Micro -injecția este procesul tehn ologic caracterizat prin realizarea pieselor cu toleranțe [606645]

Capitolul 3 : Cercetări privind microinjecția în matriță a produse lor polimerice

1. Introducere
Micro -injecția este procesul tehn ologic caracterizat prin realizarea pieselor cu toleranțe
de ordin ul micrometrilor, finisaj ridicat al suprafețelor si complexitate geometric ă ridicat ă.
Micro -injecția este utilizat ă cel mai des în domeniul medical pentru fabricarea unor
componente medical e de înaltă valoare (senzori, implanturi, tuburi, vârfuri de cateter),
micro optic ă, sisteme microfluidice si sisteme mecanice, printre altele. [2]
Un sistem microfluidic a fost d ezvoltat pentru studierea factorilor care induc răspunsuri
diferite ale ce lulelor din sistemul vascular folosind un microambient tridimensional .
Recent, au fost raportate sisteme microflui dice care oferă o gamă largă de capabilități ,
inclusiv stabilire a și controlul gradienților biochimici sau termici și cultu ra mai multor t ipuri
de celule comunicante într-un singur dispozitiv in vitro.
Termenul de micro -prelucrări se referă la un pro ces de prelucrare prin care bucăți mici
de material sunt îndepărtate pentru a obține o precizie geometrică care prin alte p rocedee
nu poat e fi realizată.
În tabelul 1 sunt prezentate gama de funcționare a micro si macro -prelucrărilor. [3]
Tabelul 3.1
Tip Micro Macro
Suprafața prelucrată De la 1 până la 100,000
mm2 De la 1 pama la 100,000
cm2
Volumul de îndepărtare cu
un pas De la 10-3 pana la 102 mm3 De la 10-3 pana la 102 cm3

2. Stadiu actual
În prezent, companiile și cercetătorii academici dezvol tă dispozitive microfluidice din ce
în ce mai multe. Însă ceea ce își doresc părțile interesate în tehnologie este o aplicați e
care va decla nșa adoptarea pe scară largă a microfluidicelor de către bio logi. În ultimii
zece ani, microfluidicele, arta de a co ntrola cu exactitate volumele de lichid microlitru, a
evoluat de la „chips -uri cool” construite de o mică comunitate de medic i universitari cu
diplome în biotehnologie și fizică, într -o tehnologie cu potențial comercial serios,
exploatată de companii care furnizează instrumente pentru ADN, ARN și aplicații proteice.
„Acum suntem foarte buni la majoritatea aplicațiilor biologice. PCR, cristaliz area
proteinelor, transcrierea și translația in vitro și bio reactorii pentru cultura țesuturilor
microbiene și eucar iote funcționează destul de bine pentru majoritatea grupurilor din
întreaga lume ”, spune Stephen Quake de la Universitatea S tanford. Chiar și pentru acele
analize pentru care nu sunt disponibile solu ții microfluidice, cercetătorii aventuroși au
modalități de a-și fabrica propriul „laborator pe un cip”. [5]

3. Microinjecția în matriță

Microinjecția în matriță este procesul de transfer al un ui material termoplastic sub
formă de granule din pâlnia de alimentare în duza de injecție, astfel devenind un mater ial
topit și moale. Materialul este apoi forțat sub presiune în interiorul cavității matriței, unde
este supus unei presiuni de menținere pe ntru un anumit timp pentru a compensa

contracția materialulu i. Materialul se solidifică pe măsură ce temperatura mat riței este
scăzută sub temperatura de tranziție a polimerului . După un timp suficient, materialul se
racește în forma matrițe i, iar cu ajuto rul împingătorilor este eliminat din matriță. Un ciclu
tipic poate dura între câteva secunde si câteva minute. Proce sul are un set de avantaje
care îl fac aplicabil din punct de vedere comercial, cu potențial în evoluții ulterioare.
Avantaje le includ folos irea unei game largi de materiale termoplastice și pote nțialul pentru
o automatizare completă cu perioade scurte de ciclu, rentabilitate pentru procesul de
producție în masă, în special pentru realizarea produselor de unică folosință, replic area
produselor cu forme foarte precise, costuri reduse de întreținere a echipamentelor, în
comparație cu echipamentele pentru real izarea acestor repere prin procedeul de
litiografie, de exemplu, si aplicabilitate în diferite domenii industriale.
În cee a ce privește m icrofluidele, procedeul de micro -injecția în matriță es te unul dintre
principalele tehnici de fabricare pentru produ cerea dispozitivelor microfluidice în diferite
domenii de aplicabilitate, majoritatea fiind destinate diagnosticărilor medica le.
De exemp lu, în industrie, firma Bartels Microtechinik, este spe cializata în realizarea de
micropompe pentru trecerea unui ca ntități mici de lichide pentru diferite aplicații. Pompele
sunt concepute ca fiind de unică folosință și realizate pentru a a vea costuri red use.
Micro -injecția, a fost raportată în literatura de specialitate, pentru a fi utilizată pentru
aplicații microfl uidice, cum ar fi sisteme de electroforeză capilară (CE) sau nanofiltrele.
Desi multe dipozitive polimerice microfluidice au fost puse la dispoziție pentru scop
comercial, este de menționat fa ptul că datorită limitărilor procesului, procesul nu este
complet implementat pentru sistemele microfluidice relativ complexe. Integrarea
elementelor externe cum ar fi electrozii sau mic ro-încălzitoare le, în cadrul unei producții
în masă, așa cum este și m icro-injecția, este încă o provocare majoră pentru tehnologi e.
Unul dintre motivele principale ale acestei limitări este prețul necesar al piesei în
comparație cu costurile pentru reali zarea acestor p rin procedeul de micro -injecție în
matriță. [17]
4. Descrierea procesului de micro -injecție

