Summary
terahertz 주파수에서 Metamaterials는 독특한 기회를 제공하지만, 대량으로 제조하는 도전입니다. 우리는 저렴한 비용으로 산업 규모의 잠재적 metamaterials를 조작 할 수 microstructured 폴리머 광섬유의 제조 절차를 적응. 우리는 terahertz plasmonic 응답을 전시 ~ 100 μm로 구분 ~ 10 μm의 직경 인듐 와이어를 포함하는 polymethylmethacrylate 섬유를 생산하고 있습니다.
Abstract
Metamaterials는 1를 작동되는 파장보다 훨씬 작은 구성 요소를 조립하여 제조 인공 복합 재료입니다. 그들은 대신을 작성 원자의, 그들의 성분의 구조에 자신의 전자 속성을 빚 졌어. 예를 들어, 서브 파장 금속 와이어는 금속 자체 2 대조적으로, 주어진 주파수에서 중 긍정적이거나 부정적인 수 있습니다 효과적인 전기 유전율을 소유 이용하실 수 있습니다. 빛의 행동에 이상이 전례없는 제어는 잠재적으로 회절 한계 다섯 아래 객체를 해결 같은 투명 망토 3, 부정적인 굴절률 재료 4, 렌즈 등의 소설 장치의 숫자로 이어질 수 있습니다. 그러나, 광학, 중간 적외선과 terahertz 주파수에서 작동 metamaterials는 통상 고가이며 대부분 몇 CEN에 있습니다 샘플을 생산 나노 및 마이크로 제조 기술을 사용하여 만들어집니다크기가 6-7로 timetres. 여기 terahertz plasmonic 응답 8 전시 섬유 형태로 금속 와이어 metamaterials의 수백 미터를 생산하는 제조 방법을 제시한다. 우리는 (PMMA) 튜브 polymethylmethacrylate 내부 인듐 와이어를 사용하여 테일러 - 와이어 절차 10을 microstructured 폴리머 광섬유 구를 생산하는 데 사용되는 스택 앤 그릴 기술을 결합합니다. 가, 처리 terahertz 지역의 적합한 광학 특성을 가진 drawable 유전체 쉬운이기 때문에 PMMA가 선택, 인듐은 156.6의 녹는 온도가 있기 때문에 ° C 이는 PMMA와 codrawing에 적합합니다. 우리는 한쪽 끝에서 밀봉 직경 이외의 1mm 내경 (ID)와 12mm (OD) 1 밀리미터 직경 PMMA 관 99.99 % 순도의 인듐 와이어가 포함되어 있습니다. 튜브 대피와 1.2 mm의 외부 직경으로 그려집니다. 그 결과 섬유 그런 다음 작은 조각으로 절단하고, 큰 PMMA 튜브에 스택되어 있습니다. 이 스택은 하나 밀폐되어용광로에 끝과 먹이가하면서 빠르게 10의 비율에 의해 구조의 직경을 감소, 100의 비율에 의해 길이를 증가 그려된다. 이러한 섬유는 마이크로 및 나노 규모의 기능을 가지고, 대량 producible, 본질적으로 유연하고, 자연에서 발견되지 않은 전자 속성을 전시 짠 할 수 있습니다. 그들은 terahertz에서 이러한 보이지 않는 섬유, 직물 부정적인 굴절률의 옷, 그리고 슈퍼 - 해결 렌즈 등의 광학 주파수에 소설 장치의 번호 유망 플랫폼을 나타냅니다.
Protocol
개요
복합 인듐 / PMMA 섬유 (그림 3)은 자신을 사용할 수 PMMA 튜브 및 와이어에서 준비해야 할 하나의 인듐 와이어 (그림 2)를 포함 PMMA 섬유의 스택을 그리기에 의해 생성된다. 제시 단계는 다음과 같습니다
- 매뉴얼은 스택에 적합한 직경의 단일 인듐 와이어를 포함하는 PMMA 섬유를 생산하고 있습니다. 이를 위해 먼저 1mm 인듐 와이어 (제 1) 수용 할 수있는 PMMA 관을 준비하고 인듐을 포함하고 필요한 크기 (제 2 항)로 그립니다.
- 스택하고 필요한 크기로 얻은 개인 인듐 - 가득 PMMA 섬유 (제 3 항)을 그립니다.
