Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Autor: Juan Ignacio Medrano Trujillo Tutor: José Manuel Quero Reboul Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 iii Trabajo Fin de Máster Ingeniería Electrónica, Robótica y Automática Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Autor: Juan Ignacio Medrano Trujillo Tutor: José Manuel Quero Reboul Catedrático Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Trabajo Fin de Máster: Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Autor: Juan Ignacio Medrano Trujillo Tutor: José Manuel Quero Reboul El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis amigos A mis profesores ix Agradecimientos Me gustaría agradecer la ayuda aportada por el que ha sido mi tutor durante la elaboración del Trabajo Fin de Máster. José Manuel, muchas gracias por su paciencia, confianza, empeño y ayuda para facilitarme alcanzar esta meta. Durante esta etapa, he convivido con muchas personas que han querido aportar su granito de arena, desinteresadamente, manteniéndome motivado y centrado en acabar este camino, compañeros y amigos. He aprendido mucho de todos, gracias. Agradecer a Antonio, por su inestimable ayuda siempre que se lo he pedido. Agradecido siempre a mi familia, por el apoyo, el aguante de mis soliloquios recargados sobre el tema y estar siempre en los baches durante el camino. En especial, a mi padre y su incontable ayuda, aun cuando no salían las cosas bien, él me orientaba y me daba alas para poder terminar esta etapa. Os quiero. Gracias. Juan Ignacio Medrano Trujillo Sevilla, febrero de 2024 4.4 Resultado final. Lectura de gotas 47 5 Conclusión y Mejoras Futuras 57 5.1 Conclusión 57 5.2 Mejoras futuras 59 Referencias 61 Anexo A: Código 63 Anexo B: Fabricación de la PCB 67 Anexo C: Hojas de Características 69 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 – Ejemplo de circuito microfluídico 2 Figura 2 – Ejemplo de PCB 3 Figura 3 – Ejemplos de microsistemas 5 Figura 4 – Discretización de fluidos inmiscibles 6 Figura 5 – Geometría flujo focalizado 7 Figura 6 – Geometría coflujo 7 Figura 7 – Geometría unión T 7 Figura 8 – Generación gotas en unión T 8 Figura 9 – Ejemplos de circuitos microfluídicos 9 Figura 10 – Impresión FDM 10 Figura 11 – Impresión SLA 10 Figura 12 – Impresión DLP 11 Figura 13 – Impresión SLS 11 Figura 14 – Impresión EBM 12 Figura 15 – Resina fotosensible 13 Figura 16 – a) PCB, b) Fototransistor SMD 14 Figura 17 – Croquis del microsistema final integrado 14 Figura 18 – Prisma de dispersión de la luz 15 Figura 19 – Tipos de reflexión de la luz 16 Figura 20 – Ejemplo reflexión y refracción 16 Figura 21 – Tipos de lentes 17 Figura 22 – Cálculo del punto focal 17 Figura 23 – Diseño CAD circuito microfluídico (I) 20 Figura 24 – Diseño CAD circuito microfluídico (II) 21 Figura 25 – Diseño CAD circuito microfluídico final 21 Figura 26 – Diseño en KiCad del circuito de detección 22 Figura 27 – Circuito PCB en 3D 22 Figura 28 – Simulación de lentes en OpticalRayTracer 23 Figura 29 – Circuito microfluídico con lentes 24 Figura 30 – Pieza con diferentes tipos de lentes 25 Figura 31 – Cálculo de la lente en la PCB 25 Figura 32 – Simulación de la integración 26 Figura 33 – Máscara de resina para el circuito electrónico 27 Figura 34 – Resultado final de integración 27 Figura 35 – Modelo impresora Anycubic Photon Mono X2 29 Figura 36 – Interfaz software AnycubicPhotonWorkshop 30 Figura 37 – Selección modelo impresora 31 Figura 38 – Configuración parámetros de impresión 32 Figura 39 – Previsualización de la pieza a imprimir 32 Figura 40 – Resina ámbar Dental marca UniZ 33 Figura 41 – R.E.R.F test de calibración 33 Figura 42 – Resultados del test de calibración 34 Figura 43 – Parámetros de impresión 34 Figura 44 – Pieza fabricada en resina ámbar 34 Figura 45 – Resina transparente Plant-based marca Sunlu 35 Figura 46 – Resultado calibración resina transparente 35 Figura 47 – Detalles test de calibración 36 Figura 48 – Pieza fabricada en resina transparente (I) 37 Figura 49 – Pieza fabricada en resina transparente (II) 37 Figura 50 – Resina transparente Basic marca Anycubic 37 Figura 51 – Arduino 38 Figura 52 – Circuito detección sobre protoboard 39 Figura 53 – Comparativa de referencias de tensión interna de Arduino 39 Figura 54 – Circuito detección PCB 40 Figura 55 – Sin el circuito de resina 41 Figura 56 – Con el circuito de resina 41 Figura 57 – Lente menisco 41 Figura 58 – Lente bicóncava 42 Figura 59 – Lente biconvexa 42 Figura 60 – Comprobación dimensiones plato de impresión 43 Figura 61 – Posición de la pieza 44 Figura 62 – Cinta doble cara 50mm ancho 44 Figura 63 – Fijación al plato de impresión 45 Figura 64 – Impresión de resina sobre PCB 45 Figura 65 – Circuito electrónico y de resina 46 Figura 66 – Resultado de impresión. Electrónica y resina 46 Figura 67 – Prototipo de microcaudalimetro 47 Figura 68 – Circuito dentro del encapsulado 48 Figura 69 – Valor de 𝛼 48 Figura 70 – Configuración de la prueba 49 xix Figura 71 – Generación de gotas y respuesta en el osciloscopio 49 Figura 72 – Generación de gotas a diferentes ratios de caudales 50 Figura 73 – Datos serial de Arduino 51 Figura 74 – Comprobación ecuación de generación de gotas 51 Figura 75 – Análisis ratiométrico tamaño/caudal 52 Figura 76 – Datos Arduino: Qoil = 30µL/min (I) 53 Figura 77 – Datos Arduino: Qoil = 30µL/min (II) 53 Figura 78 – Datos Arduino: Qoil = 30µL/min (III) 53 Figura 79 – Datos Arduino: Qoil = 30µL/min (IV) 54 Figura 80 – Datos Arduino: Qwater = 30µL/min (I) 54 Figura 81 – Datos Arduino: Qwater = 30µL/min (II) 54 Figura 82 – Datos Arduino: Qwater = 30µL/min (III) 55 Figura 83 – Datos Arduino: Qwater = 30µL/min (IV) 55 Figura 84 – Datos Arduino 55 Figura 85 – Falla en el circuito de resina 58 Figura 86 – Pieza antes y después de aplicar resina cruda sobre superficie 58 Figura 87 – Máscara del circuito de detección 67 Figura 88 – Fabricación PCB 67 xxi NOTACIÓN ADC Analog-Digital Converter ADN Ácido desoxirribonucleico CAD Diseño asistido por computadora DLP Digital Ligth Processing FDM Fused Deposition Modelling LED Light Emmitting-Diode LCD Lyquid Crystal Display PCB Printed Circuit Board PDMS Polidimetiloxano PLA Tipo de filamento de impresoras FDM SLA Stereolithography SLS Selective Laser Sintering SLM Selective Laser Melting SMT Surface Mounting Technology SMD Surface Mounting Device RF Radio Frecuencia RERF Resin Exposure Range Finder THT Through-Hole Technology UV Ultravioleta : Tal que < Menor que > Mayor que \ Backslash ⇔ Si y sólo si o Grados ángulo m/s Metros por segundo µL/s Caudal: Microlitros por segundo µm Micrómetro mm Milímetro mm2 Dimensión de superficie. Milímetros cuadrados V Voltios 1 1 INTRODUCCIÓN n este capítulo se pone de manifiesto el punto de partida del proyecto realizado, a fin de comprender y esclarecer la motivación del desarrollo realizado, además de exponer los objetivos del trabajo. Durante los últimos años, la continua evolución de la tecnología ha llevado a la convergencia entre disciplinas aparentemente dispares en el campo de la ingeniería, dando lugar a una revolución en el diseño y la forma en que concebimos y aplicamos sistemas en miniatura, con un alcance que abarca campos desde la medicina hasta la biotecnología y la química. Los avances en estas áreas han permitido el desarrollo de dispositivos capaces de manipular, analizar y controlar fluidos a escalas microscópicas, desbloqueando nuevas fronteras en la detección y comprensión de fenómenos a nivel molecular y celular. 1.1 Microsistemas Como se puede extraer de la palabra, un microsistema es el diseño de un técnica o estructura a través del uso de artefacto o artefactos de escala reducida, es decir, más pequeños de los que se encuentra en general. En el panorama de la innovación tecnológica, los microsistemas [1] emergen para ser una convergencia única entre disciplinas aparentemente dispares, pero intrínsecamente complementarias. Son diseños que aúnan técnicas microelectrónicas con técnicas de disciplinas distintas a la electrónica. Estas áreas de conocimiento, cuando se fusionan en microsistemas abren un abanico de posibilidades teniendo en cuenta el diseño, la producción y la aplicación de este conjunto. En el ámbito de la ingeniería, los microsistemas se enumeran según las propiedades y ventajas de su uso. De este modo, se sabe que: ▪ El uso de materiales es bajo, por tanto, el uso de recursos naturales también lo sería. ▪ Se pueden realizar miniaturas de la aplicación reduciendo el coste y siendo menos invasivo. ▪ Se usan materiales desechables, ayudando a disminuir la contaminación. ▪ Son capaces de fabricarse múltiples unidades, aumentando la flexibilidad y reduciendo costes. En este apartado, exploramos los fundamentos y las contribuciones de la microfluídica y la electrónica para converger en un microsistema, y cómo su sinergia puede revolucionar la forma en que interactuamos y comprendemos sistemas en miniatura. La microfluídica, como parte esencial de los microsistemas, se adentra en el ámbito de los fluidos en volúmenes minúsculos, en el rango de microlitros y nanolitros. A esta escala, los fluidos revelan propiedades únicas y efectos que difieren significativamente de su comportamiento a mayor escala. La microfluídica se centra en comprender y aprovechar estos efectos para crear sistemas que permitan el transporte, la mezcla y la reacción de fluidos con una precisión y control sin precedentes. E Introducción 2 Figura 1 – Ejemplo de circuito microfluídico Esta disciplina, presenta ventajas competitivas como pueden ser los bajos costes de producción y consumo, la capacidad de