Micro -injecț ia este procesul tehnologic prin care se pot realiza repere cu masa sub un gram,
cu detalii micrometrice si dimensiuni microm etrice (sub 1 m m).
Cu ajutorul procesului de micro -injecție, se pot realiza diferite produse cum ar fi:
• Indus tria auto: m ini comutator, senzori, sisteme ABS ;
• Optică: lentile, display -uri;
• Tehnologie medicală : implanturi, aparate auditive;
• Microme canică: micro -motoare;
• Microstructuri: dispozitive microfluidice .
Principalele faze ale procesului de injecție , descrise î n literatura de specialitate, sunt
identificate și reprezentate în figura 1.[14]

Figura 3.1: Fazele ciclului de injectare

În figura 1 a u fost prezentate fazele atât în procesul de injecție cât și de micro -injecție ,
cu specificația că faza de „Contoriz are”, reprezentată cu linie punctată este absentă la
mașinile de injecție convenționale și prezentă la mașinile de modelare m icro, iar în fi gura
2 este prezentată matrița de injecție cu primele trei etape de prelucrare a ma terialului
polimer (a) si compone ntele mașinii de micro -injecție în matriță . [14]
Cercetătorii au definit porcesul de micro -injecție ca fiind un procedeu pe ntru realizarea
de piese polimetrice cu structură dimensionala în intervalul micronilor sau submic ronilor.
Piesele com ponente care au fost fabricate prin cu ajutorul procedeului de micro -injecție
se încadrează într -una dintre categorii: [16]
➢ Repere care au dimensiuni gene rale mai mici de 1 mm
➢ Repere care au dimensiuni mai mari pe dimensiunea totală, dar încorporează
caracteristici micr o cu dimensiuni de obicei mi mici de 200 µm
Micro -injecția în matriță are pași de bază similari cu injecția în matriță obișnuită . Acest
procedeu începe de la închiderea matriței, urmată de injectarea polimerului în matriță, după care
au loc menț inerea și răcirea până la solidificarea polimerului; în cele din urmă matrița se deschide
și cu ajutorul împingătorilor piesa este eliminată din matriță. Etapa de injecție necesită plastifierea
materialului polimeric pe măsură ce polimerul se topește și umple cavitatea matriței .

a) b)
Figura 3.2-a) Mașin ă de micro -injecț ie cu cele trei etape: (1) plastificarea, (2)
contorizarea, (3) injectare b) elementele mașinii de injecție

5. Materi ale utiliza te la realizarea dispozitivelor microfluidice
Materialele utilizate și metodele de fabricare pot dicta în ma re măsură performan ța,
aplica bilitatea și fabricarea disp ozitivelor microfluidice. Deși dispozitivele microfl uidice
care au fost realizate de oam enii de știi nță p ână în moment ul de fa ță sunt fabricate din
PDMS (polidimeti lsiloxan), acestea au foarte multe limitări de utilizare . Aceste dispo zitive
realizate di n polidimetilsiloxan nu sunt recomandate pentru studii care includ industria
farmaceutică, deoarece au suprafa ța adezivă, ceea ce conduce la absorbț ia molec ulelor
mici, cum ar fi hormonii, și absorb ția proteinelor. Concentra ția une i molecule specific e nu
poate fi determinat ă exact dacă materialul din care este executat dispozitivul microfluidic ,
absoarbe moleculele mici . În plus, materialul polymeric PDMS nu este o opțiune viabilă
pentru produc ția în masa și automatizare.
Polimer ii termoplastici au mai multe avantaje , inclu zând costul redus al ma terialelor,
disponibilitatea unei game de prop rietăți ale materialului adaptate nevoilor specific și
facilității pentru o abordare rapidă. D intre multe materiale termo -plastic e, materialul
copolimer olefin ciclic (COC ) are proprietăți optice bune și proprietăți chimice bune, cum
ar fi rezistența scăzută la apă . Materialul COC prezintă avantaje ca : o transparen ță
ridicat ă, rezisten ță chimică puternic ă și o absorbție redusă a a pei, și de acee a îl face
perfect pentru utilizarea acestuia în realizarea studiilor pe dispozitive microfluidice, și este
și adecva t pentru realizarea acestuia în industria farmaceu tică, spre deo sebire de PDMS,
care nu este deloc recomandat în această industrie după cum am prezentat mai sus.
În tabelul 5.1 sunt prezentați poliem eri, de la cel mai bun polimer pentru utilizarea acestuia
la real izarea dispozitivelor microfluidice, p ână la cel mai slab polimer , care nu este
recomandat în folosirea acestuia la realiza rea lor.

