Method Article

الصغرى 3D الطباعة باستخدام جهاز عرض رقمي وتطبيقاتها في دراسة ميكانيكا مواد لينة

DOI:

10.3791/4457

⸱

November 27th, 2012

 , 
1Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

علينا أن نبرهن للرقابة تحول نمط أنابيب هلام تورم عدم الاستقرار المرنة. بنيت إسقاط الجزئي بسيطة ستيريو الطباعة الحجرية باستخدام الإعداد قبالة الجاهزة للاستخدام جهاز عرض البيانات الرقمية الى افتعال هياكل ثلاثية الأبعاد البوليمرية بطريقة طبقة تلو الطبقة. تورم هيدروجيل أنابيب تحت القيد الميكانيكية عرض مختلف وسائط كفافي التواء اعتمادا على البعد.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

التواء هو موضوع الكلاسيكية في الميكانيكا. بينما منذ فترة طويلة التواء درس واحد من وسائط فشل هيكلية رئيسية 1، وقد وضعت في الآونة الأخيرة اهتماما جديدا كآلية للتحول نمط فريد. الطبيعة مليئة أمثلة من هذا القبيل حيث تتشكل مجموعة كبيرة من أنماط غريبة من خلال عدم الاستقرار الميكانيكية 2-5. مستوحاة من هذه الآلية أنيقة، وقد أظهرت العديد من الدراسات وإنشاء أنماط التحول من استخدام مواد لينة مثل اللدائن والهلاميات المائية 6-11. تورم المواد الهلامية ذات أهمية خاصة لأنها يمكن أن تؤدي إلى عدم الاستقرار الميكانيكية تلقائيا لإنشاء أنماط مختلفة من دون الحاجة إلى قوة خارجية 6-10. في الآونة الأخيرة، وقد أبلغنا مظاهرة من السيطرة الكاملة على نمط التواء الصغيرة النطاق باستخدام المواد الهلامية أنبوبي الإسقاط الجزئي المجسمة (PμSL)، ثلاثي الأبعاد تكنولوجيا التصنيع (3D) قادرة على تحويل بسرعة الكمبيوتر نماذج 3D ولدت أناn لكائنات المادية بدقة عالية 12،13. هنا نقدم طريقة بسيطة لبناء نظام مبسط PμSL باستخدام البيانات الرقمية المتاحة تجاريا لدراسة العرض تورم عدم الاستقرار الناجم عن التواء للتحول نمط رقابة.

بنيت طابعة مكتبية بسيطة 3D باستخدام قبالة الجاهزة للاستخدام البيانات الرقمية والبروجيكتور المكونات البصرية البسيطة مثل عدسة محدبة ومرآة 14. ومن المتوقع صور مقطعية المستخرجة من نموذج 3D الصلبة على سطح الراتنج حساس في تسلسل، بلمرة الراتنج السائل إلى بنية صلبة المطلوب 3D بطريقة طبقة تلو الطبقة. حتى مع هذا التكوين بسيطة وعملية سهلة، يمكن 3D الكائنات التعسفي ملفقة بسهولة لقرار ميكرون الفرعي-100.

هذه الطابعة المكتبية 3D يحمل إمكانات في دراسة ميكانيكا المواد الناعمة من خلال تقديم فرصة عظيمة لاستكشاف 3D هندستها المختلفة. نستخدم هذا النظام لFABRICAالشركة المصرية للاتصالات أنبوبي هيكل هيدروجيل شكل ذات أبعاد مختلفة. ثابتة على الجزء السفلي إلى الركيزة، وهلام أنبوبي تطور التوتر غير متجانسة خلال تورم، التي تثير عدم الاستقرار التواء. أنماط مختلفة تظهر متموجة على طول محيط الأنبوب عند الهياكل هلام الخضوع التواء. التجربة تبين أن يمكن إنشاء كفافي التواء من الوضع المرغوب في الطريقة التي تسيطر عليها. تحول نمط ثلاثة الأبعاد المواد الهلامية أنبوبي هيكلة ديه ضمنا كبيرة ليس فقط في الميكانيكا وعلم المواد، ولكن أيضا في العديد من المجالات الأخرى الناشئة مثل matamaterials الانضباطي.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تحضير محلول سابق البلمرة

  1. مزيج بولي (إيثيلين جليكول) diacrylate (PEG-DA) (متوسط ​​الوزن الجزيئي ~ 575، سيغما الدريخ) وبولي (إيثيلين جليكول) (PEG) (متوسط ​​الوزن الجزيئي ~ 200، سيغما الدريخ) في نسبة الوزن 1:2.
  2. إضافة 0.67٪ بالوزن. الصور البادئ (Phenylbis (2،4،6-trimethylbenzoyl) الفوسفين أكسيد، سيغما الدريخ). يجب أن تبقى الحل في بيئة مظلمة من هذه النقطة.
  3. إضافة 0.05٪ بالوزن. الصور امتصاص (السودان I، سيغما الدريخ).
  4. مزيج الحل لمدة 24 ساعة في درجة حرارة الغرفة باستخدام النمام المغناطيسي.