repetitividad, la precisión al manejar escalas micrométricas o la seguridad frente a agentes contaminantes, entre otras. En frente, el gran inconveniente de ser una tecnología poco madura y en desarrollo, además, de producirse efectos de escala adversos. La microfluídica ha impulsado una gama diversa de aplicaciones en diferentes campos de investigación. En biología, permite el análisis a nivel celular, la manipulación de moléculas y la realización de ensayos en paralelo que aceleran la investigación genómica y proteómica. En medicina, ha dado paso a dispositivos de diagnóstico portátiles y sistemas de administración de fármacos controlados. Su capacidad para separar partículas, realizar mezclas precisas y llevar a cabo reacciones químicas en volúmenes ínfimos ha transformado la forma en que abordamos problemas científicos y tecnológicos. La electrónica, otro componente esencial de los microsistemas, ha desencadenado una revolución digital transversal en todos los aspectos de nuestras vidas. Desde el desarrollo de microprocesadores cada vez más potentes hasta la proliferación de dispositivos móviles. La electrónica ha demostrado su capacidad para miniaturizar componentes y maximizar la eficiencia de sistemas complejos. Esta miniaturización constante ha allanado el camino para su integración en escalas aún más pequeñas. Dentro de los microsistemas, la electrónica aporta una dimensión crucial: la capacidad de detectar, procesar y comunicar información. Los sensores y actuadores electrónicos permiten la medición de magnitudes físicas con alta precisión y sensibilidad. Los microcontroladores y circuitos digitales gestionan y automatizan procesos, mientras que los sistemas de comunicación permiten la interconexión y el intercambio de datos en tiempo real. La electrónica permite que los microsistemas interpreten y respondan a las señales del entorno y del usuario. 3 3 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Figura 2 – Ejemplo de PCB La fusión de estas disciplinas facilita el proceso de investigación y desarrollo, gracias a la sencillez de implementar una funcionalidad a nivel de prototipado usando estas características. 1.2 Contexto y motivación La capacidad de manipular con precisión fluidos en entornos microscópicos ha desencadenado un cambio de modelo en múltiples áreas científicas y tecnológicas. La microfluídica, una rama interdisciplinaria, se ha convertido en motor de innovación al permitir el desempeño de experimentos y análisis en volúmenes pequeños en una variedad de aplicaciones. Sin embargo, para realizar mediciones precisas y controlar los flujos líquidos en estos entornos, es esencial contar con dispositivos de detección altamente sensibles y sistemas de control adaptativos. En este sentido, la integración de sistemas electrónicos y microfluídicos se presenta como una solución prometedora. Los sistemas convencionales de detección de caudal han demostrado su utilidad, pero su aplicación a escalas microscópicas presenta desafíos únicos. La integración precisa de componentes electrónicos y microfluídicos en un espacio reducido exige enfoques innovadores y tecnologías avanzadas. Es aquí donde la impresión 3D SLA emerge como un habilitador clave. Esta tecnología, que permite la fabricación de estructuras detalladas en capas sucesivas de material, ofrece la flexibilidad necesaria para materializar diseños complejos, completos y compactos, allanando el camino para la creación de dispositivos híbridos que aprovechan tanto la microfluídica como la electrónica. En esta intersección de disciplinas, el presente trabajo se sitúa con el propósito de explorar y contribuir al desarrollo y fabricación de un microsistema compuesto de un circuito microfluídico usando la tecnología de impresión 3D de resina sobre una PCB con la funcionalidad de detección de un flujo de gotas. 1.3 Objetivos El propósito principal de este trabajo final de máster es investigar, desarrollar y fabricar circuitos microfluídicos sobre sustrato PCB mediante el uso de una impresora 3D SLA. Además, dentro de la funcionalidad práctica del trabajo, se pretende implementar un sistema de detección electrónica de burbujas para elaborar un prototipo de microcaudalimetro. Se enumeran los puntos esenciales de este trabajo que se desglosan en principales y secundarios: Objetivos principales: o Estudio e investigación de la tecnología de impresión por estereolitografía, así como resinas y parámetros adecuados para la impresora de la marca y modelo Anycubic Photon Mono X2. Fundamentos Teóricos 10 impresión 3D. Todas tienen la finalidad compartida de conseguir construir una pieza en 3D funcional, pero el modo de conseguirlo es diferente entre cada una de ellas: ▪ Impresoras 3D FDM: estas son las impresoras más conocidas en el mercado. El término FDM hace referencia a la extrusión de material en el que un motor empuja un filamento de plástico a través de una tobera que se encuentra a la temperatura de fusión de ese material. Ese filamento se va depositando sobre una base que se enfría a cada capa repitiendo este proceso hasta terminar la pieza. Suelen tener una precisión de unas 100 micras. El coste de impresión es relativamente bajo, es fácil de usar y permite variedad de colores y materiales. El mantenimiento también suele ser bajo. El acabado presenta alta porosidad y por tanto no asegura un resultado estanco. Figura 10 – Impresión FDM ▪ Impresoras 3D SLA: estas impresoras son las más antiguas del mercado. Tienen un funcionamiento más complejo. Se compone de un tanque con una base transparente y una superficie antiadherente donde se vierte la resina. La plataforma de impresión baja hacía el tanque de resina, donde por el otro lado, un láser es dirigido hacia la lámina transparente del tanque donde se encuentra el líquido, en ese momento se cura una capa de resina. El plato con la capa curada asciende para dejar que fluya la resina limpia por debajo repitindose el proceso hasta terminar la impresión. Tienen una resolución de 50 micras y cuenta con una gran variedad de resinas flexibles, biocompatibles, transparentes. Una vez la impresión está finalizada, se necesita de un post-procesado donde se lava la pieza y se cura de nuevo en seco. Las resinas suelen tener un olor fuerte y conviene utilizarlas en espacios ventilados. Existe una variante que es la MSLA (Masked Stereolithography), que utiliza una matriz de LED como fuente de luz a través de una pantalla LCD. Figura 11 – Impresión SLA 11 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA ▪ Impresoras 3D resina DLP: sigue un funcionamiento similar al SLA. La diferencia es, que en vez de ser un láser el que incide sobre la resina, lo hace un proyector produciendo que toda la capa se cure al mismo tiempo. La luz se refleja en un dispositivo de micro espejos digitales Esto ha producido que las impresoras de resina bajen en coste. Aunque es menor en calidad que las SLA, este tipo de tecnología de impresión obtiene unos resultados de buena calidad y con un gran acabado. Al ser una pantalla compuesta por pixeles cuadrados, el resultado es una capa formada por rectángulos. Cuenta con una gran variedad de resinas y requiere también de una segunda etapa de lavado y curado en seco. Figura 12 – Impresión DLP ▪ Impresoras 3D SLS con fusión de polvo: es similar a la SLA. Un láser incide sobre una cuba de polvo de polímero curando la capa. Es capaz de imprimir piezas de geometría compleja y su calidad y acabado son altos. Esta tecnología se está abriendo camino a una comercialización de usuario, aunque de momento suelen usarse en laboratorios y empresas debido a su alto coste. Figura 13 – Impresión SLS ▪ Impresoras 3D SLM impresión de metal: esta tecnología ofrece la posibilidad de poder realizar piezas en metal. Su funcionamiento es parecido a las anteriores. En el tanque se deposita el polvo metálico y un láser se encarga de irradiar en la superficie hasta curar la capa, una vez finalizado, se deposita una capa de polvo metálico para iterar el proceso con el fin de completar la impresión. Los metales que suelen utilizar estas impresoras son algunos como el aluminio, el acero, la plata o el titanio, entre otros. Fundamentos Teóricos 12 ▪ Fusión por haz de electrones (EBM): utiliza un haz de alta energía para inducir la fusión de entre las partículas de polvo metálico, solidificando el material. Ofrecen una velocidad de construcción superior, pero unos detalles bajos debido a que el grosor de la capa es mayor. Estas piezas se fabrican en vacio y el proceso solo se pude aplicar a materiales conductores. Figura 14 – Impresión EBM ▪ Fusión por chorro múltiple (MJF): durante el proceso, la impresora deposita una capa de material en polvo sobre la superficie de impresión. Posteriormente, un cabezal de inyección de tinta recorre el polvo y deposita sobre él un agente de fusión en las zonas a imprimir y un agente de detalle en las que no. Luego se calienta mediante infrarrojos y la zona del agente de fusión se solidifica. Este proceso elimina la necesidad de crear soportes para el modelo ya que cada capa inferior del polvo sirve como soporte. Su coste es elevado y suelen generar piezas frágiles, pero de buen acabado y una gama de colores y materiales altos. Existen otros tipos como Drop on Demand (DoD), inyección de aglutinante (BJ) o inyección de material (MJ) que son derivadas en funcionamiento de las descritas anteriormente. Como se intuye, el campo de la impresión 3D está en aumento y cada vez está teniendo más relevancia hoy día, gracias sobre todo a su acabado y calidad, el bajo coste y la facilidad de fabricación en serie, revolucionando el mercado y favoreciendo el prototipado rápido en empresas, permitiendo aumentar el potencial del sector en el que se encuentre. En este proyecto, la tecnología usada es la de impresión 3D de resina MSLA. Es una tecnología menos costosa, debido al precio de las pantallas LCD y, por tanto, la mayoría de las impresoras 3D del mercado destinadas al usuario suelen usar esta tecnología. Tan importante es saber qué tecnología y modelo de impresora se usa como el tipo de material que emplea. Por este motivo, en el siguiente apartado se hablará de las resinas adecuadas a esta técnica de fabricación aditiva, así como de sus características y propiedades. 