Tabel 3.2

6. Utilizarea polimerilor pentru realiza rea disozi tivelor microfluid ice

6.1 Utilizarea polimerilor pentru re alizarea dispozitivelor microfluidice în
comparație cu alte materiale
De-a lungul timpului s -au utilizat diferite materi ale pentru realizar ea dispozitivelor microfluidice
cum ar fi silicon ul sau sticla. Dintre toate dispozitivele microfluidice au fabricat e din materiale
polimerice au arata t ca sunt mult mai superioare față de celelal te materiale, dat orită costului mic
al acestora pre cum și utilizarea lor în producție de m asă. Materialele polimerice au o varietate de
proprietă ți caracter istice de material, cum ar fi rezistență mecanică, transparență optică, stabilitate
chimică si biocompatibilitate. Poliem erii au rezultate excelentă în privința replicării, iar dacă sunt
aplicate condițiile op time de prelucrare, aceștia pot umple complet și reproduce cu preci zie m ici
caracteristici p ână la zeci de mic roni. D atorită v âscoelasticită ții polimerilor, cresc ând viteza de
forfecare și mențin ând temperat ura polimeru ui în timpul etapei de umplere, acești a ar asigura o
vâscozitate suficientă pentru ca polimerul sa umple cele mai mici detalii ale cavității matriței. [10]
De altfel, calitate car acterisitcilor suprafeței modelate depinde ap roape complet de cal itatea și
precizia matriței . Au fost raportate experimente cu utilizarea modelării prin injecție pentru a
reproduce cu succes, de exemplu, sub un micron caracteristici de testare , elemente optice de [și
suprafețe cu modele nano -structurate sau topografie l a scară nano .[10]
În tabelul 6.1 au fost comparate c âteva caracteristici cu privier la realizarea dispozitivelor
microfluidice din polimeri s au sticlă.
Vizibil UV
Copolimer
ciclic olefin COC70-155 190-320 60-80 0.01 Excelent Bun Excelent Excelent
Polimetilme
tacrilat PMMA100-122 250-260 70-150 0.3-0.6 Bun Bun Excelent Bun
Policarbonat PC 145-148 260-270 60-70 0.12-0.34 Bun Bun Excelent Slab
Polistiren PS 92-100 240-260 10-150 0.02-0.15 Slab Bun Excelent Slab
Polipropilen PP -20 160 18-185 0.1 Bun Bun Bun Potrivit
Polietereter
cetonă PEEK147-158 340-350 47-54 0.1-0.5 Excelent Bun Slab Slab
Polietilen
tereftalatul PET69-78 248-260 48-78 0.1-0.3 Excelent Excelent Bun Bun
Polietilenă PE -30 120-130 180-230 0.01 Excelent Excelent Potrivit Potrivit
Policlorura
de viniliden PVDC0 76 190 0.1 Bun Bun Bun Slab
Policlorura
de vinil PVC80 180-210 50 0.04-0.4 Bun Excelent Bun Slab
Polisulfona PSU 170-187 180-190 55-60 0.3-0.4 Potrivit Bun Potrivit SlabTransparență
opticăRezistență
la
acid/bazeMaterial
polimericAcronim Tg (°C) Tm (°C)CTE
(10-6*K-1)Absorbția
apeiRezistență
la solvenți

Tabel 3.3
Polimer Sticla
Costuri de fabricare Costuri scăzute în raport cu sticla, în
special în pro ducția de masă Costuri mari de fabricare, în
special la realizarea de substraturi
cu suprafață mare
Complexitatea
fabricării Etapele de fabricare sunt mai simple
decât la fabricare dispozitivelor din
sticlă Timp de fabricare mărit și
costisitor
Proprie tății O varietate de tipuri de polimeri au
proprietăți mecanice ridicate,
proprietăți optice, chimice și
biologice Mai puține proprietăție spre
deosebire de polimeri
Compatibilitatea cu
solvenți organici sau
cu acizi puternici Cu excepția unora, polimerii
în general nu sunt compatibili cu
majoritatea
solvenți organici și în unele cazuri,
baze puternice sau acizi Rezist ență buna la solvenți
organici și acizi