2. إعداد طابعة سطح المكتب 3D باستخدام البيانات الرقمية العارض

  1. وضع البيانات الرقمية الإسقاط على موقف شقة ومستقرة، وتوصيله إلى جهاز كمبيوتر مع تثبيت مايكروسوفت اوفيس.
  2. وضع عدسة محدبة الحق أمام عدسة شعاع الناتج من جهاز العرض الرقمي. اختيار عدسة محدبة لجعل البؤري عن 10 سم بعيدا عن المؤيدjector. (القرار البصرية يصبح أصغر لعدسة بطول بؤري أقصر، ولكن يحتاج المرء لحجز مساحة لبعض المكونات البصرية.)
  3. وضع مرآة محدبة عدسة بعد على طريق شعاع في زاوية ° 45 لتوجيه شعاع أسفل.
  4. وضع صاحب العينة في المستوى البؤري من الحزم المتوقعة. يجب أن يرفق صاحب العينة إلى مرحلة الخطية التي يتم التحكم في الوضع الرأسي لصاحب العينة.
  5. وضع حمام الراتنج تحت حامل العينة.

3. تصميم وتصنيع أنابيب جل

  1. تحديد القطر، سمك الجدار، وارتفاع أنبوب هلام أنها ملفقة.
  2. رسم صور مقطعية للأنبوب هلام. يجب أن تكون الصور باللون الأبيض مع خلفية سوداء. إدراج هذه الصورة في شرائح PowerPoint مايكروسوفت.
  3. عرض الصور في Microsoft PowerPoint وإبراز أي صورة. وضع صاحب العينة في المستوى البؤري عن طريق ضبط الوضع الرأسي باستخدام ATTآلم المرحلة.
  4. التحول إلى صورة "نموذج" الأسود بحيث لن يكون هناك البلمرة غير المرغوب فيها في حين وضع حل سابق البلمرة.
  5. صب حل لسابق البلمرة حمام الراتنج. املئي حوض الاستحمام حتى الحل يغطي قليلا صاحب العينة. والآن هو على استعداد لكائن 3D الطباعة.
  6. التبديل إلى الشريحة التي تحتوي على أول صورة مقطعية للأنبوب هلام لتتبلمر الطبقة الأولى. الحفاظ على إبراز الصورة لمدة 8 ثوانى ويعود مرة أخرى إلى الشريحة "التعتيم".
  7. تدوير المقبض على المسرح خطية من قبل بدوره ¼ (~ 160 ميكرون) لخفض حامل العينة. الآن الراتنج جديدة في تدفقات لتغطية طبقة بلمرة الأولى.
  8. عرض الصورة مستعرضة مرة أخرى لتتبلمر الطبقة الثانية على رأس دعوى واحدة. كرر الخطوات من 3،6-3،8 حتى يتم ملفقة أنبوب هلام من الارتفاع المطلوب.
  9. مرة واحدة كل طبقات كاملة، رفع صاحب عينة من الحل سابق البلمرة، واسترجاع العينة ملفقة بعناية باستخدام BLAD الحلاقةه.
  10. شطف العينة في الأسيتون لساعة 3 ~، ثم اتركه حتى يجف لساعة 1 ~.

4. تورم التجربة لتشكيل نمط محدد من عدم الاستقرار مطاطا

  1. إعداد المياه للنفط السائل طبقة مزدوجة في طبق زجاجي شفاف.
  2. إرفاق عينة جافة على حامل العينة باستخدام الغراء عظمى.
  3. الوجه حامل العينة بحيث تكون العينة رأسا على عقب. تزج العينة في حمام الماء السائل النفط. الاقتراب من عينة لمياه واجهة النفط من طبقة النفط. العينة يبدأ تنتفخ عندما تلامس العينة سطح الماء في حين أن الجزء الركيزة الأساس الذي تم إصلاح الأنبوب هلام بقيت في طبقة نفط. وبهذه الطريقة، يمكن للمياه نشر في الحائط أنبوب يسمح للعينة قبل تنتفخ قاعدة تقييد يرتاح من التبول. رصد تغير نمط كما تتضخم أنبوب هلام باستخدام كاميرا رقمية.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويرد نظام بسيط PμSL باستخدام قبالة الجاهزة للاستخدام جهاز عرض البيانات الرقمية في الشكل 1. عدسة محدبة مع طول بؤري من 75 مم تركز شعاع الإضاءة داخل منطقة صغيرة من 2 سم من 2 سم. مما أدى إلى الطائرة الدقة البصرية حوالي 45 ميكرون. يتم تحديد القرار العمودية على مستوى دقة المرحلة الخطية. سمك طبقة من هياكل مصنوعة لهذه الدراسة هو 160 ميكرون. وبلمرة كل طبقة الإضاءة الخفيفة لمدة 8 ثوانى. ويرد هيكل 3D ممثل ملفقة من قبل النظام في الشكل 1D. هذه الأجسام تتكون من 58 طبقات من PEGDA.

