkeit), so hat dieser Faktor mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit einen signifikanten Einfluss auf die betrachtete Zielgröße.
Aus Figur 1 1 kann entnommen werden, dass die Temperatur den größten Einfluss auf die Festigkeit der Nietverbindung hat. Je höher die Temperatur, desto größer ist die Festigkeit. Der Effekt der Schweißzeit ist ebenfalls mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit abgesichert. Demnach hat eine auch Erhöhung der Schweißzeit eine Zunahme der Festigkeit zur Folge. Der Druck und die Wechselwirkungen zwischen den Einflussgrößen Druck P, Schweißzeit ts und der Temperatur T haben in dem betrachteten Versuchsraum keinen signifikanten Einfluss.
Aus Figur 9 kann entnommen werden, dass die Festigkeit der Fügestelle im Temperaturintervall von 130°C bis 150°C ansteigt, wobei ein Festigkeitsanstieg von etwa 36 Prozent zu beobachten ist.
Wird die Schweißzeit bei einer vorgegebenen Temperatur von 1 ,8 Sekunden auf 2,6 Sekun- den erhöht, so steigt die Festigkeit der Verbindung um etwa 27 Prozent.
Aus Figur 10 ist ersichtlich, dass die Längung L der Fügestelle beim Versagen der Fügeverbindung, also bei der maximalen Zugkraft Fmax im wesentlichen durch die Schweißzeit ts bestimmt ist, die einen signifikanten Einfluss auf L zeigt.
Die Versuche haben gezeigt, dass T=150°C, p=1 ,8bar und t=2,6s (Versuch 3) die optimalen Herstellungsparameter für die gewählte Geometrie der Stiftverbindung und das gewählte thermische Druckwerkzeug sowie den gewählten PS-Kunststoff sind. Hier konnte eine durchschnittliche Kraft von 13,95N (1 Niete) auf die Nietverbindung ausgeübt werden, bevor sie sich löste.
Versuche mit diesen Parameterwerten für die Temperatur und die Schweißzeit zeigen, dass beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Druck von mehr als 2,6 bar oder umgerechnet eine Fügekraft von mehr als 500 N pro Fügestelle zur Beschädigung des Deckelelements (2) führt.
In weiteren Versuchen wurde die Festigkeit von Fügeverbindungen mit zwei oder mehr Nieten getestet. Hieraus ergab sich, dass die Festigkeit, dass heißt die Haltekraft der Bauteile zueinander mit der Zahl der Nietverbindungen wächst, dieser Anstieg aber keiner Verdopplung der Festigkeit bei doppelter Stiftanzahl entspricht.
Bezugszeichenliste
1 - erstes plattenförmiges Substrat
2- zweites plattenförmiges Substrat
3- Folie
4- Kanal
5- Einfüllöffnung
6- Stift
7- Bohrung
8- Reibschluss
9- Kopf
10- Sackloch
1 1 - Dichtlippe
12- Thermode
13- Auflage
14- Membran
15- Folie
16- Klebeschicht/Siegelschicht
17- Einlasskammer
18- Entlüftungsgraben
19- Entlüftungskanal
20- Cartridge
21 - Analysekammer
22- Befestigungsfläche
23- Haltemittel
24- Zugkraft
29- Ausformung