6.2 Cerințele materialelor polimerice pentru fabricare
Micro -injecția este un process care implic ă condiții severe de funcționare în cee ace privește
temperaturile (până la puține sute de grade) și presiuni (până la zeci de mega pascali). În plus,
fiind un material v âsco elast ic, topiturile polimerice prezintă o subțiere la forfecare, adică o
scădere a v âscozității odată cu creșterea vitezei de forfecare. Astfel, modificări radicale în
proprietățile materialului sunt a șteptate datorită ratelor mari de forfecare care rezultă din
curgerea în micro cavități. De aceea polimerul selectat trebuie să fie adecvat pentru modelarea
prin micro -injecție. În general, toate materialele polimerice termoplastice st andard care sunt
potrivite pentru modelarea prin injecție convențională pot fi utilizate pentru modelarea prin
microinjecție cu specificația că unele condiții de manufacturabilitate sunt îndeplinite De
exemplu, polimerul trebuie să posede o vâscozitate s căzută și prin urmare , proprietăți bune de
curgere. Prin urmare, majoritatea materialelor utilizate astăzi în modelarea cu micro -injecție sunt
cu vâscozitate red usă. O rezistență mecanică ridicată este, de asemenea, recomandată pentru
ca matrița să reziste la solicitări mecani ce asociate cu forțele de frecare . [18]
De altfel, material ul polimeric trebuie să fie compatibil cu material ul din care este ex ecutată
matrița, astfe l încât, în timpul procesului materialele polimerice pot avea difericte ef ecte în raport
cu materialul matri ței.

7. Proiectare piesă

Pentru această cercetare a fost realizată o piesa (fig.1) de tip dispozitiv microfluidic [1] din compozit
polimer ic conductor.
Materialele polimerice sunt una din clasele importante de materiale artificiale, alături de
materiale le metalice, materialele compozite și materialele ceramice.
Materialele polimerice au ca principal compon ent polimerii sau mac romoleculele, cărora li se
adaugă diferiți alți constituenți precum: plastifianți, aditivi petru creșterea rezistenței la uzură,
absorbanți de ultraviolete și stabiliz atori la lumină, antioxidanți, stabilizatori la căldură, lubrefianți ,
agenți antistatici, agenți antim icrobieni și fungistatici, agenți de expandare, odoranți, coloranți,
materiale de umplere speciale .
Polimerul este o substanță obținută prin polimerizarea mai multor molecule organice, de același
tip sau de tipuri diferite, numite mono meri.
Procesul de po limerizare în cursul căruia se leagă între ele molecule de același fel poate fi
reprezentat prin schema nA ->(A) n în care A este monomerul, iar n este gradul de polimerizare
Polimerii se împart în d ouă categorii și anum e: polimeri plastici, care se împa rt la rândul lor în
polimeri termoplastici și polimeri termorigizi și elastomeri, care la rândul lor se împart în el astomeri
vulcanizabili, elastomeri de reacție și elastomeri termoplastici.
Pentru realizarea dispo zitivului microfluidic se folosește un polimer termoplastic, si anume
PMMA ( polimetilmetacrilat ). Materialele termoplastice sunt materiale polimerice lini are sau
ramificate , care devin moi când se încălzesc și se resolidifică când se r ăcesc. Sunt utilizate în
special la njecția în matriță . [18]

Figura 3.3-Dispozitiv microfluidic [1]
Dispozitivele microfluidice sunt disp ozitivele utilizate în stud iile microfluidice în care micro –
canalele au fost modelate sau turnate. Microcanalele care formează dispozitivul microfluidic sunt
conectat e între ele pentru a permite trecerea fluidelor, mergând dintr -un loc în altul. Acestea rețea
este conectată la medi ul exterior prin porturi de intrare și ieșire . Lichidele sau gazele sunt
injectate, gestionate sau eli minate din cipul microfluidic cu modur i pasive sau sisteme active
externe (regulator de presiune, seringă). Canalele pot avea diametr e interioare diferite , de obicei
cuprinse intre 5 si 500 nanometri , iar rețeaua lor trebuie sa fie special proiectată pentr u aplicația
și analiza necesar ă.
Piesa este realizată din polimetilmetacrilat (PMMA). Acesta este un polimer termoplastic
foarte transparent, obțin ut prin polimerizarea monomerului de metilmet acriliat. Datorită
transparenței, aspectului estetic și a rezistenței la zgârieturi PMMA -ul poa te fi considerat o
alternativ ă usoară a sticlei. Este o masa sticloasa, transparenta, termoplastica cu caracteristic i
optice remarcabile, rezistent ă din punct de vedere mecanic si chimic.
Polimetilmetacrilat este un polimer termoplastic dur, rigid, ca sant. Este unul dintre cei mai
importanți polimeri acrilici cu aplicații biomedicale. PMMA are formulă chimică: (C 5O2H8)n.
Din punct de vedere al comport ării in reactia de polimerizare metilmetacrilatul polimerize aza
termic la temperaturi de 100 -150° C. Aparitia gel efectului este un fenomen de autoaccelerare a
reactiei, insotita si de cresterea gradului de polimer izare. La polimerizarea in masa
autoaccelerarea incepe sa se manifeste in jurul conversiei de 20% .
Structura chimică a PMMA este reprez entată în figura 4.2. [19]