제 4 및 5 세부 사항 섹션 2, 3에서 사용되는 도면 처리합니다.
1. PMMA의 Jacketing 관을 제조하기
1mm 인듐 와이어를 구성하는 데 사용되는 PMMA의 jacketing 관은 stretchi으로 구성되어 있습니다NG 및 기본 그리기 프로세스 (제 4 항)에 sleeving 표준 PMMA 튜브는 ID 1 mm와 OD 12mm의 최종 PMMA의 jacketing 관을 확인합니다.
- 600mm 길이 12 mm의 6mm와 OD의 ID와 PMMA 튜브를 잘라. 여러 PMMA 튜브는 sleeving 과정에서 나중에 사용하기 위해 준비를해야합니다.
- 오일의 최소 90 ° C에서 어닐링 오븐에 PMMA 튜브를 어닐링.
- 오븐 어닐링에서 한 PMMA 튜브를 제거하고 실내 온도에 냉각 할 수 있습니다.
- 이소프로판올 와이프와 함께 PMMA 튜브의 표면을 깨끗하고 건조 할 수 있습니다.
- 반사 테이프를 사용하여 상단 익스텐더 (그림 6) (그림 7)에 PMMA 튜브를 연결합니다.
- 반사 테이프를 사용하여 기본 그리기 바닥 익스텐더 (그림 6) (그림 8)에 PMMA 튜브를 연결합니다.
- (제 4 항 참조) 기본 그리기 과정에서 PMMA 관을 치다. 더 진공이 단계가 필요하지 않습니다 않습니다. PMMA 관은까지 뻗어있다6mm에 OD 12mm.
- 그림 후 추첨 타워에서 신장 튜브를 제거합니다.
- 550mm 길이로 신장 튜브를 잘라.
- 단계 1.3과 1.4를 반복합니다.
- 소재가 부드럽게 될 때까지 뜨거운 공기 총을 신장 튜브의 상단면을 열 플라이어 (그림 9)를 사용하여 구멍을 밀봉 방해.
- PMMA 튜브 조립체 (그림 10)을 생성 할 수있는 새로운 PMMA 튜브로 신장 튜브를 삽입합니다. 신장 튜브 및 새로운 PMMA 튜브 사이의 간격을 밀봉하기 위해 그림 10과 같이 PMMA 튜브 어셈블리 (예 : 열려있는 내부 신장 관이있는 쪽), 랩 polytetrafluoroethylene (PTFE) 테이프의 하단 옆에 있습니다.
- 끈적 테이프의 내부 층, PTFE 테이프의 중간 계층, 그리고 반사의 외부 층을 사용하여 상단 익스텐더 (그림 7)에 PMMA 튜브 어셈블리 (즉, 밀폐 된 내부 신장 관이있는 쪽)의 상단 끝을 연결합니다 테이프. 을 확인PTFE 테이프는 꼭이며, PMMA 관 어셈블리 및 상단 익스텐더 사이의 모든 간격은 봉인 된 겁니다.
- 1.6과 같이 주요 추첨 바닥 연장에 PMMA 튜브를 연결합니다.
- 진공와 기본 드로잉 과정에 스트레치 및 슬리브 PMMA 튜브 조립체 (제 4 항 참조). PMMA 관 조립체는 OD 12mm에서 6mm까지 늘어납니다.
- 그 결과 신장 PMMA의 jacketing 관은 약 0.25 ID / OD 수 있습니다. 최종 PMMA의 jacketing 관 1mm (그림 1)의 ID로 약 0.1의 ID / OD이 나타날 때까지 1.15-1.9를 반복합니다.
2. 인듐를 제조하는 섬유를 채움
1mm 인듐 와이어는 소매와 제 1 항에 마지막 OD 1.2 mm로 인듐 가득 섬유를 생산하기 위해 보조 추첨 과정 (제 5) 사용하여 만든 PMMA의 jacketing 관에 뻗어 있습니다.
- 준비 및 1.1에 도시 된 바와 같이 PMMA의 jacketing 튜브를 어닐링 - 1.4.
- 550mm 길이로 인듐 와이어를 잘라.
- 그림 11과 같이 프리폼 어셈블리를 가득 인듐을 만들 PMMA의 jacketing 관에 인듐 와이어를 삽입합니다.
