FABRICACIÓN Y PROTOTIPADO DE CANALES PARA …

MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO

ISBN 978-968-9773-03-8 Derechos Reservados © 2008, SOMIM

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FABRICACIÓN Y PROTOTIPADO DE CANALES

PARA DISPOSITIVOS MICROFLUIDICOS DEL SECTOR SALUD

Ana Laura Jáuregui Santiago, Alex Elías Zúñiga, Carlos Iván Rivera-Solorio

Departamento de Ingeniería Mecánica [email protected], [email protected], [email protected]

Ciro A. Rodríguez González, Héctor R. Siller Carrillo

Centro de Innovación en Diseño y Tecnología [email protected], [email protected]

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey

E. Garza Sada 2501 Sur, C.P. 64849 .Monterrey, N.L., México. Teléfono: 52 (81) 83-58-2000. Fax: 52 (81) 83-58-4123

RESUMEN Las constantes innovaciones en el diseño y procesos de manufactura han permitido desarrollar dispositivos microfluídicos para aplicaciones en las áreas de medicina, biología, biotecnología entre otras. Actualmente se fabrican estos dispositivos para realizar funciones de diagnóstico y análisis con menor cantidad de reactivos, así como el desarrollo de dispositivos que permitan dosificar niveles específicos de medicamentos para tratar enfermedades como la diabetes. Una parte importante de dichos dispositivos son los canales, por los que corre un fluido y que son fabricados mediante diferentes procesos como: litografía, electro-erosión y corte por láser. En este trabajo se presenta un innovador proceso de corte para la fabricación de de canales a menor escala que tiene un gran potencial de satisfacer el diseño y prototipado de los dispositivos microfluídicos. Este trabajo se concentra en estudiar el potencial del proceso de corte con abrasivo por chorro de agua, AWJ (Abrasive Water Jet, por sus siglas en inglés), para la fabricación de los canales. ABSTRACT Recently the constant changes in different areas have let to develop microfluidic systems for several applications such as Medicine, Biology or Biotechnology. Now on those devices are used to diagnosis and analysis with less reactives trying to manipulate the sustances to employ them in the treatment of diseases like diabetes. An important component of those systems are the microchannels where the fluid flows and are fabricated for different processes like litography, electroerosion or Laser. However exists other processes for make the channels, so in this work is proposed another technique that can be used in the realization of this channels with an Abrasive WaterJet (AWJ) process.

NOMENCLATURA

Dh Diámetro hidráulico A Área del canal, en la sección

transversal. P Perímetro que se encuentra en contacto

con el fluido, en la sección transversal.

INTRODUCCIÓN

Los microsistemas de análisis total (µTAS, por sus siglas en inglés) han sido en los últimos años de gran beneficio para las áreas de la medicina, biología celular, farmacología, biotecnología y química, entre otras. Estos sistemas realizan, mediante un dispositivo microfluídico, operaciones de diagnóstico y análisis de un laboratorio a gran escala pero con la ventaja de requerir menor cantidad de reactivos y muestras considerablemente más pequeñas para realizar los análisis [1]. Otra aplicación de estos dispositivos microfluídicos en el campo de la medicina de acuerdo con Nisar [2] es que se pueden utilizar para suministrar un medicamento en forma controlada en el tratamiento de enfermedades. Un ejemplo de



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esta aplicación es tratar la diabetes con un micro dispositivo que permite suministrar la insulina en la sangre [3]. Una parte importante de estos dispositivos son los microcanales que son utilizados para transportar el fluido mediante un campo eléctrico o por una diferencia de presión producida por una micro bomba. Las longitudes características de estos canales son pequeñas (del orden o menores a un micrómetro). Bajo estas condiciones los números de Reynolds (Re) que se presentan son generalmente pequeños y el flujo es laminar. Para números pequeños de Reynolds (Re < 1) las fuerzas viscosas del fluido dominan sobre las fuerzas de inercia. En el caso de flujo en microcanales, la relación que existe entre el ancho y el alto del canal disminuye, afectando el coeficiente de fricción, las variaciones de temperatura y el transporte de las propiedades en direcciones diferentes a las del flujo primario [4], [5]. Para el caso del flujo laminar en micro canales, el coeficiente de fricción depende de la rugosidad de la superficie, a diferencia del flujo en canales macroscópicos, en donde el coeficiente de fricción no es afectado por la rugosidad [6]. La geometría de la sección transversal también influye en forma importante en el coeficiente de fricción y en el número de Nusselt [7], investigaron en forma numérica el efecto en la caída de presión y en la transferencia de calor debido a la rugosidad de la superficie del micro canal. Los efectos en el flujo del fluido así como en la transferencia de calor deben ser considerados en el diseño de canales de menor tamaño para los cuales se requiere de diferentes tecnologías para la remoción del material a diferentes profundidades de corte, donde la precisión es uno de los aspectos importantes. Entre las técnicas para la fabricación de los micro o mini canales se pueden mencionar: litografía, electro-erosión y el corte por láser. [8], [9], [10]. En este trabajo se propone utilizar el método de corte con chorro de agua abrasivo, AWJ (Abrasive Water