2.1.4 Tipos de resinas SLA El SLA [8] es la tecnología que usa material fotosensible compuesto por una mezcla de monómeros que se endurecen cuando se expone a luz ultravioleta. Cuando el haz ultravioleta incide sobre la resina en una capa especifica, esta se solidifica. Existen diferentes resinas que discrepan entre ellas en sus propiedades físicas y químicas, como el color, la transparencia, la dureza o su flexibilidad. Por ello, es importante elegir con cuidado qué tipo de resina se va a usar y leer detenidamente cada una de las propiedades que adjunta el fabricante. Una clasificación general de las resinas se puede dar por su composición o por sus propiedades físicas. A continuación, se enumerarán las clases de resinas más usadas y una lista de las propiedades más importantes: 13 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA ▪ Resinas estándar (Basic): son las resinas más comunes y versátiles utilizadas en la impresión 3D. Estas resinas pueden estar formuladas a base de diferentes polímeros como acrílicos, epoxi y poliuretano. No suelen ofrecer unas propiedades físicas muy exigentes y por tanto son las más sencillas de utilizar y configurar en la impresión 3D. ▪ Resinas a base de plantas (Plant-based): estas resinas utilizan materiales biodegradables y sostenibles, como almidón de maíz, aceite de soja u otros derivados de plantas. Son respetuosas con el medio ambiente y su olor desprendido es menor cuando se cura. También se encuentran en tecnologías de impresión FDM. Necesita de una configuración de parámetros más riguroso debido a las propiedades del material. ▪ Resinas dentales: son específicamente diseñadas para su uso en aplicaciones dentales, por tanto, deben cumplir con unos estándares de seguridad y biocompatibilidad rigurosos. Además, dentro de cada uno de los tipos de resinas, existen diferentes características físicas para elegir el material adecuado para la aplicación. De este modo, los más importantes son: ▪ Dureza: las resinas pueden tener diferentes grados de dureza, que se pueden medir usando la escala Shore o la escala Rockwell. Pueden variar desde resinas muy suaves y flexibles hasta resinas rígidas. También, algunas resinas son más resistentes a los impactos que otras y son adecuadas para aplicaciones donde se esperan cargas de choque. ▪ Resistencia al calor: es importante saber si la resina en uso puede soportar altas temperaturas sin degradarse, sobre todo para aplicaciones donde la temperatura ambiente sea alta. Algunas resinas son termoestables y pueden soportar temperaturas elevadas, mientras que otras son más sensibles al calor. ▪ Resistencia química: capacidad de una resina a resistir la interacción con productos químicos. ▪ Color: se encuentran diferentes colores para las resinas. Esta característica se tiene en cuenta especialmente antes de utilizarla, ya que varían los parámetros de la impresora con cada color, de modo que sea necesario modificar los tiempos de exposición tanto de las capas iniciales como las del resto. Se pueden encontrar también resinas transparentes o translucidas que necesita especial atención a la hora de configurar la impresora, ya que suele necesitar unos tiempos de exposición diferentes al resto de colores estándares. ▪ Conductividad eléctrica: algunas resinas pueden ser conductoras eléctricas. Esta propiedad es relevante para aplicaciones eléctricas o electrónicas. Estas son algunas de las propiedades físicas de las resinas utilizadas hoy día en la impresión 3D. La elección de la resina adecuada dependerá de las propiedades que exija la aplicación específica. Sin embargo, cada vez son más los fabricantes que tratan de mejorar las propiedades de las resinas, haciendo hincapié sobre todo en la reducción de los tiempos de exposición y en la composición de las mismas, dejando de lado otras propiedades como la rigidez o flexibilidad. Figura 15 – Resina fotosensible Durante este proyecto, se ha hecho uso de tres tipos de resinas diferentes, esto ha permitido comprobar las diferencias entre cada una de ellas. Se ha usado un tipo de resina dental de color ámbar, otra transparente plantbased y la última que es con la que se fabrica el prototipo final es transparente y de tipo básico. Más adelante se detallarán los resultados con cada una y sus configuraciones. Fundamentos Teóricos 14 2.2 Electrónica Ya que la aplicación lleva consigo la implementación de un circuito de detección del paso del fluido a través de los microcanales, es necesario hablar de la electrónica. La electrónica forma parte de la mayoría de los microsistemas y ha desencadenado una revolución digital transversal en todos los aspectos de nuestras vidas. En este trabajo se diseña, desarrolla y fabrica una PCB sobre la que se imprimirá el dispositivo microfluídico. El objetivo es, poder ser capaz de detectar el flujo de la burbuja generada dentro de la cavidad. Para ello, se contará con la ayuda de un microcontrolador y componentes de fotogeneración y fotodetección, así como elementos pasivos auxiliares. El uso de la electrónica y la óptica en un microsistema destaca con importancia a la hora de realizar circuitos microfluídicos. Estos sistemas combinan la capacidad de procesamiento electrónico con la manipulación de la luz para completar un microcaudalímetro. Esto se logra a través de la integración de sensores ópticos que, consiguen detectar el movimiento de las burbujas y aportar la información del comportamiento dentro del microcanal Figura 16 – a) PCB, b) Fototransistor SMD Un fotodiodo o fototransistor [9] es un componente electrónico que depende de la exposición a la luz para funcionar. Cuando la luz incide sobre la unión, fluye una corriente inversamente proporcional. Se utilizan mucho para detectar impulsos luminosos y convertirlos en señales eléctricas analógicas o digitales. Ofrece una gran ganancia, bajo coste y versatilidad. Son sensibles a la luz, incluido la luz solar, por lo que, en función de la aplicación, se tendrá que considerar el uso de filtros o elementos opacos que dejen pasar poca luz solar. Muchas veces, estos mismos componentes suelen traer un filtro solar para una longitud de onda específica. Figura 17 – Croquis del microsistema final integrado La idea es usar la tenología de montaje en superficie SMT para todos los componentes ya que su tamaño es menor y así se favorece a encontrar una distancia menor para la detección del paso de la burbuja y el arco creado por el LED y el fototransistor. Se usará un Arduino para el procesamiento de la señal generada por el fototransistor. 15 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA 2.3 Óptica Debido al sistema que se quiere desarrollar, es indiscutible pensar que, además se lleva a cabo dentro de otro campo de estudio como es la óptica. El objeto del uso de esta disciplina no es utilizar los recursos y estudios que hay en relación con la luz, poniéndose en prácticas diferentes tipos de lentes y analizando el resultado dentro de la cavidad microfluídica de resina. Para ello, se han utilizado cálculos básicos de geometría para encontrar y fabricar un circuito de resina con diferentes ópticas o lentes y así, de este modo obtener qué lente podría favorecer que los sensores utilizados consigan un mejor rendimiento de trabajo. La óptica es la rama de la física que se encarga del estudio del comportamiento y las propiedades de la luz, incluidas sus interacciones con la materia, así como la construcción de instrumentos que se sirven de ella o la detectan. La óptica generalmente describe el comportamiento de la luz visible, de la radiación ultravioleta y de la radiación infrarroja [10]. La mayoría de los fenómenos ópticos pueden explicarse utilizando la descripción electrodinámica clásica de la luz. Sin embargo, la óptica práctica generalmente utiliza modelos simplificados. El más común de estos modelos, la óptica geométrica, trata la luz como una colección de rayos que viajan en línea recta y se desvían cuando atraviesan o se reflejan en las superficies. La óptica física es un modelo de la luz más completo, que incluye efectos ondulatorios como la difracción y la interferencia, que no se pueden abordar mediante la óptica geométrica [10]. Figura 18 – Prisma de dispersión de la luz 2.3.1 Óptica geométrica La óptica geométrica usa una aproximación del comportamiento de la luz; se propaga en línea recta dependiente del medio a una velocidad de 3𝑥108𝑚/𝑠. Esto permite facilitar el cálculo de propagación de la luz y resumiéndolos en rayos absorbidos, reflejados o desviados siguiendo las leyes de la mecánica. Estos fundamentos serán los que se utilicen para mejorar el diseño del circuito microfluídico, como se ha comentado anteriormente, a través del uso de diferentes ópticas sobre las que el haz de luz del diodo emisor atraviese y consiga provocar un efecto de concentración mayor en la cavidad del canal y posteriormente en el receptor, aumentando la capacidad de detección del circuito. El fenómeno más sencillo es el de la reflexión. Idealmente, el ángulo que forman el rayo incidente y el reflejado con la normal a la superficie de separación es el mismo. Dependiendo de las irregulares del medio puede ocurrir una reflexión especular, cuando las irregularidades en el medio son pequeñas, y difusa cuando las irregularidades en el medio son del orden de magnitud comparable a la longitud de onda incidente [11]. Fundamentos Teóricos 16 Figura 19 – Tipos de reflexión de la luz Otro fenómeno que ocurre es el de refracción, que produce un cambio en la dirección de los rayos emitidos tras pasar de un medio transparente a otro también transparente en el que la luz se propaga con distinta velocidad. De acuerdo con estos conceptos, la ley de reflexión nos indica que el ángulo incidente es el mismo que el reflejado (2) y la ley de refracción añade que el rayo incidente, el refractado y la normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo plano. Además, la Ley de Snell de la refracción dice que el índice de refracción “n” de un medio está relacionado con la velocidad de la luz en el vacio “c” y la velocidad de ese medio “v” (3). 