الصغرى 3D الطباعة باستخدام جهاز عرض رقمي وتطبيقاتها في دراسة ميكانيكا مواد لينة
November 27th, 2012
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.
الهدف العام من الفيديو التالي هو توضيح بناء أداة تصنيع هلام ثلاثية الأبعاد بسيطة واستخدامها في تحويل نمط أنابيب هلام تورم عن طريق عدم الاستقرار المرن. تم تصميم طابعة ثلاثية الأبعاد صغيرة بسيطة باستخدام جهاز عرض بيانات رقمي جاهز من أجل تصنيع عينات هلامية أنبوبية بأبعاد مختلفة. يتم تصنيع عينات الهلام الأنبوبية عن طريق إسقاط صورة مصممة على حامل العينة ، المغمور في حمام الراتنج ، الذي يحتوي على محلول بوليمر مسبق مع بادئ الصور وامتصاص الصور.
بمجرد تكوين طبقة عن طريق بلمرة الصورة ، يسقط حامل العينة ويتم تصنيع الطبقة التالية فوق الطبقة السابقة. بهذه الطريقة ، يتم تصنيع عينة ثلاثية الأبعاد في طبقة تلو الأخرى. بعد ذلك ، يتم ملامسة كل عينة للماء من أجل إحداث تحول الشكل عن طريق عدم الاستقرار المرن الناجم عن التورم.
تظهر النتائج أن الأنابيب الدائرية تتحول إلى أنماط متموجة مختلفة بأرقام موجية مختلفة اعتمادا على هندسة هلام الالتواء. الميزة الرئيسية لتقنية التصنيع هذه على الطرق الحالية مثل العلاج بالضوء هي أنها توفر أداة تصنيع دقيقة ثلاثية الأبعاد سريعة للمواد اللينة مثل المواد الهلامية. نتيجة لذلك ، يمكن الآن تحقيق العديد من أشكال الهندسة الثلاثة المثيرة للاهتمام التي يصعب صنعها بسهولة في كائنات مادية للدراسة التجريبية.
لبدء هذا الإجراء ، قم بإعداد محلول البوليمر المسبق الذي يحتوي على بادئ الصور وامتصاص الصور كما هو موضح في البروتوكول المكتوب. بعد إعداد الحل ، ضع جهاز عرض البيانات الرقمية في وضع مسطح ومستقر وقم بتوصيله بجهاز كمبيوتر مثبت عليه Microsoft PowerPoint. ضع عدسة محدبة أمام عدسة خرج الشعاع لجهاز العرض الرقمي مباشرة.
اختر عدسة محدبة لجعل المستوى البؤري على بعد حوالي 10 سم من جهاز العرض. تصبح الدقة البصرية أصغر بالنسبة للعدسة ذات البعد البؤري الأقصر ، ولكن يحتاج المرء إلى حجز بعض المساحة للمكونات البصرية. ضع مرآة بعد العدسة المحدبة على مسار الشعاع بزاوية 45 درجة لتوجيه الشعاع لأسفل مباشرة.
ثم ضع حامل عينة في المستوى البؤري للحزمة المسقطة. يجب توصيل حامل العينة بمرحلة خطية يتم من خلالها التحكم في الوضع الرأسي لحامل العينة. أخيرا ، ضع حماما من الراتنج أسفل حامل العينة لتصميم مشروع أنابيب الهلام ، وهي صورة بأرقام بكسل معروفة على حامل العينة لقياس نسبة التحويل من بكسل إلى الطول المادي.
في هذه الحالة بالذات ، تم قياس صورة 135 بكسل 5.8 ملم ، وهو ما يعادل 43 ميكرون لكل بكسل. بناء على هذه المعلومات ، قم بتحويل الأبعاد المادية لأنبوب الجل لتصنيع سمك جدار القطر والارتفاع إلى وحدات بكسل. بعد ذلك ، ارسم صورا مقطعية لأنبوب الجل.
يجب أن تكون الصور باللون الأبيض مع خلفية سوداء. أدخل هذه الصور في شرائح Microsoft PowerPoint. ابدأ عرض الشرائح في Microsoft PowerPoint وقم بعرض أي صورة.
ضع حامل العينة في المستوى البؤري عن طريق ضبط الوضع الرأسي باستخدام مفتاح المرحلة المرفق إلى صورة سوداء وهمية بحيث لا يكون هناك بلمرة غير مرغوب فيها أثناء إضافة محلول البوليمر المسبق. صب محلول البوليمر المسبق في حمام الراتنج. املأ الحمام حتى يغطي المحلول حامل العينة قليلا باستخدام ماصة.
الآن هو جاهز لطباعة الكائن ثلاثي الأبعاد. قم بالتبديل إلى الشريحة التي تحتوي على أول صورة مقطعية لأنبوب الهلام لبلمرة الطبقة الأولى. استمر في عرض الصورة لمدة ثماني ثوان ثم عد إلى شريحة التعتيم.