- 1.11와 같이 PMMA의 jacketing 관의 바닥면을 봉쇄 해.
- 1.14과 같이 1.13하고 보조 드로우 바닥 연장과 같이 상단 연장에 인듐 가득 프리폼 어셈블리를 연결합니다.
- 스트레치 및 슬리브 인듐은 15-20g 장력에 따라 그려 최종 OD 1mm의 인듐 가득 섬유 (제 5 참조)를 만드는 진공과 보조 드로잉 과정에 프리폼 어셈블리를 가득 채웠다.
- 그리기 작업이 완료 된 후 탑에서 인듐 가득 섬유의 스풀을 제거합니다.
- endface를 검사하고 인듐의 종 방향 길이를 따라 가벼운 현미경을 사용하여 섬유를 가득 채웠다. 문제 결함은 인듐 와이어와 PMMA 관 인터페이스, 섬유의 길이를 따라 와이어 직경 또는 파괴 균열의 변동 사이의 분리를 포함 할 수 있습니다. 산업의 광학 현미경 이미지ium 가득 섬유는 1mm OD PMMA 섬유의 연속 100 μm의 인듐 와이어를 보여주는 그림 2에 표시됩니다.
- 충분한 인듐 가득 섬유는 인듐 스택 예비 성형품에 대한 생산 될 때까지 2.8-2.1를 반복합니다.
3. 인듐 누적 섬유를 제조
인듐 누적 섬유가 먼저 한 다음 늘어하고 보조 추첨 과정 (제 5)를 사용하여 원하는 섬유 크기에 소매되는 큰 PMMA 프리폼의 jacketing 관에 Secton 2에 생산 인듐 가득 섬유를 스태킹하여 제조된다.
- 1.1와 같이 PMMA 프리폼의 jacketing 튜브를 준비합니다. 데모를 위해, 우리는 12mm OD, 9 밀리미터 ID의 PMMA 튜브를 사용합니다.
- 인듐은 550mm의 길이로 섬유를 가득 자른다.
- PMMA 프리폼의 jacketing 튜브의 표면을 청소하고 인듐은 이소프로판올 잎사귀로 섬유를 채워 건조 할 수 있습니다.
- 고무 밴드를 사용하여 인듐 가득 섬유를 번들 삽입PMMA 프리폼의 jacketing 관으로, 섬유를 보장하는 것은 직선과 꼭 부합 (그림 12)의입니다.
- 오일의 최소 90 ° C에서 어닐링 오븐에 스택 프리폼 어셈블리를 어닐링.
- 어닐링 오븐에서 스택 프리폼 어셈블리를 제거하고 실내 온도에 냉각 할 수 있습니다.
- 1.14과 같이 1.13하고 보조 드로우 바닥 연장과 같이 상단 연장에 인듐 가득 프리폼 어셈블리를 연결합니다.
- 인듐 스택 섬유 (제 5 항 참조) 할 진공과 보조 드로잉 과정에 스트레치 및 슬리브 스택 예비 성형품 조립. 이 50 μm로 구분 5mm 와이어를 포함하는 metamaterial 섬유를 생산 80g 장력에 따라 그려 최종 OD 0.6 mm로 늘어납니다. 결과 섬유 광학 현미경 단면 이미지는 그림 3에 표시됩니다.
- 그리기 작업이 완료 된 후 탑에서 인듐 스택 섬유의 스풀을 제거합니다.
- 에2.8 (그림 3)과 같이 SPECT는 endface과 인듐 스택 섬유의 길이 방향 길이를 따라.
4. 기본 추첨 프로세스
기본 그리기 과정은 1mm보다 큰 외부 직경에 preforms를 확장하는 데 사용됩니다. 다음 절차는 제 1 항에서 사용된다 : PMMA의 Jacketing 튜브를 제조.
- 세 턱 척에 가기 연장을 클램핑하여 추첨 타워에 프리폼을로드합니다. 노의 구역 (그림 13)에 예비 성형품을 먹이. XY 마이크로 미터 단계를 사용하여 예비 성형품을 맞 춥니 다. 노의 상단 플레이트를 닫습니다.