𝜃𝑖= 𝜃𝑟 𝑛= 𝑐 𝑣 Finalmente, el índice de refracción de la luz que relaciona el ángulo de incidencia con el refractado es el de la ecuación (4), donde 𝜃𝑖 es el ángulo de incidencia, r es el ángulo refractado y 𝑛1, 𝑛2 los índices de refracción del medio de incidencia y refractado. 𝑠𝑖𝑛(𝜃𝑖) 𝑠𝑖𝑛(𝑟) = 𝑛2 𝑛1 Figura 20 – Ejemplo reflexión y refracción (2) (3) (4) 17 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA 2.3.2 Lentes Las lentes [12] se usan para enfocar o dispersar un haz de luz por medio de la refracción. Suelen estar construidas por un medio transparente limitado por dos superficies siendo curvo al menos uno de ellos. Las lentes más comunes están basadas en los distintos grados de refracción de la luz al incidir en ella. Se encuentran diferentes tipos y según la forma que adopten pueden clasificarse en convergentes o divergentes. Lentes convergentes: ▪ Biconvexas: formada por dos superficies convexas ▪ Planoconvexas: formada por una superficie convexa y otra plana ▪ Cóncavo-convexas (menisco positivo): formada por una superficie convexa y otra ligeramente cóncava Lentes divergentes: ▪ Bicóncavas: formada por dos superficies cóncavas ▪ Planocóncavas: formada por una superficie cóncava y un plano ▪ Convexo-cóncava (menisco negativo): formada por una superficie cóncava y una ligeramente convexa Figura 21 – Tipos de lentes En este caso, la resina final que se usará es de color transparente y con ella se quiere elaborar diferentes lentes haciendo uso de la impresora 3D. La facilidad que tiene añadir una lente en el circuito de resina es ventajosa ya que puede aportar una capacidad de colimar los rayos del haz de luz del diodo hacia el fotodetector. Es importante conocer cuales son los cálculos para ajustar de manera adecuada tanto la posición de la lente, como la de los sensores, emisor y receptor. A través de la ecuación de lentes (5), se puede hallar la distancia focal de una lente, que es el punto donde se unen la mayoría de los rayos del haz de luz. En este caso, se halla la posición donde debe estar situado el sensor receptor. Esta ecuación se usará para distancias muy pequeñas, ya que hablamos de que la cavidad estaría por debajo de 1mm de ancho y la distancia entre el emisor y el receptor es del orden de los 12mm. 1 𝑓=(𝑛−1)[1 𝑅1−1 𝑅2+(𝑛−1)𝑑 𝑛𝑅1𝑅2] Figura 22 – Cálculo del punto focal (5) Fundamentos Teóricos 18 De la ecuación anterior se sabe que, f es la distancia focal de la lente, n el índice de refracción de la resina, 𝑅1 el radio de curvatura de la superficie más cercana al haz de luz, 𝑅2 el radio de curvatura de la superficie más alejada al haz de luz y d el grosor de la lente. En el siguiente capítulo se detallarán los pasos seguidos para resolver esta ecuación en connivencia con los demás datos que se utilizan en este trabajo, en función de la capacidad para obtener mayor resolución con la resina y las características de los componentes electrónicos del circuito de detección 19 3 DISEÑO DEL MICROSISTEMA n este apartado, se expondrán los pasos a seguir para completar un circuito microfluídico con electrónica. De este modo, hay que definir el método para conseguir la formación de la burbuja en la unión T, indicando resultados y mejores opciones para lograr que sean de un tamaño suficiente para poderse medir a través del circuito de detección que incluye este microsistema. 3.1 Consideraciones de diseño microfluídico El principio de la tecnología de impresión esterolitografica sigue un proceso de fotopolimerización que convierte la resina líquida en objetos sólidos, mediante el curado capa a capa del líquido. Esta técnica de curado se basa en tener una fuente de luz ultravioleta controlada en el fondo de la base donde se depositará la resina fotosensible que va curando (endureciendo) las zonas definidas previamente mediante software. La ventaja de usar este método es la de conseguir un resultado preciso y, además, es capaz de producir piezas con geometrías internas y superficies lisas complejas. Otra característica destacable de esta tecnología es la gran variedad de materiales disponibles de resinas, con diferentes propiedades mecánicas, colores y características para crear piezas con diferentes atributos, lo que convierte este método en una solución versátil para aplicaciones de cualquier campo. Una vez se tiene el modelo CAD, el siguiente paso es utilizar un software slicer que divide el modelo 3D en capas extremadamente delgadas, dependiendo de la resolución de cada impresora pueden ser de hasta 50 micrómetros, quedando representado como un conjunto de datos en 2D. Una vez se haya impreso la pieza, se debe lavar para eliminar cualquier resina no solidificada. Al usar una resina transparente, tras el lavado, pierde transparencia y se opaca, sin embargo, como se verá más adelante existen formas de transparentar la resina. Este tipo de tecnologías también encuentra ciertas limitaciones o desventajas como pueden ser el coste inicial de la impresora, la toxicidad de las resinas, por lo que se hace necesario trabajar con medidas de seguridad adicional durante el uso de ellas como guantes y mascarillas, y un tamaño de impresión limitado en comparación con otras tecnologías de impresión. 3.2 Diseño del circuito microfluídico El objetivo principal del diseño es conseguir crear un circuito capaz de elaborar, a través de dos fluidos inmiscibles, gotas. Para ello es necesario tener en cuenta las propiedades de los fluidos que se usan en este proyecto, así como aplicar los métodos y cálculos de los fluidos para dar con una solución adecuada. El principal desafío que se encuentra es el de conseguir fabricar el circuito en resina mediante la impresión 3D sobre la PCB que llevará el circuito de detección, ya que ha requerido de muchas pruebas para encontrar la mejor configuración de los parámetros adecuados en la impresora con el fin de obtener un resultado apto. En este caso el circuito propuesto es el de una unión en sección T donde convergerán dos fluidos, uno continuo o portador y otro discontinuo o disperso. La distinción de estos fluidos como portador o disperso viene dada por E Diseño del Microsistema 26 Considerando el cálculo de la primera superficie de la lente, se sabe que tiene un radio de R1= r, correspondiente a la superficie convexa, y otro R2 = ∞, correspondiente a la superficie recta posterior. Sabiendo que f = 5.8mm y n =1.5, se obtiene que de la ecuacion (5): 1 𝑓=(𝑛−1)[1 𝑅1−1 𝑅2+(𝑛−1)𝑑 𝑛𝑅1𝑅2]→ 1 5.8=(1.5−1)[1 𝑟−1 ∞+(1.5−1)𝑑 ∞]→ 1 5.8=(0.5)1 𝑅1 𝑅1=2.9𝑚𝑚 Y considerando ideal la superficie recta, el radio de la otra superficie convexa será igual pero de signo negativo. Finalmente, el radio de las lentes son R1 = 2.9mm y R2 = -2.9mm. 3.5 Microsistema Ya que el propósito final es conseguir fabricar un microsistema compuesto por dos circuitos, el de resina y el electrónico, el recorrido para alcanzarlo ha derivado en varios métodos o formas de unificar ambos circuitos para conformar un prototipo coherente. La primera parte corresponde con el desarrollo de la PCB. Antes de todo, una vez generado el esquematico y posicionado de los componentes, se ha fabricado la placa pero no se han montado los componentes. De esta forma, es más sencilla la tarea de pegar la PCB sobre el plato de la impresora 3D y también el circuito de resina. El mayor inconveniente de este método es el de poder ajustar correctamente la posición de la lente entre los pads del diodo y el fototransistor, ya que de no ser así se perdería rango de medición del circuito y bajaría las prestaciones del microsistema. En la Figura 32 se emula el concepto mencionado, donde por un lado se tiene la tarjeta y por el otro la resina. Figura 32 – Simulación de la integración Otro método que se ha probado es el de diseñar directamente en resina la máscara del circuito electrónico, es decir, las pistas, vías y pads de los componentes, y además incluir el circuito microfluídico. Así, se generan todas las partes necesarias que constituyen el prototipo y se consigue mejorar la localización de la lente junto con los sensores ya que se ha centrado en el modelo CAD. Igualmente, se utiliza una placa de cobre y se pega a la plataforma de impresión. Como se muestra en la Figura 33, la resina se depositaría simulando las conexiones eléctricas del circuito y al pasar por el ácido, las zonas de cobre donde no se hay resina curada deben desprenderse conformando las conexiones eléctricas de los componentes. 