قم بتدوير المقبض على المرحلة الخطية بمقدار ربع تدوير حوالي 160 ميكرون لخفض حامل العينة. الآن يتدفق الراتنج الطازج لتغطية الطبقة الأولى المبلمرة في حالة أن يكون الراتنج السائل لزجا جدا بحيث لا يمكن تدفقه. حرك المسرح لأسفل لغمر الطبقة المصنعة تماما في الراتنج وحدد موقع المسرح مرة أخرى إلى 160 ميكرون تحت السطح.
قم بإسقاط صورة المقطع العرضي مرة أخرى لبلمرة الطبقة الثانية فوق الطبقة السابقة. كرر هذه العملية حتى يتم تصنيع أنبوب الجل بالارتفاع المطلوب. بمجرد اكتمال جميع الطبقات ، ارفع حامل العينة من محلول البوليمر المسبق واسترجع العينة المصنعة.
باستخدام شفرة حلاقة بعناية ، اشطف العينة في الأسيتون لمدة ثلاث ساعات تقريبا ثم اتركها تجف لمدة ساعة تقريبا. لإجراء تجربة تورم ، قم بإعداد سائل مزدوج الطبقة من زيت الماء في طبق بتري شفاف. حدد موقع واجهة زيت الماء في المستوى البؤري للكاميرا عن طريق ضبط موضع طبق بتري ، قم بإرفاق العينة الجافة على حامل العينة باستخدام الغراء الفائق.
اقلب حامل العينة بحيث يكون رأسا على عقب. اغمر العينة في حمام سائل زيت الماء. اقترب من العينة إلى واجهة زيت الماء من طبقة الزيت.
تبدأ العينة في الانتفاخ عندما تلامس العينة سطح الماء ، بينما تبقى الركيزة الأساسية التي تم تثبيت أنبوب الهلام عليها في طبقة الزيت العليا. بهذه الطريقة ، يمكن أن ينتشر الماء في جدار الأنبوب ، مما يسمح للعينة بالانتفاخ قبل أن ترتاح القاعدة المقيدة عن طريق الرطب. تابع مراقبة تغيير النمط مع تضخم أنبوب الجل.
باستخدام كاميرا رقمية ، يتم هنا عرض نظام طباعة حجرية مجسمة دقيقة إسقاط بسيط باستخدام جهاز عرض بيانات رقمي جاهز. تركز العدسة المحدبة ذات البعد البؤري 75 ملم الشعاع في منطقة إضاءة صغيرة تبلغ سنتيمترين في سنتيمترين ، مما ينتج عنه دقة بصرية عادية تبلغ حوالي 45 ميكرون. يتم تحديد الدقة الرأسية من خلال مستوى دقة طبقة المرحلة الخطية.
سمك الهياكل المصنوعة لهذه الدراسة 160 ميكرون. تم بلمرة كل طبقة بإضاءة ضوئية ثماني ثوان. يتم عرض هيكل 3D تمثيلي تم تصنيعه بواسطة النظام.
يتكون هذا الكائن من 58 طبقة من peg da. تم تصميم وتصنيع مجموعة من أنابيب الهيدروجيل القابلة للعلاج بالصور لتحقيق ربط متقاطع منخفض وبالتالي تورم كبير كما هو موضح في البروتوكول المكتوب ، تم وضع عينة رأسا على عقب في حمام زيت مائي. كما هو موضح في الفيديو ، اعتمادا على معلمات الأبعاد ، ظلت الأنابيب الدائرية إما مستقرة أو تحولت إلى نمط متموج.
يحدد بعد أنبوب الجل عدد الموجات الناشئة أثناء التورم. تم التقاط مجموعة متنوعة من أنماط التورم لعينات مختلفة بواسطة كاميرا رقمية. يشير المحور الرأسي إلى الاستقرار على أنه سمك فوق الارتفاع أو T فوق H ، ويشير المحور الأفقي إلى وضع الالتواء كارتفاع فوق القطر ، أو H فوق D. تشير الأرقام البيضاء إلى رقم وضع الالتواء ، وهو عدد الموجات على طول المحيط كما هو موضح هنا.
يعتمد وضع الالتواء العينات غير المستقرة فقط على HD ، حيث تتفق النتيجة التجريبية جيدا مع التنبؤ النظري. نستخدم هذه الطريقة في هذا الفيديو كأداة تجريبية مفيدة لميكانيكا المواد اللينة ، لكننا سنجد أيضا العديد من التطبيقات في مجالات أخرى من العلوم والهندسة ، بما في ذلك الروبوتات اللينة والهندسة الطبية الحيوية. كما أنها بسيطة للغاية وبأسعار معقولة.
يمكن لأي شخص إنشاء طابعة micro 3D الخاصة به في المختبر باتباع البروتوكول المقدم في هذا الفيديو.