Figura 3.4-Structura chimică a PMMA -ului [19]

În tabelul 3.4, sunt prezentate câtev a dintre proprietățile PMMA: [20]
Tabelul 3.4
Proprietatea Valoarea
Densitatea 1,17 g/cm3
Rezistența la tracțiune La rupere – 48-76 MPa
Modulul de el asticitatea 2241 -3240 MPa
Abrobția apei 0,3-0,6 %
Temperatura de topire 250-260° C
Indice de refracție 1,49-1,5
Coeficientul de expansiune termic ă CTE (10-6K-1) 70-150

PMMA -ul este disponibil sub forma de granule și pot fi prelucrate prin injecț ie, extrudare și
suflare.
Principalele caracteristici ale PMMA -ului:
➢ Proprietăți optice excepționale
➢ Rigiditate si stabilitate dimensională
➢ Rezistență excelentă la razele soarelui (radiație ultravioletă) și îmbăt rânire sub
influență factorilor de mediu
➢ Transparență și luciu
➢ Duritate și rezisten ță la zgârieturi
➢ Rezistența la impact este de 30 de ori mai mare decât a sticlei
➢ Prelucrabilitatea este bună: materialul poate fi curbat, îndoit la rece sau la cald, se
poate tăia, vopsi, grava, serigrafia
➢ Utiliza re în gama de temperature -20° C până la +8 5° C
În figura 4,3 este prezentat desenul de execuție al dispozitivul ui microfluidic , cu un detaliu
pentru vederea mai clara a microcanalelor . Acesta are dimensiuni de gabarit de 30,56 X 30,56

mm, iar grosimea microcanelelor care permit trecerea microf luidelor dintr -un loc în altul este de
0,29 mm.

Figura 3.5: Desen ex ecuție piesă

Figura 3.6: Un microcanal al piesei cu unghi de înclinare pozitiv
Piesa este realizata prin proce sul de micro -injecție, proce sul prin care un material termoplastic
adus în stare termo -vâsco -elastică sub acțiunea căldurii, este injectat sub presiune ridicată în
cavitatea activă interioară a matriței, unde are loc răcirea și sol idificarea lui. După un timp suficient
materialu l se răcește în forma matriței si este ejec tat, iar ciclul se repetă. Un ciclu poate dura între
câteva secunde și câ teva minute. [6]
Procesul de micro -injecție este unul dintre principalele tehnici de fa bricare a dispozitivelor
microfluidice polimeric e pentru multe aplicații, majoritatea fiind in domeniul medical.

8. Realizarea cavității matriței
Cavitatea matri ței realizate pentru obținerea dispozitivul microfluidic este realizat ă prin
tehnologia laser.
Tehnologia laser se folosește pentru real izarea de micro -structuri deoarece, datorit ă rezoluției
sale ridicate, se pot obține detalii care pot fi vizibile do ar la microscop. Pentru a avea o idee
asupra rezoluției de prelucrare, materialul prelucrat se evaporă pe straturi care pot avea grosimi
de 0,1µm, pana la sutimi de milimetru.
Ablația cu laser constă în îndepartarea materialului de pe o suprafață soli dă în urma
interacțiunii cu un fascicul laser.
Ablația laser a fost aplicată cu succes pentru producerea de micro -structuri si texturi d e
suprafață pe părți miniaturizate în diver se domenii precum biomedicina, microelctronică, servi cii
de telecomunica ții, aerospațiale, automobile si microinjectare.
Procesul de ablație are loc intr -o gama largă de presiuni: de la vid ultraînalt (10-7-10-12 mbar)
pana la presiunea atmosferica în prezența unui gaz de lucru (reactive: O 2, N2 sau inert :Ar,He,Ne).
Tipul laserului pentru relizarea cavității matriței este Nd: YAG. Mediul gazdă pentru acest laser
este Yttrium Aluminium granat (YAG=Y 3 Al5O12) cu 1,5 % ioni trivalenți de neodim (Nd3+) prezenți
ca impurități.