27 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Figura 33 – Máscara de resina para el circuito electrónico Ambos métodos se han trabajado en el laboratorio y como se verá en el siguiente apartado, ha generado un pequeño debate entre qué modo de obtención del microsistema es el más adecuado. Finalmente se arrojarán una serie de puntos que discretizarán el método más adecuado para esta aplicación. Figura 34 – Resultado final de integración 29 4 RESULTADOS EXPERIMENTALES e detalla a continuación el trabajo práctico realizado en este proyecto, explicando las modificaciones sufridas durante el trascurso del desarrollo y analizando la solución obtenida principalmente con la impresora 3D de resina, y posteriormente con la funcionalidad conjunta del microsistema. Aunque hoy día, la manufacturación aditiva, prototipado rápido o más conocido como impresión 3D, haya irrumpido con fuerza en la sociedad actual, se sigue viendo como una herramienta usada dentro del ámbito de la investigación y de empresas. Bien es cierto que, el tipo más conocido es el de la impresión 3D de filamento o hilo, que se introdujo con fuerza en un ambiente más comercial a nivel usuario gracias a su bajo coste. En cuanto a las impresoras de resinas, gracias a la tecnología, se están volviendo cada vez más asequibles, igualmente, este tipo de materiales y, en su conjunto, el método que sigue la impresión de resina consigue producir resultados de alta calidad con detalles finos y superficies suaves, y con una velocidad de impresión alta. Existen diferentes fabricantes de impresoras 3D como pueden ser Elegoo, Anycubic o Formlabs. Además, suelen acompañar la resina propia de la marca, entre las que destacan las de Anycubic, Sunlu y Formlabs. Como suele ocurrir con los productos comerciales más típicos y usados en el día a día, cada modelo de impresora lleva consigo unas características específicas, como la resolución, el área de construcción y la compatibilidad de materiales. También, cada fabricante de resina recomienda una configuración adecuada de los parámetros de la impresora para obtener un resultado útil. En este proyecto, se ha usado el modelo de impresora 3D Photon Mono X2 de Anycubic con una resolución de 50 micrómetros y una superficie de impresión de hasta 9.1 pulgadas. Ofrece una alta resolución y precisión, lo que brinda un nivel de detalle elevado en su acabado. Figura 35 – Modelo impresora Anycubic Photon Mono X2 S Resultados Experimentales 30 Aunque es importante tener un modelo capaz de imprimir con una resolución y calidad alta, es aún más importante como se ha mencionado antes, el tipo de resina que se use. Es decir, carece de importancia tener una impresora de muy altas prestaciones si luego se usa una resina inapropiada. Por este motivo, se ve oportuno introducir un apartado en el que se mencione la configuración de la impresora para diferentes tipos de resinas, así como indicar la conclusión obtenida con cada una de ellas. 4.1 Ensayos con la impresora 3D y resinas El uso de la impresora 3D no es trivial. Es necesario prestar especial atención a la información aportada tanto por el fabricante de la impresora como de la resina. Además de tener en cuenta una serie de pasos y configuraciones apropiadas para permitir un buen acabado de las piezas. Por este motivo, nace este apartado donde se comparan los resultados de las resinas y además los ajustes llevados a cabo con el software utilizado para generar el archivo imprimible. 4.1.1 Configuración del software de la impresora Una vez se tiene el diseño de la pieza en el software CAD, es importante guardar o importar el archivo a la extensión .stl ya que suele ser el tipo de archivo que los software slicer interpreta. También, hay que tener en cuenta qué slicer se usa para generar el archivo en el formato para la impresora 3D. El fabricante Anycubic cuenta con una versión propia que ha sido la utilizada AnycubicPhotonWorkshop. Sin embargo, existen otros softwares como Lychee o Chitubox que también son compatibles y ofrecen más opciones de parámetros configurables. El software AnycubicPhotonWorkshop se puede descargar gratis en la página oficial del fabricante. La interfaz del software corresponde con la Figura 36. En primer plano, en el medio, se encuentra la plataforma de construcción del modelo de impresora que está configurado. El resto de las ventanas son accesos de configuración del propio software, a la izquierda del posicionado de la pieza sobre el plato y a la derecha las características y el generador de capas de la pieza. Figura 36 – Interfaz software AnycubicPhotonWorkshop Antes de nada, se debe seleccionar el modelo de impresora usada. Haciendo clic en “Settings” se abre una ventana (Figura 37) donde la primera pestaña muestra un amplio abanico de modelos de impresoras de Anycubic. Para este caso, se selecciona el modelo Anycubic Photon Mono X2. Después, se hace clic en Save. En esta misma ventana, hay dos pestañas más que se deben tener en cuenta para terminar de configurar la 31 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA aplicación, la del tipo de resina y los parámetros de impresión. Figura 37 – Selección modelo impresora Como se observa en la Figura 38 hay resaltadas tres ventanas a modificar. En la pestaña “Resin” hay que seleccionar el tipo de resina que se usa, el resto de los parámetros no es necesario cambiar. La siguiente pestaña, es la más importante y en la que hay que tener especial cuidado con los valores que se seleccionan. Principalmente las propiedades más importantes a modificar son las que se encuentran en los recuadros en rojo, definiéndose así cada uno de ellos como: ▪ Normal Exposure Time(s): es la cantidad de tiempo que está expuesto a la fuente de luz ultravioleta cada capa durante la impresión, sin incluir las capas iniciales. ▪ Bottom Exposure Time(s): es la cantidad de tiempo en que las primeras capas estarán expuestas a la fuente de luz. Este parámetro es de los más importante, ya que depende de ello que la pieza quede fijada a la plataforma de impresión y no se suelte. Suele recomendarse que sea unas 8-12 veces mayor que el tiempo normal de capas. ▪ Off time: Es el tiempo en el que la fuente de luz dejará de emitir entre cada capa. Aunque suele ser un parámetro que no se modifica, hay aplicaciones en las que se recomienda cambiar el valor. ▪ Bottom layers: es el número de capas inferiores necesarias para que la pieza quede fijada bien a la plataforma de impresión. Suele necesitarse de 3 a 5 capas iniciales. ▪ Layer thickness: es la resolución máxima por capa. Mientras más pequeña sea, mayor será el tiempo total de impresión. Para la mayoría de estos parámetros, cada fabricante de resina suele recomendar un rango de valores. Estos rangos suelen ser amplios y no tiene por qué adecuarse al resultado esperado, dependerá de la complejidad de la pieza que se quiera imprimir. Puede ser inevitable generar una serie de piezas antes de encontrar los parámetros adecuados. En otra ventana, se ubican los parámetros de la plataforma de impresión. Estos suelen venir por defecto y no es necesario en la mayoría de las ocasiones modificarlos, a menos que sea un requisito explícito del fabricante de resinas o una aplicación concreta que lo necesite: ▪ Z lift distance: es la distancia que se eleva la cama cada vez que termina una capa ▪ Z lift speed: es la velocidad a la que la plataforma se mueve entre capas. Resultados Experimentales 32 ▪ Z retract speeed: es la velocidad a la que la plataforma retrocede cada vez que acaba una capa. Una vez se hayan seleccionado todos los parámetros hacer clic en “Save”. Figura 38 – Configuración parámetros de impresión Configurado el software, hay que importar el modelo con extensión .stl. Debe aparecer sobre la plataforma de construcción. Como se ve en la Figura 39 el modelo está invertido respecto a la dirección de impresión. Una vez terminado de configurar, pulsando el botón “Slice” se generará el fichero que suele tener de extensión el nombre del modelo que se usa, en este caso .pmx2. Figura 39 – Previsualización de la pieza a imprimir 33 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA 4.1.2 Elaboración de piezas de resina La principal desventaja de usar una impresión con resina SLA, es que no hay una configuración transversal para un amplio abanico de estas, es decir, cada tipo de resina requiere unos parámetros específicos y, además, el color también influye drásticamente en el resultado final. Al existir diferentes modelos con pantallas de emisión de luz de tipos monocromática o a color, el color de la resina se convierte en un factor importante a considerar de cara a obtener una pieza de buena calidad. Resina de color Ámbar y tipo dental UNIZ Aunque finalmente la resina usada es transparante, esta resina fue la primera utilizada como toma de contacto con la impresora 3D. La resina usada es de la marca UNIZ y es de tipo dental. El hecho de haber trabajado con esta resina ha sido por la disponibilidad de uso dentro del entorno de trabajo. Figura 40 – Resina ámbar Dental marca UniZ Anycubic aporta un test de calibración específico para cada modelo de impresora 3D. Este archivo no se debe modificar y es de gran utilidad porque muestra qué tiempos de exposición son los adecuados en función del tipo de pieza que se quiere imprimir. El archivo se llama RERF [13] y está incluida en la memoria USB. El test tiene un diseño de pieza compleja que contiene diferentes formas como agujeros, ángulos, letras en las que se generan ocho impresiones de una misma tirada. Cada pieza tiene un tiempo de exposición diferente. La Figura 41 tiene asignado un número del 1 al 8 el tiempo de exposición de la capa normal que está configurado. Con