Jet por sus siglas en inglés) para la fabricación de micro canales como una alternativa a los métodos de corte previamente mencionados. REVISIÓN DE LA LITERATURA La máquina de corte con agua por chorro abrasivo fue desarrollada por FLOW Internacional Corporation. En esta máquina se utilizan bombas especiales para incrementar la presión de agua hasta 413,400 KPa. El agua fluye a través de un orificio de aproximadamente 1mm de diámetro, impactando la superficie que se desea cortar. Las ventajas de este tipo de corte son [11]:

� No hay zonas afectadas por el calor � No presenta esfuerzos mecánicos � Es fácil de programar � Un chorro delgado (entre 0.5-0.75 mm en diámetro) � Corte de material delgado � Corte de espesores de hasta 250mm � Fuerzas de corte relativamente bajas � Poca rebaba en el corte

El uso de abrasivo en este tipo de máquinas es muy común, ya que alimenta el flujo del agua y ayuda a cortar una gran variedad de materiales. Existe una variedad en el tamaño de grano del abrasivo clasificado como HPA (High Performance Abrasive) utilizado en diferentes aplicaciones y procesos de corte:

� #120 : produce superficies suaves � #80: es el más común, para propósitos generales de corte. � #50: corta un poco más rápido que el de 80, sin embargo produce superficies ligeramente

rugosas. Características de la máquina de corte

La máquina utilizada se encuentra en las instalaciones del Tecnológico de Monterrey, en el anexo de manufactura, cuyo modelo es una Abrasive Water Jet4X8 ft (IFB 2 DWT 4X8 ft), con una bomba integrada 50I-S60K, véase Figura 1.



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Fig. 1. Máquina de corte por chorro abrasivo de agua.

EXPERIMENTACIÓN El propósito final de la experimentación utilizando AWJ, es la realización de pequeñas trayectorias cuyos patrones en el corte serán para estas aplicaciones los canales pequeños, para poder competir con otras tecnologías de corte utilizadas actualmente tales como: litografía, electro-erosión, corte por láser. Debido a que este tipo de máquinas por lo regular está destinado a cortar materiales de gran espesor, el objetivo primordial es controlar la profundidad de corte en la prueba para establecer un control en la profundidad del canal, el material utilizado en este experimento fue una probeta de Aluminio 6061 para el corte de las trayectorias. En la Figura 2 se presentan de manera esquemática los elementos más relevantes que hay que considerar en este proceso.

Fig. 2. Factores que intervienen en el proceso de corte de AWJ.

Diseño de la trayectoria

El diseño de las trayectorias consiste en establecer un patrón en la forma inicial de los canales, véase Figura 3, utilizando un programa en 2D propietario de la AWJ (FlowPath) para realizar la figura y posteriormente utilizarla en el programa de corte para realizar el proceso del mismo, por ejemplo en el Figura 4, donde se puede apreciar la relevancia de un corte de penetración completa a uno con parámetros controlados.



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Fig. 3. Diseño utilizado para el proceso de experimentación de los canales.

a) b)

a) Corte de chorro de agua con abrasivo totalmente pasante.

b) Corte con chorro de agua con abrasivo, con penetración controlada.

Fig. 4. Tipos de corte con chorro de agua

RESULTADOS Se realizó una serie de experimentos para determinar el efecto en la profundidad de corte del material debido a la variación de la presión, la altura de la boquilla respecto a la pieza, la velocidad de avance y el espesor del material. Estos parámetros se enlistan en la Tabla 1, donde se puede observar que la menor profundidad (0.1524 mm) se obtuvo utilizando una velocidad de 1143 mm/min, una altura de 3.81 mm, un espesor de 0.762 mm y presiones de 107,484 KPa y 104,781 KPa (enmarcado por la línea punteada).