Principiul de functionare:
Tip laser: Nd:YAG
Lungi me de undă: 1064 nm
Fluență: 2,8 J/cm2
∆t=10-25 ns
In figura 2 este reprezentat principiul de functionare al ablatiei cu laser.

J. Chou/A pplied Surface Science 255(2009) 5191 -5198
Fig. 3.7-Principiul de functionare al ablatiei cu laser

Fig 3 .8-: Schema te hnologiilor componente ale unui laser
Laserul folosește atomii pentru a emite lumina într -un mod coerent. Electronii atomilor aflați în
mediul laserului sunt întâi absorbiți sau ene rgizați, într -o form ă excitată de către o sursă de
energie. Apoi sunt „ stimulați” de către fotonii externi pentru a emite energie în formă de fotoni,
procesul denumindu -se emisie stimulată. Fotonii emiși au o fr ecvență carcteristică atomilor și se
produc î n etape cu fotonii s timulați. Acești fotoni în mișcare acționează asupr a altor atomi pentru
a se produce alți fotoni. Amplificarea luminii este realizată atunci când fotonii se deplasează
înainte și înapoi între două oglinzi paralele, emițând o rază stimul ată. Lumina las serul ui intensă,
direcționată și monocromatică iese în f inal prin una dintre oglinzi, argintată parțial. [21]

Fig 3.9 : Exemplu de prelucrare a unui strcutir microfluidice cu ajutorul laserului
Focusarea razei laser este realizată de o unitate scanner cu lentilă f -theta, prin care se poate
realiza un diametru de focalizare de aproximativ 9 µm pe un câmp de lucru de 40x40mm2.
Două camere pentru monitorizarea procesului și măsurarea poziți ei permit controlarea ablației si
alinierea microstructurilor. În spațiu de lucru, fasciculul laser este ghidat de unitatea unitatea
laser pe suprafața materialului.

Figura 3.10: Principalele componente ale spațiului de lucru cu ablație laser
În figura 3.11 a fost reprezentata cavitatea matri ței, cu rețeaua de injecție p e unde
va trece materialul.

Figura 3.11 : Cavitatea matri tei cu reteaua de injectie

9. Parametr ii caracteristici tehnologici ai procesului de injecție în matriță
9.1 Temperatura matriței și a topit urii de material plastic

Pentru materialul PMMA, temperatura matriței este cuprinsă intre 80 -100°, iar temperatu ra
materialului topit este cuprinsă între 250 -260°.
Pentru măsurarea temperaturii se montează senzoti în cilindrul plastificator, duza de injecție și
canalul de in jecție. [18]
Temperatura matriței are un rol important influențând: tensiuni interne; d eformări; precizia
dimensională; greutate; calita tea suprafeței. [18]
Suprafața cavitații interioare se incalzește cu 5 – 10 °C în timpul fazei de injecție, c ând vine în
contact cu topitura. În timpul producției se ajunge la o stare de echilibru, între a dmisia și pierderea
căldurii. Aceasta temperatura e ste mai mare cu (10 – 30) °C decat punctul de reglare al
materialului topit de către unit atea de control, care trebuie v erificat și ajustat periodic. [18]

Figura 3.12 :Diagrama temperaturilor în cavitatea ma triței[18]

9.2 Viteza de injecție a materialului

Viteza de injecție este determinat ă de mărimea piesei injectate, de forma ei și în genera l trebuie
să fie mai mare. Presiunea de injecție trebuie sa fie destul de mare în așa fel încât să asigure că
viteza de injecție nu are o cădere a valorii mai jos decât valo area determinate în timpul întregului
proces de injecție.
O viteză constantă a fluxului de material se obtine prin optimizarea vitezei de o rotație a melcului
și a profilului lui .
Viteza de in jecție pentru realizarea reperului a fost aleasă ca fiind 85 mm/s.

9.3 Forța de închidere a matriței și presiunea din cavitatea matriței
Forța de închidere determină ale gerea mărimii mașinii de injectat.
𝐹𝑖=𝐴⋅𝑃𝑖
100 (𝐾𝑁),𝑢𝑛𝑑𝑒 :
Pi -presiunea interioară medie, respective presiunea din cavit atea matriței închise [bar]
A-suprafața echivalentă proiectată a piesei de injectat, f iind o sumă a tuturor suprafețelor
supus e la presiune, preictate pe planul platourilor de străngere a matriței.

