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

الهدف العام من الفيديو التالي هو توضيح كيفية بناء أداة بسيطة للتصنيع الدقيق للهلام ثلاثي الأبعاد واستخدامها في تحويل أنماط أنابيب الهلام المتورمة عن طريق عدم الاستقرار المرن. يتم بناء طابعة دقيقة بسيطة ثلاثية الأبعاد باستخدام جهاز عرض بيانات رقمي جاهز من أجل تصنيع عينات هلامية أنبوبية بأبعاد مختلفة. ويتم تحقيق تصنيع العينات الهلامية الأنبوبية عن طريق عرض صورة مصممة على حامل العينة، المغمور في حمام من الراتنج يحتوي على محلول بوليمر أولي مع بادئ ضوئي وممتص ضوئي.

بمجرد تشكل الطبقة عن طريق البلمرة الضوئية، يهبط حامل العينة ويتم تصنيع الطبقة التالية فوق الطبقة السابقة. وبهذه الطريقة، يتم تصنيع عينة ثلاثية الأبعاد بنمط الطبقة تلو الأخرى. بعد ذلك، يتم جعل كل عينة على اتصال بالماء لتحفيز تحول الشكل عن طريق عدم الاستقرار المرن الناجم عن الانتفاخ.

تظهر النتائج أن الأنابيب الدائرية تتحول إلى أنماط موجية متنوعة بأرقام موجية مختلفة اعتماداً على هندسة انبعاج الهلام. وتكمن الميزة الرئيسية لتقنية التصنيع هذه مقارنة بالطرق الحالية مثل العلاج الضوئي في أنها توفر أداة تصنيع دقيق ثلاثية الأبعاد وسريعة للمواد اللينة مثل الهلامات. ونتيجة لذلك، أصبح من الممكن الآن تجسيد مختلف الأشكال الهندسية ثلاثية الأبعاد والمثيرة للاهتمام، والتي يصعب صنعها، في أجسام مادية للدراسة التجريبية بسهولة.

لبدء هذا الإجراء، قم بتحضير محلول البوليمر الأولي الذي يحتوي على البادئ الضوئي والممتص الضوئي كما هو موضح في البروتوكول المكتوب. بعد تحضير المحلول، ضع جهاز عرض بيانات رقمياً في وضع مسطح ومستقر وقم بتوصيله بجهاز كمبيوتر مثبت عليه برنامج Microsoft PowerPoint. ضع عدسة محدبة مباشرة أمام عدسة إخراج الشعاع الخاصة بجهاز العرض الرقمي.

اختر عدسة محدبة لجعل المستوى البؤري على بُعد 10 سنتيمترات تقريباً من جهاز الإسقاط. تقل الدقة البصرية في حالة استخدام عدسة ذات طول بؤري أقصر، ولكن يجب ترك مساحة كافية للمكونات البصرية. ضع مرآة بعد العدسة المحدبة في مسار الشعاع بزاوية 45 درجة لتوجيه الشعاع مباشرة إلى الأسفل.

بعد ذلك، ضع حامل العينة عند المستوى البؤري للشعاع المسقط. يجب أن يكون حامل العينة متصلاً بمنصة خطية يتم من خلالها التحكم في الموضع الرأسي لحامل العينة. وأخيراً، ضع حماماً من الراتنج أسفل حامل العينة لتصميم أنابيب الهلام. قم بإسقاط صورة ذات أعداد بكسلات معروفة على حامل العينة لقياس نسبة التحويل من البكسل إلى الطول المادي.

في هذه الحالة تحديداً، بلغت قياسات صورة مكونة من 135 بكسل مقدار 5.8 مليمتر، وهو ما يعادل 43 ميكرون لكل بكسل. وبناءً على هذه المعلومات، يتم تحويل الأبعاد الفيزيائية لأنبوب الهلام — المتمثلة في القطر وسُمك الجدار والارتفاع — إلى بكسلات لتصنيعه. بعد ذلك، يتم رسم صور للمقاطع العرضية لأنبوب الهلام.

يجب أن تكون الصور باللون الأبيض مع خلفية سوداء. أدخل هذه الصور في شرائح Microsoft PowerPoint. ابدأ عرض الشرائح في Microsoft PowerPoint واعرض أي صورة.

ضع حامل العينة عند المستوى البؤري عن طريق ضبط الموضع الرأسي باستخدام مفتاح المنصة الملحق وصولاً إلى صورة سوداء وهمية، وذلك لتجنب حدوث بلمرة غير مرغوب فيها أثناء إضافة محلول ما قبل البلمرة. صب محلول ما قبل البلمرة في حمام الراتنج. املأ الحمام باستخدام ماصة حتى يغطي المحلول حامل العينة قليلاً.

الآن أصبح الجسم ثلاثي الأبعاد جاهزاً للطباعة. انتقل إلى الشريحة التي تحتوي على الصورة المقطعية الأولى لأنبوب الهلام لبلمرة الطبقة الأولى. استمر في عرض الصورة لمدة ثماني ثوانٍ، ثم عد مرة أخرى إلى شريحة التعتيم.