esta información se puede concluir qué resultado es el que se desea en función del tipo de pieza diseñado. Figura 41 – R.E.R.F test de calibración Vertiendo la resina ambar en el recipiente de la impresora y usando este archivo, en la Figura 42 se ve una comparativa entre dos piezas. Dependiendo del tipo de estructura o detalle que tiene la pieza, la curación afecta de diferente forma. Para esta aplicación, lo interesante es poder generar una cavidad rectangular vacia dentro de una pieza, observando el resultado de entre todas las piezas, el mejor fue la correspondiente al tiempo 5, es decir, Resultados Experimentales 34 2.5 segundos. Figura 42 – Resultados del test de calibración Además, de antes se sabe que el tiempo de exposición de las capas iniciales debe ser de entre 8 y 12 veces mayor que el de las capas normales, así que para el primer modelo se han utilizado los siguientes parámetros: Tiempo exposición capas iniciales 25s Tiempo exposición capas normales 2.5s Tiempo apagado (Off time) 0.5s Número de capas iniciales 5 Resolución 0.05mm Distancia de elevación eje Z 8mm Velocidad de elevación eje Z 2mm/s Velocidad de retracción eje Z 3mm/s Figura 43 – Parámetros de impresión La Figura 44 corresponde con una primera versión del modelo de circuito microfluídico. La construcción de la pieza fue exitosa y se pudo probar el circuito microfluídico, con una jeringuilla se hizo pasar agua llegando a todos sus puertos. En este punto de partida, se rediseñó el modelo reduciendo la sección de los canales, manteniendo siempre la altura uniforme en ambos. La primera iteración, se diseñó con una sección interior de 1mm2 en ambos canales. A medida que se conseguía hacer fluir líquido en la pieza, se redujo el tamaño de la sección iterando hasta llegar a que el ancho mínimo fabricable es de 500µm con una altura de 400µm. Figura 44 – Pieza fabricada en resina ámbar W1 = W2 = 500µm H = 400µm 35 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Una vez conseguido y comprobado que se puede fabricar un circuito de resina curada con cavidades internas micrométricas, sin utilizar soportes, se cambió a resina de color transparente. Resina de color transparente y tipo plant-based SUNLU Inicialmente se usa la misma configuración y las mismas dimensiones, pero como se verá y como se esperaba las características de este tipo de resina necesita de un nuevo ajuste general de los parámetros. La resina usada es de la marca Sunlu. Por razones obvias, la idea de la aplicación es poder detectar el fluido a través de las cavidades, así que, se compró una resina de color transparente. El motivo de que se escogiera de tipo plant-based ha sido principalmente por su bajo olor durante el curado y residual en la habitación y la disponibilidad de compra. Figura 45 – Resina transparente Plant-based marca Sunlu Al igual que con la resina anterior, el primer paso para comprobar qué parámetros son los adecuados, fue el de lanzar el test de calibración RERF. Antes de nada, se hizo una búsqueda sobre qué parámetros eran los recomendados para este tipo de resinas y en la mayoría de los foros se indicaba que el tiempo de exposición adecuado debía ser mayor para las resinas transparentes o translucidas, aconsejando un valor en torno a los 40 segundos de capas iniciales. Además, ojeando la recomendación del fabricante para pantallas monocromáticas, que es este caso, cuyo rango de valores está entre 2 y 4 segundos para las capas normales y entre 10 y 60 segundos para las capas iniciales, los parámetros seleccionados se mantuvieron igual que para la resina anterior. Solo el tipo de resina de la pestaña “Resin” ha sido modificado, para cambiar el tipo a plant-based (Figura 38). Las piezas con la resina anterior fueron fáciles de despegar con una espátula de plástico sin ofrecer mucha resistencia y en ocasiones solo bastaba levantar una parte para que la pieza se desprendiera completamente. Esto era esperable, ya que como se ha comentado anteriormente, una vez impresa, se necesita un post curado de la pieza en seco para aportarle rigidez y dureza. Sin embargo, en esta ocasión, una vez finalizado y antes de despegar de la plataforma de impresión, el resultado en relación con la calidad del color y el acabado de la pieza se veía alto, no obstante, el proceso de despegue de las piezas se tornó tedioso. Las piezas estaban cristalizadas y ofrecían una gran resistencia de contacto entre su superficie y la plataforma de impresión, esto impedía que se desprendiese con facilidad, necesitando de una espátula metálica para despegarlas, ya que usar la de plástico era inútil. Al final, se pudieron soltar causándoles desperfectos. Las piezas de calibración acabaron destrozadas, como se ve en la Figura 46. Figura 46 – Resultado calibración resina transparente Resultados Experimentales 42 VOut = 1.3559V Figura 58 – Lente bicóncava VOut = 538mV Figura 59 – Lente biconvexa Las capturas adjuntas en las imágenes anteriores muestran el valor de la tensión de salida del fototransistor al incidir sobre cada lente la luz del diodo. Comparando la Figura 55 y la Figura 59, se comprueba que la lente biconvexa ayuda a colimar los rayos de luz emitidas por el diodo, bajando la tensión de salida, significando que el sensor está recibiendo más luz que sin lente, reduciendo el efecto de reflexión y refracción y el ángulo de emisión del LED. De esta forma se confirma que lo visto en la simulación tiene sentido y precisamente, el diseño final del circuito microfluídico añadirá una lente biconvexa. La lente es de tipo cilíndrica, ya que, al intentar hacer una lente esférica, debido a la forma en que se fabrica y el tamaño reducido no se conseguía un resultado de lente esférica. 4.3 Integración. Circuito electrónico y circuito microfluídico Finalmente, llega la fase de completar el prototipo final, es decir, unir el circuito microfluídico y el electrónico. Como en el apartado 3.5 se mencionó dos técnicas diferentes de realizar el proceso de unión entre ambos circuitos, se verán los dos métodos de integración resolviendo en una comparativa de las ventajas y desventajas de cada uno. 4.3.1 Impresión sobre PCB El principal reto de tener dos circuitos diferentes, que por motivos de aplicación necesitan estar embebido es el de cuadrar la posición del circuito microfluídico con el de la PCB en la posición adecuada. Para ello se ha tenido en cuenta la dimensión de la PCB y la posición relativa sobre el plato de impresión. 43 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA El primer paso, y aunque pueda resultar evidente, es comprobar que las dimensiones del plato que muestra el software coinciden con el de las características de la impresora. Para ello, se ha diseñado en Catia un rectángulo con las dimensiones del plato que da el fabricante, 196x122mm. Al subir este archivo, se ve si el software tiene en cuenta algún borde que no sea superficie imprimible. Como se ve en la Figura 60 el tamaño coincide exactamente. Esto ayudará a posicioner la PCB y el circuito de resina en el plato. Figura 60 – Comprobación dimensiones plato de impresión Tras esta comprobación, se lleva a cabo contener el circuito microfluídico en un marco que coincida con las dimensiones de la PCB. Esto ayuda a poder encontrar el centro de nuestro circuito, es decir, si queremos que la pieza de resina coincida en una posición concreta, podemos ajustarla gracias a la dimensión de la PCB y así configurar el slicer de la forma adecuada. De este modo, se obtiene una referencia de los limites de la PCB y también de los límites del plato. Se probó a colocar en una esquina del plato la pieza, dejando 1cm por cada lado como se ve en la Figura 61. Aunque finalmente se decidió colocarla en el centro del plato, ya que al calibrar la altura del eje Z con la PCB pegada en la plataforma de impresión era más seguro ajustar el eje. De la otra forma, se puede arriesgar a que el plato esté inclinado sobre la esquina donde se coloca la PCB pudiendo perjudicar el proceso de impresión. Resultados Experimentales 44 Figura 61 – Posición de la pieza De acuerdo con el artículo 3D Printed PCB Microfluidics [14] el método más efectivo para poder adherir la PCB a la plataforma de construcción de la impresora es usar cinta de doble cara. En este caso, se ha usado cinta de doble cara de 50mm de anchura. Figura 62 – Cinta doble cara 50mm ancho Antes de pegar la PCB, hay que asegurarse de que la plataforma de impresión esté completamente libre de resina, para evitar posibles desprendimientos de la pieza durante la impresión, utilizando isopropanol o alcohol mayor de 95º sobre el plato y sobre la cara de la PCB que irá fijada a la cinta de doble cara. Una vez se hayan secado ambas superficies, se debe cortar un trozo de cinta mayor que la superficie de la PCB, esto ayudará a que cueste más desprenderse del plato. En esta ocasión, primero se ha pegado la cinta al plato de construcción, de este modo se asegura que no hay restos de burbujas o irregularidades entre los materiales. Hay que garantizar que quede bien fijada todo el trozo de cinta cortado. Posteriormente, se coloca la tarjeta y se pega por la cara libre, apretando con fuerza la tarjeta contra la cinta para que se pegue correctamente. Antes de comenzar la impresión, se debe esperar al menos unos minutos a que el pegamento consiga unirse bien a ambas superficies ya que de no ser así, podría filtrarse la resina entre las irregularidades y terminar despegando la pieza durante la impresión. Una vez pegada la PCB, se debe calibrar el eje Z. 45 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Figura 63 – Fijación al plato de impresión Finalmente, se obtiene un resultado como el de la Figura 64 donde se ve que la resina se ha curado sobre la PCB correctamente. Tras despegarla del plato, se limpia la pieza conjunta con isopropanol para eliminar la resina no curada. Cuando haya secado, se sueldan los componentes en las huellas de la PCB correspondientes. Figura 64 – Impresión de resina sobre PCB Las imágenes anteriores son el resultado de imprimir sobre la PCB el circuito microfluídico de resina. Probada que se puede conseguir un buen resultado en cuanto a la fijación de ambos circuitos tras el curado, se procede a diseñar el circuito electrónico en resina. 