Cu ajutorul programului Autodesk Inventor am determin at ca aria reperului ca fiind A=21,72
cm2.
Forța de închidere depinde și de alți fac tori tehnologici, cum ar fi:
• Rigiditatea mașinii de injectat
• Rigiditatea matriței de injectat
• Forma constructivă a piesei
• Sistemul de aerisire a matriței
• Parametrii de proces
• Materialul de injectat
Valoarea presiuni interioare medie, alese experimental , pentru materialul PMMA este de 400
bar.
În cele din urmă, forța de închidere va deveni:
𝐹𝑖=21,72∗400
100=86,88 𝐾𝑁

10. Aplicații pentru microfluidice polimerice

Utilizarea în viitor a dispozitivelor microfluidice depinde de găsirea unor me tode care să le
permită fabricarea în volume mari și la costuri reduse. Acest lucru este important în special pentru
aplicațiile medicale, unde din punct de v edere al siguranței, dispozitivele ar trebui să fie de unică
folosință pentru a evita contaminarea . În plus, din punct de vedere economic, un dispoz itiv de
unică folosință nu ar necesita întreținere sau recalibrare .[17]

Pe o bază comercială, Thinxxs, de exemplu, produce un sistem ”lab-on-a-chip” pentru
diagnosticul afectiunilor sânge lui. Acesta i nclude funcții precum, separarea, amest ecarea cu
reactivi, analiza și absorbția deșeurilor.

Siste mele de analiză ADN, cum ar fi bi o-MEMS (microsisteme electromecanice pentru
aplicații medicale) , µ-TAS (dispozitiv care automatizează și in clude toți pasii necesari pentru
analiza chimică a unei probe) și LOC (sisteme de analiză de laborator , integrează u na sau mai
multe funcții de labor ator pe un singur circuit integrat) care sunt fabricate în mod tipic din sticlă,
sunt fabricate în prezent din polimeri. Un exemeplu ar fi firma Micralyne, o companie specializată
în sisteme MEMS, și -au extins capacitățile de producție pentru a include pol imerii ca alternativă
a sticlei, cu un preț mai mic. [6,16]
De-a lungul timpului s -au folosit diver se materiale pentru producerea de piese micro, cum ar
fi sticla sau siliconul, dar materialele polimerice s -au doved it a fi superioare acestor materi ale din
mai multe puncte de vedere.
Materialele polimerice au costuri relativ scăzute, în special pen tru producția de dispozitive de
unică folosință. În plus, costurile nu sunt foarte afectate de complexitatea proiec tării, deoarece
complexitatea pro iectării are mai ales impact asupra proiectării matriței decât asupra procesului
de turnare în sine.
Tehnologia Lab -on-a-Chip poate deveni curând o par te importantă a eforturilor de
îmbunătățire a sănătății globale, î n special prin dezvoltarea de dispozitive de testare de unică
folosință . În unele cazuri, clinicile medicale sărace au medicamente pentru a trata o anumită
boală, dar nu au instrumente de di agnostic pentru a identifica pacienții care ar trebui să primească
medicamentele. Mulți cercetători cred că tehnologia LOC poate fi cheia pentru noi instrumente de
diagnostic. Scopul acestor cercetători est e de a crea cipuri microfluidice care să le permit ă
furnizorilor de servicii medicale din clinici slab dotate să efe ctueze teste diagnostice, cum ar fi
analize de imunologie și analize de acid nucleic, fără sprijin de laborator .[7]
O altă aplicație e ste Cancer -on-a-chip(CoC), care se bazează pe cipu ri microfluidice cu
compartimente de dimensiuni micrometrice pana la milimetrice și microcanale care permite
transportarea fluidului controlat. Compartimentele pot fi folosite pentru a cre a o nișă în care „ mini-
tumorile” pot crește, se pot dezvolta și inte racționează în propriul microambient specificat, similar
cu locul unde se dezvoltă acestea în corpul uman. Dimensiunea lor mică permite compoziției
celulare și matricială, gradienții local i biochimici și fo rțe mecanice, cum ar fi forfecarea și întindere,
sa fie puternic controlate. Aceste compartimente sunt optic accesi bile pentru observarea în direct,
deoarece majoritatea jetoanelor sunt fabricate din polidimetilsiloxan (PDMS) sau PMMA. În plus,
toate disp ozitivele microfluidice funcționează cu mici volum e de reactivi, ceea ce reduce costurile
experimentale.
În literatura de specialitate, micro -injecția în matriță este utilizata pentru aplicații microfluidice
cum ar fi platforme de electroforeză capi lară (CE), schimbătoare de căldură miniaturizate s i
nanofiltre.[6]

