3D-Printed Flow Distributor with Highly Uniform Flow Rate Control for Multi-Stacking Microfluidic Systems

Abstract

A compact flow distributor with fluidic damper is developed to evenly distribute flow to each stacked microfluidic system. The computational fluid dynamics (CFD) was conducted to optimize design parameters of the flow distributor which is staked 25 exit channels. As a result, the optimized flow distributor has a maldistribution factor (MF) of the average velocity at exit equals to 2.28 % with acceptable pressure drops. Furthermore, the test was also conducted in not only high flow rates but also low flow rates which are common conditions in the microfluidic system. It showed that the average velocity among exit channels became more uniform at lower flow rates. Using CFD results, the optimized design with two comparing cases were efficiently fabricated in a one integrated body using the digital light processing (DLP) type 3D printer. When conducting the experiment of three cases including the optimized flow distributor, the CFD result had a good agreement with the experiment. Based on a series of experiments and numerical studies, a design manual of the flow distributor is suggested to design the device optimally in various operating conditions. To validate the manual, the numerical study of another device which has 625 exits was conducted for different conditions. The result showed that the manual works very well with the MF of 1.2 %. In conclusion, anyone can easily and quickly design the optimized flow distributor under their conditions through the manual. The flow distributor with fluidic damper will help scale-out the various microfluidic systems and will be able to provide the basis of mass production of microfluidic systems.

본 논문은 미세 유체 시스템의 대량생산화를 목표로 하여, 단일 유체가 여러 개의 미세 유체 시스템이 적층되어 있는 입구들로 유동을 균일하게 분배하는 장치를 기술한다. 본 연구에서는 전산 유체 역학 (CFD) 기술을 사용하여 ‘유체 댐퍼’가 내부에 포함되어있는 매우 작은 사이즈의 유량 분배기를 개발하였다. 전산 유체 역학을 이용하여 최적화 과정을 통한 최적의 유량 분배기를 설계하였고, 최적 유량분배기와 이를 비교하기 위한 2가지 디자인을 디지털 라이트 프로세싱 3D 프린터를 사용하여 한 번에 신속하고 간단하게 각각의 하나의 몸체들로 제작하였다. 제작된 3가지의 장치를 이용하여 염료 분배량 실험과 질량 측정 실험을 하여 균일하게 유속이 분배됨을 보여주었고, CFD 결과와 비교를 하였을 때 결과들이 잘 일치함을 보여주었다. 이때, 최적화 된 유량 분배기는 25 개의 출구 채널에서 낮은 압력 강하와 평균 속도의 편재 인자가 2.2 % 임을 확인하여 실제로 미세유체시스템에 사용될 수 있음을 보였다. 또한, 시험 결과는 유체가 높은 유속 뿐만 아니라 낮은 유속에서도 적층 된 채널들로 유체들이 균일하게 분배됨을 보여 주었다. 일련의 실험 및 수치 연구에 기초하여, 다양한 작동 조건에서 최적의 유동 분배기 장치를 설계할 수 있는 설계 매뉴얼을 제시하였다. 매뉴얼을 검증하기 위해, 다른 디자인인 625 개의 출구가 있는 새로운 장치에 대한 수치 연구가 다른 실험 조건에서 수행하였다. 그 결과, 1.2 %의 편재 인자가 얻어졌고, 이를 통하여 매뉴얼이 적합함을 보였다. 매뉴얼에 의해 간단하게 설계되고, 쉽고 간편하게 3D 프린터를 이용하여 제작이 가능한 유체 댐퍼가 내제되어 있는 고성능 유량 분배기는 다양한 미세 유체 시스템의 대량 생산의 기반을 제공 할 것이다.