نظرة عامة
توضح هذه الدراسة طريقة جديدة لبناء أدوات تصنيع دقيقة لجيلات ثلاثية الأبعاد لتحقيق تحول نمط متحكم فيه لأنابيب الجيلات المنتفخة من خلال عدم الاستقرار المرن. باستخدام إعداد بسيط لتصوير الليزر المجسم، يتم ملاحظة أوضاع انحناء مختلفة حول محيط أنابيب الهايدروجيل تحت قيود ميكانيكية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- التصنيع الدقيق
- الهايدروجيل
- عدم الاستقرار المرن
الخلفية
- تقنيات التصنيع الدقيقة ثلاثية الأبعاد ضرورية لإنشاء هياكل معقدة.
- تظهر الهايدروجيل خصائص انتفاخ فريدة يمكن تسخيرها لتحول النمط.
- يمكن أن يؤدي عدم الاستقرار المرن إلى أنماط تشوه مختلفة في المواد المقيدة.
- قد تكون الطرق الحالية محدودة في سرعة وتعقيد الهياكل المنتجة.
هدف الدراسة
- تطوير أداة تصنيع دقيقة ثلاثية الأبعاد سريعة للمواد اللينة.
- استكشاف تحول نمط أنابيب الجيلات المنتفخة.
- البرهنة على مزايا استخدام جهاز عرض رقمي للتصنيع.
الطرق المستخدمة
- بناء طابعة ثلاثية الأبعاد دقيقة باستخدام جهاز عرض بيانات رقمي.
- تصنيع عينات أنبوبية من الجيلات طبقة تلو الأخرى من محلول ما قبل البوليمر.
- تحريض تحول الشكل عن طريق غمر العينات في الماء.
- مراقبة الأنماط الناتجة أثناء انتفاخ أنابيب الجيلات.
النتائج الرئيسية
- تحولت أنابيب الجيلات الدائرية إلى أنماط موجية مختلفة بناءً على الهندسة.
- تسمح تقنية التصنيع بإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة.
- تم إثبات عدم الاستقرار المرن بشكل فعال من خلال الانتفاخ المتحكم فيه.
- توفر الطريقة بديلاً سريعًا لتقنيات العلاج الضوئي التقليدية.
الاستنتاجات
- تقدم الدراسة طريقة قابلة للتطبيق لتصنيع الهايدروجيل الدقيقة ثلاثية الأبعاد.
- يمكن تسخير عدم الاستقرار المرن لتصميمات مبتكرة للمواد.
- يفتح هذا النهج طرقًا جديدة للدراسات التجريبية في المواد اللينة.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Rapid micro 3D printing using digital projection enables precise fabrication of soft material structures, supporting advanced studies in mechanical instability and pattern transformation. This capability is strategically relevant for biopharma R&D teams seeking to model, test, and de-risk soft material mechanics in early discovery and translational research. The approach enhances predictive confidence in material behavior, informing both target validation and preclinical model development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of mechanical hypotheses in soft biomaterials through controlled pattern transformation.
- Supports functional validation of material properties relevant to tissue engineering and biomimetic systems.
- Facilitates mechanistic de-risking by allowing precise manipulation of geometry and instability modes.
Screening & Assay Development
- Prepares reproducible 3D hydrogel constructs for downstream mechanical or biological assays.
- Standardizes fabrication of test structures, improving assay reliability and quantitative output consistency.
- Enables scalable production of complex geometries for high-content screening of material responses.
Translational & Preclinical Research
- Aligns engineered soft material models with disease-relevant mechanical environments.
- Supports continuity from discovery-stage material interrogation to preclinical validation of biomaterial performance.
- Provides predictive insight into material behavior under physiological-like constraints.
Pipeline & Workflow Integration
This micro 3D printing method integrates at the interface of discovery biology and preclinical model development, enabling iterative hypothesis testing and rapid prototyping of soft material systems.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis-driven studies of mechanical instability and pattern formation in soft materials.
- Screening: Delivers reproducible, high-resolution constructs for comparative analysis of material properties.
- Analytics: Provides quantitative outputs on buckling modes and pattern transformation, supporting data-driven decision making.
- Translational Research: Bridges engineered material studies with preclinical model requirements for biomaterial applications.
- Enterprise Reuse: Offers a flexible, accessible platform for repeated use across multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in soft material mechanics and target validation.
- Operational Value: Standardizes fabrication workflows, enhancing reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing uncertainty in material performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates and experimental models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photopolymer chemistry and soft material mechanics.
- Needs access to digital projection equipment and precision optical components.
- Demands cross-team standardization of design files and fabrication parameters.
- Adaptation may be needed for different hydrogel chemistries or geometries.
- Resolution and scalability are limited by projector optics and stage precision.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:43
Setting-up a Desktop 3D Printer Using a Digital Data Projector
2:56
Design and Fabrication of Gel Tubes
5:30
Swelling Experiment for Prescribed Pattern Formation by Elastic Instability
6:36
Results: Micro 3D Printing Using a Digital Projector
8:52
Conclusion