Tabla 1. Variación de los parámetros en el experimento



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La Figura 5 muestra el patrón realizado con la máquina de chorro abrasivo, donde se pueden observar algunas variaciones en cuanto al acabado.

a)

b)

c)

d)

e)

a) Muestra 14. b) Comparación de tamaño con una moneda de $10 ¢ nacional, cuyo diámetro es de aproximadamente

17 mm. c) Vista en el microscopio de los canales.

d) Vista en el microscopio de los canales (amplificada). e) Trazos de los canales.

Fig. 4. Mini canales, correspondientes a la prueba 14.



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Las mediciones de profundidad de las muestras se obtuvieron con un calibrador de alturas digital marca Mahr, Modelo 32 es, veáse Figura 6, adaptado para tomar las mediciones correspondientes en cada una de las pruebas.

Figura 6. Medición de la profundidad con el calibrador de alturas.

Para observar mejor los canales maquinados, la pieza se montó en una resina plástica (Figura 7). Con un Estereoscopio Olympus Modelo SZ61 se magnificó la imagen para su mejor apreciación (Figura 8).

Fig. 7 Probeta montada en la resina plástica con ampliación de los canales.

En la Figura 8 se presenta una medición aproximada de los mini canales realizada en el estereoscopio, donde se muestra una escala en los dos canales.

Fig. 8. Medición de los canales y escala de la medición.

Al obtener el perfil de los canales posteriormente se obtuvo el valor del diámetro hidráulico (Dh), el cual nos indica la clasificación en la que se encuentra este sistema.



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P

ADh

4= (1)

Donde: A= Área P= Perímetro mojado. Considerando que se implementará una cubierta en la parte superior horizontal que cubre al arco, se obtuvo un diámetro hidráulico de Dh,= 0.4716 mm. Según la clasificación de Kandlikar [12] (ver Tabla 1), los canales fabricados con la técnica utilizada en este trabajo se consideran como mini canales. Se midió una rugosidad promedio del canal de 164.86 µm, utilizando un rugosimetro Mitutoyo Modelo SJ-201P. Debido a que el diámetro de la boquilla en la máquina AWJ es de 1 mm, el diámetro hidráulico del canal fue de 0.4716 mm, por lo que podemos llamarle mini-canales al resultado de esta serie de experimentos, según la descripción utilizada por Kandlikar [12] de los datos contenidos en la Tabla 2.

Canales convencionales

Dh> 3mm

Minicanales 200 µm ≤ Dh < 3mm Microcanales 10 µm ≤ Dh < 200 µm Canales transitorios

10 µm > Dh > 0.1 µm (100nanometros,nm,ó1000 Ǻ)

Microcanales transitorios

10 µm ≥ Dh > 1 µm

Nanocanales transitorios

1 µm ≥ Dh > 0.1 µm

Nanocanales moleculares

0.1 µm ≥ Dh

Tabla 2. Clasificación de los diferentes tamaños de los canales según Kandlikar [12].

Es importante destacar que si se utilizan boquillas de menor diámetro se puede reducir el tamaño del chorro y por lo tanto se pueden producir canales de menor diámetro hidráulico Dh, una opción viable es el uso de una máquina NanoJet por sus enfoques en escala micro. [13] Así, considerando la relación propuesta por Kim [14], de la clasificación de los diferentes procesos, se añadió en la Figura 9 el corte por chorro de agua con abrasivo realizado con la máquina FLOW basándose en los resultados obtenidos cualitativamente.

Fig. 9. Comparación de los procesos de fabricación para mini y micro escala



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Posteriormente se realizó otro diseñó de canales, lo cual nos ayuda a ejemplificar otras formas de los mismos para diferentes aplicaciones de dispositivos microfluidicos, véase Figura 10.

Fig. 10. Muestra de una trayectoria diferente del diseño de los canales.