أدر المقبض الموجود في المنصة الخطية بمقدار ربع دورة، أي حوالي 160 ميكرون، لخفض حامل العينة. سيؤدي ذلك إلى تدفق راتنج جديد لتغطية الطبقة الأولى المبلمرة في حال كان الراتنج السائل لزجاً جداً بحيث يصعب تدفقه. حرك المنصة إلى الأسفل أكثر لغمر الطبقة المصنعة بالكامل في الراتنج، ثم أعد ضبط وضع المنصة لتكون على عمق 160 ميكرون تحت السطح.

قم بإسقاط الصورة المقطعية مرة أخرى لبلمرة الطبقة الثانية فوق الطبقة السابقة. كرر هذه العملية حتى يتم تصنيع أنبوب الهلام بالارتفاع المطلوب. وبمجرد اكتمال جميع الطبقات، ارفع حامل العينة من محلول ما قبل البلمرة واستخرج العينة المُصنعة.

باستخدام شفرة حلاقة بحذر، اشطف العينة في الأسيتون لمدة ثلاث ساعات تقريباً، ثم اتركها لتجف لمدة ساعة واحدة تقريباً. ولإجراء تجربة الانتفاخ، قم بتحضير سائل ثنائي الطبقة من الماء والزيت في طبق بتري شفاف. حدد موقع الواجهة بين الماء والزيت عند المستوى البؤري للكاميرا عن طريق ضبط موضع طبق بتري، ثم ثبت العينة الجافة على حامل العينات باستخدام غراء فائق القوة.

اقلب حامل العينة بحيث يصبح مقلوباً رأساً على عقب. اغمر العينة في حمام سائل الزيت والماء. قرب العينة من السطح الفاصل بين الماء والزيت من جهة طبقة الزيت.

تبدأ العينة في الانتفاخ بمجرد ملامستها لسطح الماء، بينما تظل الركيزة الأساسية التي يتم تثبيت أنبوب الهلام عليها في طبقة الزيت العلوية. وبهذه الطريقة، يمكن للماء أن ينتشر داخل جدار الأنبوب، مما يسمح للعينة بالانتفاخ قبل أن تسترخي القاعدة المقيدة بفعل الترطيب. استمر في مراقبة تغير النمط مع انتفاخ أنبوب الهلام.

يتم هنا عرض نظام بسيط للتصنيع الضوئي المجسم الدقيق عن طريق الإسقاط باستخدام كاميرا رقمية وجهاز عرض بيانات رقمي تجاري. تقوم عدسة محدبة بطول بؤري يبلغ 75 millimeters بتركيز الشعاع في منطقة إضاءة صغيرة تبلغ 2 centimeters في 2 centimeters، مما يؤدي إلى دقة بصرية مستوية تبلغ حوالي 45 microns. ويتم تحديد الدقة الرأسية من خلال مستوى دقة المنصة الخطية للطبقة.

يبلغ سمك الهياكل المصنعة لهذه الدراسة 160 ميكرون. وقد تمت بلمرة كل طبقة بتسليط الضوء لمدة ثماني ثوانٍ. يظهر في الشكل هيكل ثلاثي الأبعاد نموذجي تم تصنيعه بواسطة النظام.

يتكون هذا الكائن من 58 طبقة من peg da. تم تصميم وتصنيع مجموعة من أنابيب هيدروجيل peg da القابلة للمعالجة الضوئية لتحقيق تشابك منخفض وبالتالي انتفاخ كبير كما هو موضح في البروتوكول المكتوب، حيث وضعت عينة مقلوبة في حمام مائي زيتي. وكما هو موضح في الفيديو، وبناءً على المعايير البعدية، ظلت الأنابيب الدائرية إما مستقرة أو تحولت إلى نمط موجي.

يحدد بُعد أنبوب الهلام عدد الموجات التي تظهر أثناء الانتفاخ. وقد تم التقاط التنوع الواسع في أنماط الانتفاخ لمختلف العينات بواسطة كاميرا رقمية. يشير المحور الرأسي إلى الاستقرار كنسبة السمك إلى الارتفاع أو T على H، بينما يشير المحور الأفقي إلى نمط الانبعاج كنسبة الارتفاع إلى القطر، أو H على D. وتشير الأرقام البيضاء إلى رقم نمط الانبعاج، وهو عدد الموجات على طول المحيط كما هو موضح هنا.

يعتمد نمط الانبعاج للعينات غير المستقرة على HD فقط، حيث تتوافق النتيجة التجريبية بشكل جيد مع التنبؤ النظري. نستخدم هذه الطريقة في هذا الفيديو كأداة تجريبية مفيدة لميكانيكا المواد الرخوة، ولكننا سنجد أيضاً العديد من التطبيقات في مجالات أخرى من العلوم والهندسة، بما في ذلك الروبوتات الرخوة والهندسة الطبية الحيوية. كما أنها بسيطة جداً وغير مكلفة.

يمكن لأي شخص بناء طابعة ثلاثية الأبعاد مجهرية خاصة به في المختبر من خلال اتباع البروتوكول المعروض في هذا الفيديو.