11. Concluzii
Aceasta lucrare a urmărit să prezint e tehnologia de ultimă generație a micro -injecției pentru
dispozitive microfluidice și să prezinte evoluții ale acesteia. Realizarea de disp ozitive microfluidice
din materiale polimerice s-a dovedit a fi o metodă mai ieftină față de cele fabricate din sti clă, iar
pașii de fabricare a acestui dispozitiv pol imeric microfluidic sunt mai simpli. Ultimul deceniu a
cunoscut evoluți i majore în domeni ul tehnologiei care a făcut -o una dintre cele mai preferate

tehnici cu volum mare pentru fabricarea microfluidicelor . Aceste cipuri se demonstrează a fi foarte
eficiente în domeniul medical și nu numai, avănd avantajul în primul rând al u nori costuri scăzu te.
În viitor se preconizează că aceste microcipur i vor fi din ce in ce mai folosite si vor evolua
adaptandu -se dive rselor cerințe medicale. Aceste cipuri sunt ușor de folosit, și pot fi un mare
ajutor pentru cabinetele medicale slab dota te, care vor sa fa că testări fara a fi necesar sa aștepte
rezultatel e de la un laborator de analiză specializat.
Contributia origi nală a lucrării este realizarea unui cip microfluidic cu ajutorul programului
Autodesk Inventor și prezentarea tehnologiei de fabricare a ac estei, precum si a diferitelor teste
care se pot r ealiza pe acesta.
În prezent, utilizarea acestor cipuri microflu idice sunt des utilizate, mai ales în acest context de
pandemie, diverși cercetători le folosesc pentru a descoperi vaccin ul impotriva virus ului SARS –
CoV-2.

Bibliografie
Bibliografie
[1]:Battenfeld Injection Molding, “Micro -Moulding the innovative system solution for moulding of micro
precision parts”
[2]:DUMITRESCU Andrei; O PRAN Constantin; 2002; Materiale polimerice; Caracterizare, Proprietati,
Prelucrare; Oficiul de informare documenta ra pentru industrie, cercetare management; Bucuresti,
Romania; pp.137; ISBN 973 -8001 -32-3.
[3]Jelle J. F. Sleeboom , Hossein Eslami Amirabadi, Poornima Nair, Cecilia M. Sahlgren and Jaap M. J.
den Toonder ,“Metastasis in context: modeling the tumor microenvironment with cancer -on-a-chip
approaches ”, The Company of Biol ogists
[4]Sandeep K uriakosea, Anil Varghese Mangalana, Babu Namboothiri, Amitava Ray,”Micro Machining
Process Selection: An Integrated Theory”, Procedia Tehnolo gy, 2016, Department of Mechanical
Engineeri ng, NIT Silchar, Silchar, Assam, 788010, India
[5] LAZAR Oana, “Caract erizarea electrica si optica a unor filme subtiri”, UPB,2016
[6]: OPRAN Consta ntin Gheorghe; 2016; Tehnologii de injecție în matriță produse polimerice; Editura
Bren; Bucuresti, Roman ia; pp.252; ISBN 978 -606-610-201-8; pp.253.
[7]: Constantin OPRAN, Daniiel SERB AN, “ Complex Micro Machining of an Injection Mold Surface
for a Conduc tive Polymeric Composite Product”, MATEC Web of Conferences 290, 2019
[8]: A. Schubert, S. Grob, B. Schulz, U. Eckert “Sequential combinat ion of micro -milling and laser
structuring m anufacturing of complex micro -fluidic” , Physics Procedia
[9] Jessie Sungyun Jeon , “3D Cyclic Olefin Copolymer (COC) Microfluidic Chip Fabrication Using Ho t
Embossing Method for Cell Culture Platform ”, Bachelor of Science in Mechanical Engineering
Massachusetts Institute of Technology, 2008
[10] Daniiel SERBAN, Giuseppe Lamanna, Constantin OPRAN, “Mixing, Conveying and Injection
Molding Hybrid System for Conductive Polymer Composites”, CIRP Conference on Manufacturing
Systems, 2019
[11]: Guido To sello, 2018, “Micro Injection Molding”, Hanser Publications, ISBN: 978-1-56990 -653-8,
Cincinnati
[12]: Usama M, Attia, Silvia Marson, Jeffrey R., “Alcock Micro -Injection Mouldin g of polymer
Microfluidic Devices”, Microflu idics and Nanofluidics, Volume7, Number 1, July 2009
[13] https://www.resinex. ro/tipurile -de-polimeri/p mma.html
[14]: https://ro.mediatekstore.com/m icrofluidics -search -killer -application -58421309

[15]: https://en.wikiped ia.org/wiki/Lab -on-a-chip
[16]Note de curs -TIM, Prof. dr. I ng. Constantin Opran
[17] https://www.scrigroup.com/educatie/chimie/Polimetilmetacrilat -Bazele -fiz13573.php
[18]: https://ro.scribd.com/document/119897754/PMMA
[22] https://www.slideshare.net/amcosma/l aser-yag