- 예열 단계는 그림 14에 표시된 온도 프로파일을 사용하여 그리기 온도 프리폼의 단면적의 온도를 elevates.
- 5mm / 분에서 공급 속도를 시작, 185 ° C로 온도를 증가하여 그리기 작업을 시작, 6 월 / 분, 종료 t에서 속도를 끌어그는 단위 클램프을 그리세요. 시간이 지남에 따라 드로우 장력 (그림 15)의 동작을 검사합니다.
- 긴장이 기하 급수적으로 증가하면, 피드와 무승부 단위를 중지 프리폼의 피드를 시작하기 전에, 온도를 그리기까지 가열 한 후 다시 단위를 그릴 수 있도록 1 분 정도 기다리십시오. 긴장이 안정화 될 때까지 테스트를 반복합니다.
- 긴장이 떨어지면, 1-2 월 / 분으로 그리기 속도를 향상시킬 수 있습니다. 필요한 그리기 속도가 달성 될 때까지, 1-2 월 / 분 단위 (만큼 긴장 어느 일정하게 유지 또는 하강 시작)에 그리기 속도를 증가 계속합니다.
- 진공가 필요한 경우, 블루 전술 (그림 13)를 사용하여 상단 프리폼 Extender를 밀봉 진공으로 진공 튜브를 연결합니다. 피드와 무승부 단위는 프리폼이 대칭 그리기되도록하기 시작 한 후 진공을 사용합니다.
- 예비 성형품을 그릴 때 가이드로 표 1에서 기본 드로잉 조건을 사용합니다. 노의 온도와 비율 B를 참고피드를 etween과 속도가 일정 OD 및 그리기 긴장을 유지하기 위해 모니터링해야립니다. , 그린 섬유에 대한 지표 외경이 대량 균형 방정식에서 구할 수 있습니다
D 마지막 = D 시작 (F / D) 2분의 1
최종 D 어디 - D 시작이 초기 프리폼 직경 최종 섬유의 직경입니다, F는 공급 속도이며, D는 추첨 속도입니다. 먹이와 그리기 속도와 프리폼이 완료 노의 스위치를 중지합니다. 프리폼은 실내 온도에 냉각되면 추첨 타워에서 예비 성형품을 제거합니다.
5. 차 추첨 프로세스
차 추첨 과정은 1mm보다 작은 약물 과용이라면서으로 preforms를 확장하는 데 사용됩니다. 다음 절차는 제 2 항에 사용됩니다 인듐 스택 섬유를 제조 : 인듐은 섬유 및 3 가득 제조.
- s에 대한 예비 성형품로드econdary 추첨은 기본 그리기 프로세스 (단계 4.1)에서와 동일합니다.
- 보조 추첨을위한 사전 가열 단계는 기본 그리기 프로세스 (단계 4.2)에서와 동일합니다.
- 그리기 온도에 도달되면 예비 성형품은 목을 다운로 시작합니다. 드롭 다운 프리폼 종료의 초기 드로잉 힘 (그림 16)을 제공하는 하단 익스텐더의 무게로 인해 노의 바닥.
- 피드 속도 (2.5-5 ㎜ / 분)를 시작하고 노의 온도를 증가 시작 - 드롭 다운의 속도를 제어 할 수 (2.5 5 ° C). 섬유 직경은 최대 250 주위에 유지되어야합니다 - 섬유 안 그래요을 방지하기 위해 500 μm합니다.
- 처음에 1에서 m / 분의 속도가 느린 속도로 회전하는 캡스턴 휠에 섬유를 연결합니다. 댄서 휠 주위의 섬유를 바람과 섬유 스풀에 첨부합니다.
- 진공가 필요한 경우 4.4과 같이 진공 튜브를 연결합니다.
- 섬유 무승부는 처음 과도 드로우 조건 하에서 될 것입니다. 에스동부 표준시 피드 속도는 원하는 그리기 조건 값으로 속도와 가열 온도를 그립니다. 섬유 직경과 무승부 장력이 정상 상태까지 변동 할가 몇 분 후에 이루어집니다.
- 예비 성형품을 그릴 때 가이드로 표 2에 보조 드로잉 조건을 사용합니다. 피드와 무승부 속도 사이의 용광로 온도와 비율 지속적인 OD 및 그리기 긴장을 유지하기 위해 모니터링해야를합니다.
