KMU-innovativ Umformung von Folien mit bereits aufgebrachten elektronischen Komponenten zur Herstellung von Lab-on-a-Chip-Testträgern mit erweiterten Funktionalitäten (SmartLab2)

Problemstellung
Verschiedene umfangreiche Analyseverfahren, beispielsweise zur Bestimmung von Krankheitserregern, werden via Lab-on-a-chip-Analysen im Labor oder im medizinischen Umfeld durchgeführt. Hier kann es durch eine manuelle Fehlmontage des Analyseaufbaus oder bei einer Nichteinhaltung definierter Prozessschritte zu fehlerhaften Ergebnissen kommen. Intelligente Testträger haben das Potenzial, die Qualitätssicherung vor, während und nach der Analyse deutlich zu verbessern und ungenaue Ergebnisse zu vermeiden. Dazu bedarf es einer integrierten, intelligenten Sensorik, die die Testfunktion während der Analyse überwacht und damit zu aussagekräftigen und sicheren Ergebnissen führt.

Projektziel
Das Ziel des KMU-innovativ Projekts SmartLab2 ist die Herstellung von Testträgern aus umgeformten Kunststofffolien mit aufgedruckter Qualitäts-Sensorik. Dabei wird die Sensorik bereits auf das zweidimensionale Foliensubstrat aufgebracht und anschließend zu einem 3D-Körper umgeformt. So kann der Aufbringungsprozess der Sensorik vereinfacht und durch die integrierte Sensorik eine kontinuierliche Überwachung der Prozessschritte mit einer hohen Genauigkeit erzielt werden.

Vorgehensweise
Dazu wird eine Drucktinte entwickelt oder adaptiert, die beim Aufdrucken der Sensorik bestimmte Anforderungen erfüllt. Beispielsweise muss diese so umformbar sein, dass ihre elek-trische Leitfähigkeit nach dem Umformen erhalten bleibt. Im ersten Schritt werden vorhandene Tinten untersucht und auf die Anforderungen getestet und evaluiert. Im zweiten Schritt erfolgt die Simulation der Verzerrung der aufgedruckten Sensorik beim Umformprozess, bei dem aus der Folie der gewünschte Testträger geformt wird. Dazu wird das Material der Folie verfahrensbedingt gestreckt, was zu einer Verzerrung des Druckbildes führt. Mit Hilfe der zu entwickelten Simulation kann die Verzerrung vor dem Aufbringen der Strukturen auf die Folie berechnet und somit berücksichtigt werden. Die für die Berechnung benötigten Materialcharakteristiken der Folien sind durch Versuche zu bestimmen. Abschließend wird der Umformprozess hinsichtlich möglicher Optimierungen untersucht, da dieser einen großen Einfluss auf die Verformung der Sensorik ausübt. Schließlich werden die Tinte und die Simulation zusammengeführt und anhand von Versuchen getestet und iterativ verbessert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Nach erfolgreichem Abschluss des Projekts ist es zukünftig möglich, Sensorstrukturen auf 2D-Folien zu drucken und diese umzuformen, ohne die spätere Funktionalität des Sensors negativ zu beeinflussen. Neben einer Verbesserung von Laboranalysen können somit gedruckte Sensoren auf jede beliebige Oberfläche aufgebracht werden. Dadurch erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten und ermöglichen die Überwachung von weiteren Prozessen, wie beispielsweise in Bereichen des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Verpackungsindustrie.

• accensors GmbH
• Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
• OrelTech GmbH
• SimpaTec Engineering GmbH