4.3.2 Impresión de circuito microfluídico y electrónico a la vez sobre cobre Dados los inconvenientes para poder situar correctamente el circuito de resina en el espacio reservado para la parte de sensado, se vio conveniente probar a hacer una máscara en negativo del circuito electrónico en CAD, de este modo, poder unirlo al diseño microfluídico de resina y hacer la impresión directamente sobre la placa de cobre. Tal y como se muestra en el apartado 3.5, la máscara de resina emula las pistas y pads de cobre que se deben mantener para poder soldar sobre ella los componentes. Así, en la Figura 65, la zona gris corresponde con todo lo que se imprime sobre el cobre. Al igual que en la otra técnica, se usa cinta de doble cara para pegar el cobre al plato de impresión. La dimensión del cobre debe ser algo mayor que el circuito que se imprime, así se asegura que toda la máscara se imprime correctamente dentro de la tarjeta. Resultados Experimentales 46 (a) (b) Figura 65 – Circuito electrónico y de resina Una vez impreso, se debe limpiar muy bien el excedente de resina en el cobre. De no ser así, al pasar por el ácido, las zonas que tiene restos de resina tardarán más en eliminar el cobre y puede llevar a que las conexiones no se hagan correctamente llegando a producirse uniones no esperadas entre las pistas. Una vez revelada, es interesante retirar las islas de resina que se ha impreso emulando los pads de los componentes y pistas. En la figura de abajo, se ven los resultados utilizando esta técnica. En esta ocasión, aprovechando que se tenía una placa de doble cara, se hicieron dos modelos diferentes: ▪ (a) Dejando la cara de arriba para los sensores y la de abajo para los componentes pasivos ▪ (b) Usando solo la cara de arriba para todos los componentes y solo la de abajo para unir alimentaciones Figura 66 – Resultado de impresión. Electrónica y resina 47 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA 4.3.3 Ventajas e inconvenientes Haciendo una valoración sobre cada uno de los métodos utilizados para conseguir el microsistema, se enumeran una serie de puntos que hacen decantar un método frente a otro. ▪ Impresión sobre PCB: o El acabado del circuito electrónico es mejor. o Menor tiempo para depurar la parte de detección. o Proceso tedioso para situar adecuadamente la lente entre los sensores. o Se puede comprar la PCB a fabricantes profesionales. ▪ Impresión conjunta: o Mejor ajuste de la lente entre los sensores. o El ácido puede perjudicar la resina y obstruir las cavidades. o Se deben limpiar adecuadamente las zonas a eliminar por el ácido, por riesgo a un mal acabado. o Hay que usar una placa de cobre y método tradicional para revelar la PCB. Definitivamente, y teniendo en cuenta que para esta aplicación en el que el número de elementos, utilizados y necesarios, y la complejidad son bajas, se decanta por utilizar el segundo método ya que el interés principal es tener un buen elemento de detección pudiendo centrar con mayor precisión la lente fabricada. 4.4 Resultado final. Lectura de gotas El método final elegido es el de la máscara del circuito electrónico y el circuito microfluídico juntos, y además con todos los componentes sobre la misma capa, dejando la capa inferior para conexiones de alimentación. Figura 67 – Prototipo de microcaudalimetro Al igual que en las anteriores, se recomienda ajustar con potenciómetros la polarización correcta de los componentes activos para mantener un valor medio de salida por debajo de los 2V. Para mejorar el procedimiento de pruebas, se ha tenido en cuenta el diseñar un encapsulado realizado en 3D, usando una impresora de filamento PLA, para reducir al máximo la incidencia de luz ambiente en el fototransistor y mejorar la sensibilidad del circuito de detección. Resultados Experimentales 48 Figura 68 – Circuito dentro del encapsulado El objetivo principal de la aplicación es el de poder contar gotas, es decir, la fabricación de un microcaudalímetro. La sección en forma de T tiene dos puertos de entradas, por los que se inyectará como fluido disperso agua y fluido continuo aceite. Como se comentó en el apartado 2.1.1, la ecuación que rige cual es la longitud de la gota depende del ancho del canal continuo y la relación entre los caudales de entrada. 𝐿 𝑊=1+𝛼· 𝑄𝑖𝑛 𝑄𝑜𝑢𝑡 Recordando que, L es la longitud de la gota inmiscible, W es el ancho del canal, 𝑄𝑖𝑛 𝑄𝑜𝑢𝑡 es el ratio de caudal del fluido disperso respecto al fluido continuo y 𝛼 una constante de orden uno, cuyo valor depende de la geometría de la unión T. El valor de 𝛼 como se indica en la Figura 69 depende de la sección generada en la unión del circuito microfluidico, en función del ancho de la gota en formación y la longitud. 𝜶=𝒅 𝒘 Figura 69 – Valor de 𝛼 En una primera fase, el circuito se ha probado alimentándolo con una fuente de tensión a 5V y para leer la señal se ha utilizado un osciloscopio. Haciendo pasar el líquido por el circuito de resina, se consigue ver variaciones de tensión del fototransistor. (1) (6) 49 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Figura 70 – Configuración de la prueba Tal y como se ve en la Figura 71, el microsistema es capaz de detectar el paso de las gotas, creando un perfil del cual se puede obtener información como el tamaño de estas. Figura 71 – Generación de gotas y respuesta en el osciloscopio Jugando con los caudales, se consigue crear diferentes tamaños de gotas en la cavidad. En la Figura 71 se ha usado unos flujos correspondientes con 30µL/min para el fluido disperso (agua con tinta verde) y 80µL/min para el aceite. Resultados Experimentales 50 Figura 72 – Generación de gotas a diferentes ratios de caudales Ya que el tamaño de la gota depende en gran medida de los caudales, cuando son dimensiones pequeñas, el circuito microfluídico realizado tiene en ambos canales un ancho y una altura idéntica, de 800µm. El tamaño de la gota se espera grande y facilita al circuito de detección ver la variación. Si se estima que d tiene un valor similar al ancho del caudal principal, el valor de 𝛼 se supone igual a 1. De aquí se facilita más el cálculo de la longitud de la gota. Por ejemplo, los caudales usados para generar las gotas de la Figura 72 son Qin = 30µL/min y Qout = 50 µL/min. Teniendo en cuenta el resto de los datos, se obtiene que: 𝐿 𝑊=1+𝛼· 𝑄𝑖𝑛 𝑄𝑜𝑢𝑡 → 𝐿 𝑊=1+1∗30 40→𝐿=1400µm Sabiendo que, la parte plana de la lente vale 5.2mm, se puede aproximar que el tamaño de la gota es mayor de 1mm. En este cálculo se están considerando que las dimensiones de las cavidades interiores son las de diseño, y el valor de 𝛼 unitario, pero puede ocurrir que durante el proceso de curado no se haya conseguido alcanzar las dimensiones de la sección a la perfección y 𝛼 no sea unitario. Una vez comprobado que se obtienen los perfiles de las gotas que se generan en el circuito, se realiza la prueba utilizando el Arduino. Además, haciendo uso de un script sencillo en Python (Anexo A: Código), se puede generar un archivo .csv con el que poder analizar detenidamente la información obtenida. De esta forma, en la imagen siguiente, se obtienen los datos de un test realizado. (7) 51 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA Figura 73 – Datos serial de Arduino El tiempo de muestreo es de 25ms, si de la imagen anterior, desde que detecta la gota hasta que pasa, hay aproximadamente 45 muestras, el tiempo total de paso de gota es de 1125ms aproximadamente, para los caudales de Qin = 50µL/min y Qout = 5µL/min. De lo visto anteriormente, el proceso de formación de la gota en la unión T se puede describir como al juntar dos fluidos inmiscibles en la interfaz de la unión del canal de entrada y del canal principal, o de salida, el flujo discontinuo penetra en la del principal y la gota empieza a crecer. El gradiente de presión del flujo en el cuello rompe y genera esa gota aguas abajo. Probando con una serie de flujos, en ambos fluidos, se consigue generar tamaños uniformes de gotas. El tamaño depende proporcionalmente de los caudales, como se extrae de la ecuación anterior, así que, cambiando el flujo de la fase dispersa (en este caso Qwater) y el de la fase continua (en este caso Qoil) se obtiene el resultado de la Figura 74. En ella, se muestran una serie de puntos de diferentes valores de caudal, disperso y continuo, con el interés de ver la proporcionalidad implícita del tamaño de las gotas en función del ratio de flujo. Figura 74 – Comprobación ecuación de generación de gotas Además, se añade una gráfica que representa el análisis ratiométrico de los flujos disperso y continuo para la geometría de referencia (unión en T) en diferentes condiciones. Por ejemplo, si se analiza el punto correspondiente a Qoil = 0.0833 µL/s de la Figura 75, se indica que el cociente de caudal de entrada y salida es 10 unidades y el tamaño de gota en función del ancho del canal (L/W) es de 11. Esto quiere decir, que para este ratio de caudales, el tamaño de la gota será de 11 veces el ancho del canal, en este caso 8.8mm