- 4.5과 같이 프로세스를 중지합니다.
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Representative Results
Metamaterial 섬유는 설명하는 기술을 사용하여 제작되었다. 그들은 결과적으로 자신들이 제작 한 10mm 폴리머 자켓 안에 포함 1mm 인듐 와이어의 프리폼에서 도출 된 그림 2에 표시된 100 μm 직경 연속 인듐 와이어를 포함하는 1mm PMMA 섬유의 프리폼에서 조립 된 적절하게 크기의 폴리머 튜브를 sleeving하여 그림 1의 설계도에 표시된. THz 범위의 plasmonic 응답 metamaterial 섬유의 예의 단면의 현미경 이미지는 그림 3에 표시됩니다.
plasmonic 반응은 낮은 주파수에서 자료가 금속 (낮은 전송)처럼 두 개의 행동 사이의 경계를 정의하는 플라즈마 주파수와 유전체 (높은 전송)와 같은 높은 주파수에서 작동하는 것을 그 자체가 그러한 승객 명단. 이 특정 경우에는, 플라즈마 주파수는 1.2에서 예상됩니다THz 그러나 우리의 기술은 쉽게 회전 변화에 와이어의 반경과 분리가 아니라 심판에 표시되는 추첨 속도. 8 변화에 의해 변경 될이 수 있습니다. metamaterial 섬유의 결과 높은 패스 필터링 동작은 와이어를 따라 이동의 전기 분야와 사고 THz 파를 들어, terahertz 시간 도메인 분광학 11을 통해 측정 할 수 있습니다.
그림 4.ia는 세 가지 차원으로 그려진이 섬유 유형의 실험 측정을 보여줍니다. 이 두 경우 모두 직경에있는 플라즈마 주파수 의존성은 명백 그림 4.ib에 도시 된 바와 같이, 이론과 잘 동의합니다. 그림 3에 표시된 특정 섬유의 분석 플라즈마 주파수는 0.6 THz에 있습니다 그림 4.ii에 표시된 plasmonic 응답을 제공합니다.
그림 1. 하나의 인듐 와이어가 여러 소매 재킷 단면 개략도. 1 인듐 와이어이며, 2는 1 jacketing PMMA 튜브, 3은 2 차입니다이며, 4는 3입니다.
그림 2. 톱 전망과 하나의 100 μm의 인듐 와이어와 1mm PMMA 섬유의 측면보기.
그림 3. (복합) PMMA 섬유에서 50 μm로 구분하여 5 μm의 인듐 와이어의 광학 현미경 단면 이미지입니다. (40x 목적 렌즈).
그림 4.은 (i) metamaterial 섬유 투과율을 측정하기위한 실험 설정의 도식. (II) (A) 실험 등 참조로 표시 다른 직경 (와이어로 전기장에 평행). 8, 아주 좋은 계약을 표시 metamaterial 섬유의 배열에 대한 (B) 시뮬레이션 (유한 요소법) 투과율. 590 μm 섬유의 스캔 전자 현미경 이미지는 ()의 삽입에 표시됩니다. 시뮬레이션 형상의 이미지는 (B)의 삽입에 표시됩니다. 가장 작은 섬유 ~ 100 μm에서 ~ 8 μm의 직경 와이어를 분리했습니다. 매체가 균일으로 볼 수없는 곳 음영 지역은 보여줍니다. 우리는 높은 패스 필터링 행동 변화의 결과로, (간단하게 그리기 속도를 변경하여 획득) 섬유 직경을 늘리는 plasmonic 전환 지역은 낮은 주파수로 옮겨. 후 참조. 8. 그림 3에 표시된 metamaterial 섬유의 배열 (III) 모의 투과율,를 사용하여동일한 방법과 광학 매개 변수는 참조로 표시. 8. 이 경우에는 섬유는 0.6 THz 주변 플라즈마 주파수를 전시한다고합니다. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 5. 보조 쪽의 섬유 그리기 탑의 꼭대기 절을 참조하십시오. 특히 척 피드 (위)와 제어 유닛 (오른쪽)에 연결 가열로 (가운데)에 있습니다.
그림 6. 회 연장, 프리폼, 상위 익스텐더 (왼쪽에서 오른쪽으로).
