Automatische inline Sensor-Kalibrierstation für hochviskose Medien

Bio-Printing fordert die genaue Kontrolle der Menge des extrudierten Materials. Die Sensoren müssen in der Regel für jedes Fluid neu kalibriert werden. Mit einem neuen Verfahren können Drucksysteme direkt auf der Plattform kalibriert werden

Steckbrief

  • Lead-Departement Technik und Informatik
  • Institut Institut für Drucktechnologie IDT
  • Förderorganisation Innosuisse
  • Laufzeit 01.05.2018 - 31.12.2021
  • Projektverantwortung Karl-Heinz Selbmann
  • Projektleitung Karl-Heinz Selbmann
  • Partner regenHU Ltd
    CSEM SA
  • Schlüsselwörter Micro-Durchflussraten, thermische Sensorkalibration, Optical flow, Bio-printing, inline Durchflussmengen-Messung, Time-Pressure Dispensing, Einweg Durchfluss-Sensor

Ausgangslage

Bei Bioprinting-Anwendungen ist eine genaue und saubere Kontrolle der Extrusion wichtig, um stabile und präzise Strukturen generieren zu können. Die Materialien, welche zum Extrudieren verwendet werden, sind oft hochviskos und haben ein elastisches Fliessverhalten. Diese Eigenschaft erschwert es den konventionellen Durchfluss-Sensoren, die Durchflussmenge von solchen Medien zu messen. Vor allem ist die Messung bei niedrigen Durchflussmengen, wie bei 0.5 µl/min, sehr schwierig. Ziel des Projekts war es, eine Messmethode sowie den dazu passenden Aufbau zu entwickeln, mit der ein grosser Bereich der Durchflussmenge von hochviskosen Medien (0.5 µl/min bis 66 µl/min) ermittelt werden kann. Weil das Verfahren im medizinischen Bereich angewendet wird, darf es zu keinen Kontaminationen kommen. Aus diesem Grund muss das System entweder sterilisierbar sein oder als Einwegprodukt (single use) verwendet werden.

Vorgehen

Als erstes wurde eine Liste von bereits existierenden Durchfluss-Sensoren und Technologien erstellt. Damit wurde eine erste Übersicht über den aktuellen Markt geschaffen. Von dieser Liste wurden jene Sensoren, welche für diese Arbeit in Frage kamen, erworben und evaluiert. Allerdings wurde festgestellt, dass keiner der bereits existierenden Sensoren alle Anforderungen erfüllte. Deshalb wurden die einzelnen Technologien genauer untersucht und es wurde eine neue Liste erstellt, welche diese Technologien nach Kapazitäten, Stärken und Schwächen gliedert. Schliesslich haben sich die Forschenden dafür entschieden, sämtliche Prototypen von mechanischen, thermischen sowie optischen Sensoren selbst zu entwickeln und den bestgeeigneten Sensor herzustellen.

Ergebnisse

Das neue Verfahren besteht aus einem kleinen thermischen Sensor als In-Line Messsystem. Mit einem Kamerasystem wird der thermische Sensor kalibriert. Für die Kalibration wurde ein Programm geschrieben, mit dem es möglich ist, automatisch mehrere Flussraten stufenweise abzufahren. Dazu wird das Signal des thermischen Sensors gemessen und gespeichert. Gleichzeitig wird mit dem Kamerasystem der Düsenaustritt aufgenommen. Mit den Kameraaufnahmen wird die genaue Flussrate des Mediums am Düsenaustritt mit einem Algorithmus berechnet. Anschliessend berechnet die Software eine Kalibrierfunktion für den thermischen Sensor. Nach der Kalibrierung kann nun der reguläre Druckvorgang gestartet werden, wobei jetzt mit hoher Frequenz die Durchflussmenge mit dem thermischen Sensor gemessen werden kann. Während des Druckprozesses wird das Kamerasystem nicht mehr benötigt.