CONCLUSIONES El uso de la tecnología de corte por chorro de agua con abrasivo da lugar a establecer nuevas opciones para fabricar micro y mini dispositivos. Sin embargo, la alta precisión es un factor importante cuando se establecen operaciones de remoción de material. En el proceso de corte por chorro por agua, el abrasivo juega un papel muy importante ya que ayuda a cortar con mayor facilidad el material, sin embargo, las partículas del mismo erosionan partes de la superficie. Por lo tanto, el valor de rugosidad tiende a aumentar, pudiendo afectar el factor de fricción y el flujo del fluido en estos canales. Existen discrepancias entre las mediciones de las profundidades realizadas con el calibrador de alturas y con el microscopio, sin embargo la confiabilidad del estereoscopio es mayor. La variación de los parámetros en cada una de las pruebas muestra que la menor profundidad se obtuvo con una menor presión de corte y una mayor velocidad del fluido. Como trabajo futuro se espera realizar pruebas con este tipo de materiales para conocer mejor la relación de los efectos de la rugosidad de la superficie y el tamaño del canal en el factor de fricción y la caída de presión. Una mejor estimación de estos efectos permitirá desarrollar canales que satisfagan las condiciones de diseño de la nueva generación de micro dispositivos fluídicos. Es importante considerar en el diseño de los canales la geometría del canal así como la rugosidad del mismo, debido a que afectan las características del flujo del líquido (factor de fricción) en estos canales. Sin embargo el análisis de estos factores también depende del material que se esté utilizando. En este trabajo se utilizó aluminio para fabricar los canales, sin embargo en una fase preeliminar para la investigación y aplicación de esta tecnología de corte en otros materiales como PDMS (polydimethylsiloxane). [15] AGRADECIMIENTOS

A los colaboradores del proyecto de: Síntesis y Modelos constitutivos de polímeros biocompatibles para dispositivos microfluidicos # 61061. A la cátedra de máquinas inteligentes, por el apoyo brindado en la realización de esta fase de experimentación, así como las personas encargadas de las máquinas utilizadas en las instalaciones del Tecnológico de Monterrey.



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REFERENCIAS [1] Wang C.H and Lee G.B., “Automatic bio-sampling chips integrated with micro-pumps and micro-valves for disease detection”, Biosensors & Bioelectronics 21 (3): 419-425 (2005). [2] Nisar, A., Afzulpurkar, N., Mahaisavariya, B., Tuantranont, A., “MEMS- based micropumps in drug delivery and biomedical applications”. Sensors and actuators B 130 917-492 (2008). [3] Hilt, Z. and Peppas, N., “Microfabricated drug delivery devices”. International Journal of Pharmaceutics 306 15-23 (2005). [4] Zhu, X., Liao, Q., Xin, M., “Gas flow in microchannel of arbitrary shape in slip flow regime”, Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering 10 (1): 41-54 (2006). [5] Wu, P. and Little, W., “Measurement of Friction Factors for the Flow of Gases in very Fine Channels used for Microminiature Joule-Thomson Refrigerators”, Cryogenics 5:273-277 (1983). [6] Wu, H., Cheng,P. “An experimental study of convective heat transfer in silicon microchannels with different surface conditions”. International Journal of Heat and mass transfer 46, 2547-2556 (2003). [7] Croce, G., D’angoro, P., Nonino, C., “Three-dimensional roughness effect on microchannels heat transfer and pressure drop”. International Journal of Heat and Mass Transfer 50, 5249-5259 (2007). [8] Lee, H., Yoon, T., Kim, D., “Fabrication of microfluidic channels derived from a UV/thermally cured preceramic polymer via soft litographic technique”. Microelectronic Engineering, Volume 84, 2892-2895, (2007). [9] Hoyle, Robert. “MicroElectro-Discharge Machining (Micro EDM)”. MNT Bulletin Vol. 7/No.2. Edited bye IMT-Bhcharest (2006). [11] Hashish, M., Loscutoff, V., Reich, P., “Cutting with abrasive WaterJets”. Flow Industries, Inc. Kent, Washington, (1983). [12] Kandlikar, G., Steinke,M., “Predicting Heat Transfer During Flow Boiling in Minichannels and Microchannels”, ASHRAE, CH-03-13-1 (2003). [13 ] Landman, U., Allen,G. Glezel, King, P. “NanoJets – Formation, characterization and applications”. NFS Nanoscale Science and Engineering Grantees Conference, (2004). [14] Kim, J., “Replication of microchannel structures in polymers using laser fabricated glass-ceramic stamp”. Department of Mechanical Engineering, Seoul Nation University of Technology. (2007) [15] Fujii,T. “PDMS-based microfluidic devices for biomedical applications”. Microelectronic Engineering 61-62 907-914, (2007)

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