그림 7. 첨부 ING 맨 연장 - PTFE (왼쪽)와 반사 테이프 (오른쪽)과.
그림 8 하단 연장 부착 -. 반사 테이프를.
그림 9. 더운 공기 총 주름.
그림 10. 재킷 (왼쪽)과 PTFE 씰 (오른쪽)과 관을 삽입.
그림 11. PMMA 관에 인듐 와이어를 삽입.
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그림 12. PMMA 관에 인듐 와이어 스택 번들 삽입.
그림 13 위에서 아래로 :. 3 턱 척 공급 장치에 예비 성형품을 클램핑하고, 가열로 공급, 예비 성형품에 진공 튜브를 부착.
그림 14. 사전 열 프로필입니다.
그림 15. 기본 장력 프로필.
그림 16. + 예비 성형품 섹션 드롭 다운.
| 프리폼 OD (mm) | 피드 속도 (mm / 분) | 속도 (mm / 분)을 그립니다 | 노의 온도 (° C) |
| 12 | 2.5-5 | 25-50 | 185-200 |
| 12 | 5-10 | 15-25 | 185-200 |
| 12 | 10-15 | 10-20 | 185-200 |
표 1. 기본 무승부 조건.
| 프리폼 OD (mm) | 피드 속도 (mm / 분) | 노의 온도 (° C) | 그리 장력 (g) |
| 12 | 10 | 220-240 | 70-80 |
| 12 | 7.5-10 | 210-230 | 70-80 | 5-7.5 | 200-220 | 70-80 |
| 12 | 2.5-5 | 190-210 | 70-80 |
| 12 | 1-2.5 | 180-200 | 70-80 |
표 2. 보조 무승부 조건.
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Discussion
여기에 제시된 기술은 효과적으로 높은 패스 필터로 행동, THz 범위의 plasmonic 응답 (그리고 따라서 맞춤 전기 유전율)를 보유하고 microscale 기능 크기로 연속 입체 metamaterials의 킬로미터 제조 할 수 있습니다. 이것은 실험적으로 terahertz 시간 도메인 분광학 11를 사용하여 나타낼 수있다. 이 범위 12 부정적인 자기 투자율을 가진 metamaterial 섬유와 결합 할 때 이러한 섬유 모양의 metamaterials는, 예를 들어 부정적인 굴절률 자료를 위해, 잘라 내기, 장치의 다수의 실현을 위해 대량 자료에 스택, 또는 다른 구조로 짠 할 수 있습니다. 자기 (磁气) 반응 섬유도 여기에 13를 발표 기술에 대한 변화에 의해 대량으로 제조 될 수 있습니다.
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Disclosures
관심 없음 충돌이 선언 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 호주 연구위원회의 디스커버리 프로젝트 자금 조달 계획 (프로젝트 번호 DP120103942)에서 지원되었습니다. BTK와 AA는 호주 연구위원회 미래 휄로 십 (FT0991895)와 각각 호주 연구 휄로 십 (DP1093789)의 수신자입니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Indium 99.99% Wire, 1 mm diameter | AIM Specialty | Available on request | www.aimspecialty.com http://www.aimspecialty.com/Portals/0/Files/Indium.pdf |
| 2-Propanol(Isopropanol) | Sigma-Aldrich | Product Number 190764 |
http://www.sigmaaldrich.com/chemistry/solvents/products.html?TablePage=17292086 |
| Adhesive tape | Staples | ||
| One Wrap PTFE Tape, 5 ml x 12 mmW x 0.2 mmT | RS Components | RS Stock Number 231-964 |
http://uk.rs-online.com/web/p/ptfe-tapes/0231964/ |
| 50 Micron Aluminium Foil Tape | Advance Adhesive Tapes | AT506 | http://www.advancetapes.com/Products/types/9/page1/81 |
| Blu-tak | Bostik | http://www.blutack.com/index.html | |
| Araldite Quick Set | Selleys | http://selleys.com.au/adhesives/household-adhesive/araldite/quick-set | |
| PMMA tubes: - ID 6 mm, OD 12 mm - ID 9 mm, OD 12 mm |
B M Plastics: Plastic Fabrication | Available on request | http://www.bmplastics.com.au/about-us.htm |
| Equipment Requirements | |||
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References
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