مستعدون للشفاء الصور PEGDA هيدروجيل. وقد تحقق يشابك منخفضة، وتورم كبير لذلك، من خلال إضافة هيدروجيل PEGDA غير يشابك PEG إلى حل سابق البلمرة. طول الحكيم نسبة تورم في هيدروجيل PEGDA الناتج هو 1.5، والتي تتطابق مع التوسع الحجمي أعلى من 300٪.

> تم تصميم مجموعة من أنابيب هيدروجيل PEGDA وملفقة على أساس 12 نظريتنا. وضعنا عينة رأسا على عقب وضعه في حمام بالماء مغطاة بطبقة النفط على رأس كما هو موضح في الشكل 2A. اعتمادا على بارامترات الأبعاد، وأنابيب دائرية ظلت مستقرة أو إما تتحول إلى نمط متموج كما هو موضح في الشكل 2B. تم القبض على مجموعة واسعة من تورم نمط عينات مختلفة من كاميرا رقمية وعرضها في الشكل 3A.

figure-results-1
الشكل 1. A سطح المكتب إسقاط النظام الجزئي المجسمة (أ) التمثيل التخطيطي (ب) النظام الفعلي (ج) عن قرب نظرا لمكونات (د) هياكل 3D ممثل. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

خيمة "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما "> figure-results-2
الشكل 2 (أ) الإعداد التجريبية لأنبوب هيدروجيل تورم (ب) مقيدة أنبوب هيدروجيل يتحول أنماط مختلفة. شريط مقياس يشير إلى 5 مم.

figure-results-3
الشكل 3 (أ) أنماط تشكلت في تورم التجربة. المحور العمودي يشير طن / ساعة (وبالتالي الاستقرار)، والمحور الأفقي يشير ح / D (التواء بالتالي اسطة). شريط مقياس يشير إلى 5 مم. (ب) وضع التواء يعتمد فقط على ساعة / D. نتيجة التجريبية يتفق تماما مع تنبؤ النظرية. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

عينة </ STRONG> D (ميكرومتر) ر (ميكرومتر) ح (ميكرومتر)
أنا أنا 9300 ± 420 760 ± 40 840 ± 40
الثاني 9700 ± 420 1040 ± 40 1060 ± 40
الثالث 9700 ± 420 1210 ± 40 1340 ± 40
الرابع 9700 ± 420 1660 ± 40 1680 ± 40
II أنا 9000 ± 420 480 ± 40 880 ± 40
الثاني 9000 ± 420 1060 ± 40
الثالث 9500 ± 420 740 ± 40 1350 ± 40
الرابع 9200 ± 420 970 ± 40 1650 ± 40
III أنا 8900 ± 420 160 ± 40 790 ± 40
الثاني 8900 ± 420 300 ± 40 1020 ± 40
الثالث 9100 ± 420 380 ± 40 1330 ± 40
الرابع 9000 ± 420 490 ± 40 1630 ± 40
IV أنا 8900 ± 420 140 ± 40 780 ± 40
الثاني 8800 ± 420 190 ± 40 1010 ± 40
الثالث 9300 ± 420 230 ± 40 1340 ± 40
الرابع 8900 ± 420 290 ± 40 1650 ± 40