Conclusión y Mejoras Futuras 58 los fluidos, sin embargo, durante el uso del mismo la conexión se degrada hasta el punto de romperse la sección interior del puerto como se indica en la Figura 85, esto lleva a que se produzcan fugas durante las pruebas pudiendo perjudicar la generación de las gotas. Figura 85 – Falla en el circuito de resina En cuanto al circuito de detección, se esperaba que la gota generase un perfil cuadrado en la señal del fototransistor, no obstante, la curva era más redondeada. Esto se debe al efecto que produce la lente en el circuito de resina, es decir, la geometría genera un comportamiento del haz de luz diferente y durante el paso de la gota la absorción sigue el contorno de la lente deformando así la señal en una similar a una senoide. Otro punto interesante es el de tener en cuenta el acabado de la pieza. Para esta aplicación, si el objetivo es poder distinguir gotas dentro de la pieza de resina, esta debe de ser lo suficientemente transparente como para dejar pasar la luz. Normalmente cuando se termina de imprimir la pieza y se limpia, con isopropanol o alcohol, esta tiende a quedar translucida y no transparente. Como se ve en la Figura 86, en la imagen de la izquierda está el resultado de la pieza tras el limpiado y la derecha es una pieza que ha recibido un tratamiento posterior a la limpieza. Figura 86 – Pieza antes y después de aplicar resina cruda sobre superficie Siguiendo recomendaciones de un fabricante como es FormLabs, aunque existen diferentes métodos, para conseguir mejorar la transparencia de la pieza basta con administrar unas pinceladas de la propia resina cruda, sobre las superficies que se desea un acabado transparente y tras secar durante unos minutos la pieza mejora en claridad. 59 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA 5.2 Mejoras futuras El proyecto está pensado para probar la utilidad de la técnica de impresión 3D en resina con el objetivo de conseguir prototipos de microsistemas enfocados principalmente al desarrollo y aprendizaje académico. Se obtiene así un prototipo económico y funcional. Este trabajo abre camino a la implementación de la técnica de fabricación aditiva como es la impresión 3D en resina fotosensible para el desarrollo de futuras aplicaciones básicas y de bajo coste, además de para aplicaciones de análisis más profundos de las características de un fluido a escalas de muy bajo volumen. Enfocando el desarrollo futuro dentro de este prototipo se pueden realizar una serie de mejoras: - Añadir un circuito para amplificar la señal generada por el circuito de detección y mejorar la lectura de los datos. - Mejorar el proceso de generación de circuito microfluídico consiguiendo reducir la sección del caudal interno. Para ello es necesario probar nuevos tiempos de exposición de la resina y realizar un completo seguimiento de los resultados obtenidos con una misma resina e intentando repetir los ensayos en unas condiciones ambientales constantes. Aunque es posible reducir el tamaño de las cavidades internas del circuito de resina, aparecen en contra nuevos parámetros como la fragilidad o deformación de la pieza. En cualquier caso, lo más importante es tener en cuenta cual es el tipo de pieza que se va a imprimir analizando los pequeños detalles.Implementar una lente parabólica para concentrar más los rayos del LED dentro de la cavidad. - Añadir potenciómetros en la PCB para la regulación de la tensión de polarización de los componentes, consiguiendo un mejor ajuste en el caso del uso de otros componentes o en otro entorno con diferentes condiciones de luz ambiente. - Mejorar el diseño del puerto para hacerlo más robusto y duradero, evitando así que la unión de la entrada y la manguera se pueda cizallar y romper. 61 REFERENCIAS [1] J.M. Quero, F. Perdigones, A. Luque, C. Aracil. (2018). Introducción a los microsistemas y aplicaciones, Microsistemas y Nanotecnologías, Universidad de Sevilla [2] Ley de Poiseulle. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Poiseuille [3] Osman A. Basaran. (2002). Small-Scale Free Surface Flows with Breakup: Drop Formation and Emerging Applications vol. 48, nº 9. Chemical Engineering. Universidad de Purdue. [4] Piotr Garstecki et al. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up, Artículo, 2006. [5] Número de Reynolds. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds [6] Ellodie Sollier et al. (2011). Rapid prototyping polymers for microfluidic devices and high pressure injections. Artículo. Universidad de Purdue. [7] Tipos de tecnologías 3D. Las 7 tecnologías de impresión 3D. All3DP. https://all3dp.com/es/1/tipos-deimpresoras-3d-tecnologia-de-impresion-3d/ [8] Los diferentes tipos de resinas que existen para la impresión 3D. 3D natives. https://www.3dnatives.com/es/tipos-resinas-impresion-3d-201220222/ [9] What is a Phototransistor: Circuit Diagram & Its Working. ELPROCUS. https://www.elprocus.com/phototransistor-basics-circuit-diagram-advantages-applications/ [10] Óptica. Wikipedia. https://www.elprocus.com/phototransistor-basics-circuit-diagram-advantagesapplications/ [11] Reflexión y refracción de la luz. FISICALAB. https://www.fisicalab.com/apartado/reflexion-refraccionluz [12] Lente. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Lente [13] Impresión de prueba de impresora 3D: Buscador de rangos de exposición de resina Anycubic. ANYCUBIC. https://www.anycubic.es/blogs/guias-de-impresion-3d/3d-printer-test-print-anycubicresin-exposure-range-finder [14] Stefamn Gassman et al. 3D Printed PCB Microfluidics, Artículo, 2022. 63 ANEXO A: CÓDIGO - IDE Arduino 1. unsigned long timeSystem = 0; 2. 3. int Pin_Fototransistor = A0; 4. 5. int Vcc = 2560; //[mV] Tensión alimentación 6. int Sfs = 1023; //[mV] Muestras arduino 7. 8. float Vout; 9. int Vserial; 10. 11. void setup() { 12. // put your setup code here, to run once: 13. Serial.begin(9600); 14. timeSystem = millis(); 15. Serial.print("Tiempo test [ms]"); Serial.print(";"); 16. Serial.print("Tensión [mV]"); Serial.print(";\n"); 17. } 18. 19. void loop() { 20. // put your main code here, to run repeatedly: 21. timer(); 22. getData(); 23. analogReference(DEFAULT); 24. float sensorValue = analogRead(Pin_Fototransistor); 25. Vout = (sensorValue*Vcc)/Sfs; 26. Vserial = Vout; 27. } 28. 29. void timer(){ 30. timeSystem = millis(); 31. } 32. 33. 34. void getData(){ 35. Serial.print(timeSystem); Serial.print(";"); 36. Serial.print(Vout); Serial.print(";\n"); 37. } 38. archivo.write(cad) - Python. 1. ## TFM MIERA 2. ## Code: Serial data 3. 4. import serial 5. import time 6. import csv Anexo A: Código 64 7. import collections 8. import matplotlib.pyplot as plt 9. import matplotlib.animation as animation 10. import numpy as np 11. 12. num_sample = 0 13. 14. def getSerialData(self, Samples, serialArduino, lines, lin eValueText, lineLabel, csvWriter): 15. global num_sample 16. value = float(serialArduino.readline().strip()) 17. data.append(value) 18. print(value) 19. lines.set_data(range(Samples), data) 20. lineValueText.set_text(lineLabel + ' = ' + str(round(value, 2))) 21. num_sample += 1 22. # Guardar dato en el archivo CSV 23. csvWriter.writerow([num_sample, value]) 24. 25. # Configura el objeto Serial para la comunicación con Arduino 26. puerto_serial = 'COM3' # Reemplaza 'COMX' con el puerto adecuado 27. baud_rate = 9600 28. 29. try: 30. serialArduino = serial.Serial(puerto_serial, baud_rate ) 31. except serial.SerialException: 32. print(f"Error al abrir el puerto serial {puerto_serial}. Asegúrate de que el puerto es correcto.") 33. exit() 34. 35. # Inicializa las listas para almacenar los datos 36. valores = [] 37. Samples = 50 38. data = collections.deque([0] * Samples, maxlen = Samples) 39. sampleTime = 40 40. 41. # Limite de ejes gráfica 42. xmin = 0 43. xmax = Samples 44. ymin = 2000 45. ymax = 4000 46. 47. # Configuración del archivo CSV 48. archivo = 'DropletQin_15_Q2_30_.csv' 49. csvFile = open(archivo, 'w', newline='') 50. csvWriter = csv.writer(csvFile, delimiter=';') 51. csvWriter.writerow(['Numero de Muestra', 'Valor']) # Encabezado del CSV 52. 53. fig = plt.figure(figsize=(13, 6)) 54. ax = plt.axes(xlim=(xmin, xmax), ylim=(ymin, ymax)) 55. plt.title("PRUEBA") 56. ax.set_xlabel("Samples") 57. ax.set_ylabel("") 58. 59. lineLabel = 'Tension' 65 Fabricación de Circuitos Microfluídicos sobre Sustrato PCB empleando Impresora 3D SLA 60. lines = ax.plot([], [], label=lineLabel)[0] 61. lineValueText = ax.text(0.85, 0.95, "", transform=ax.trans Axes) 62. 63. anim = animation.FuncAnimation(fig, getSerialData, fargs=( Samples, serialArduino, lines, lineValueText, lineLabel, csvWrit er), interval=sampleTime) 64. plt.show() 65. 66. # Cierra el archivo CSV y el puerto serial al finalizar 67. csvFile.close() 68. serialArduino.close() 69. 67 ANEXO B: FABRICACIÓN DE LA PCB En ambos métodos, la PCB se ha fabricado utilizando una plancha de cobre e imprimiendo sobre ella el circuito. En el primer método, se usa una lámina de papel pegatina especial para PCBs que tiene impreso el circuito invertido y aplicando calor con una plancha durante unos minutos. Posteriormente, se sumerge en agua fría para mejorar el despegue del papel. De esta forma se tendría la máscara que el ácido debe atacar. Figura 87 – Máscara del circuito de detección El segundo método, utiliza el circuito de resina como se ha comentado en apartados anteriores. Una vez se tiene ambos, el ataque químico es el mismo para ambos. En esta ocasión se ha usado una mezcla 50/50% de agua oxigenada de 110 volúmenes y agua fuerte para erosionar el cobre hasta conseguir dibujar sobre ella el circuito. Figura 88 – Fabricación PCB