أبعاد الجدول نموذج 1. قياسها من خلال المجهر الضوئي. أخطاء تشير إلى الارتياب في القياس.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في تورم هيدروجيل أنبوبي مقيدة على الركيزة والاستقرار يعتمد فقط على طن / ساعة والتواء يعتمد فقط على وضع ساعة / D 12. ملفقة أربع مجموعات من العينات (I-IV) مع مستويات مختلفة من سمك تطبيع ر / ساعة، مع المجموعة الأولى كونه سمكا ومجموعة IV كونها أكثر رشاقة. كل مجموعة تتكون من أربع عينات (من الأول إلى الرابع) مع مستويات مختلفة من الارتفاع تطبيع ح / D، مع العينة أن أكون أقصر والعينة الرابعة كونها أطول قامة. وتعرض أبعاد عينات ملفقة في الجدول 1. تم تصميم مجموعة الأول والثاني للبقاء مستقرة خلال تورم، في حين تم تصميم المجموعة الثالثة والرابعة لربط حزام الأمان وتحويل عند تورم. لعينات التواء، bucklinز ينبغي وضع ينخفض ​​مع ارتفاع العينة. 3A يوضح الشكل نتيجة التجريبية. كما تتنبأ النظرية، وكانت العينات في المجموعة الأولى والثانية بقيت مستقرة والتعميم على تورم، في حين عينات في المجموعة الثالثة والرابعة ذهب كل ذلك من خلال عدم الاستقرار والمرونة التوى. أيضا، عرض عينات مع نفس ح / D مماثلة وضع التواء. 3B الشكل يقارن وحظ تجريبيا وسائط التواء في العينات المجموعة الثالثة والرابعة مع التنبؤ النظري. يمكننا أن نرى أن العينات مع نفس ح / D تشكل نفس النمط بعد التواء بغض النظر عن سمك والنتائج التجريبية أن نتفق تماما مع النظرية.

كيف نقدم لبناء 3D سطح المكتب بسيطة نظام الطباعة باستخدام البيانات الرقمية المتاحة تجاريا العرض. النهج المقترح يعتمد على photocuring من البوليمر ليخدعالبنية هياكل 3D، وبالتالي، يمكن أي البوليمرات photocurable تستخدم أيضا بشكل عام، بقدر ما لديه photoinitiator الامتصاصية المناسبة في نطاق الطول الموجي مرئية. لاحظ أن يتم تصميم العديد من photoinitiators المتاحة تجاريا لالأشعة فوق البنفسجية (UV) موجات، ولكن لديها photoinitiator المستخدمة هنا الامتصاصية أعلى نسبيا عند أطوال موجية أطول من 400 نانومتر. تقدم وسيلة سهلة وسريعة لصنع كائنات 3D، وسوف تجد هذه الطريقة العديد من التطبيقات في مختلف المجالات بما في ذلك مواد لينة الميكانيكا كما هو موضح هنا.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

فإن الكتاب أود أن أشكر جوزيف ماسكين وراجوسا ماثيو في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين لتوفير صور مقطعية للهياكل 3D هو مبين في الشكل 1D.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
اسم كاشف شركة كتالوج رقم التعليقات (اختياري)
بولي (إيثيلين جليكول) diacrylate سيغما الدريخ 437441 ~ 575 ميجاوات
بولي (إيثيلين جليكول) سيغما الدريخ P3015 ~ 200 ميغاواط
phenylbis (2،4،6-trimethylbenzoyl) الفوسفين أكسيد سيغما الدريخ 511447 الصور البادئ
I السودان سيغما الدريخ 103624 الصور امتصاص
البيانات الرقمية الإسقاط فيوسونيك PJD6221
عدسة محدبة Thorlabs LA1145 F = 75،0 مم
MIRRأو 4 رقاقة السيليكون "
دليل المرحلة Velmex A2506DE-S2.5

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Theory of Elastic Stability. , McGraw-Hill. (1961).">Timoshenko, S. P., Gere, J. M. Theory of Elastic Stability. , McGraw-Hill. (1961).
  2. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).">Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).
  3. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).">Kücken, M., Newell, A. C. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).
  4. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).">Liang, H., Mahadevan, L. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).
  5. The human brain during the second trimester. , Taylor & Francis. (2005).">Bayer, S. A., Altman, J. The human brain during the second trimester. , Taylor & Francis. (2005).
  6. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564(2008).">Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564(2008).
  7. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490(2011).">Breid, D., Crosby, A. J. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490(2011).
  8. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).">Mora, T., Boudaoud, A. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).
  9. Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels. Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).">DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels. Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).
  10. Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases. Physical Review Letters. 107, 018103(2011).">Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases. Physical Review Letters. 107, 018103(2011).
  11. Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching. Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).">Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching. Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).
  12. Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability. Physical Review Letters. 108, 214304(2012).">Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability. Physical Review Letters. 108, 214304(2012).
  13. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).">Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).
  14. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).">Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Micro 3D PrintingDigital ProjectorProjection Micro StereolithographySoft Materials MechanicsSwelling Induced BucklingHydrogel Tube FabricationPattern TransformationOptical Resolution MeasurementLinear Stage ControlWater Oil Interface

Related Articles