微三维打印使用数字投影机和软材料力学的研究及其应用

以下视频的总体目标是演示简单的 3D 凝胶微纳加工工具的构建及其在弹性不稳定性对溶胀凝胶管进行图案转换中的应用。使用现成的数字数据投影仪构建了一台简单的微型 3D 打印机，以制造不同尺寸的管状凝胶样品。管状凝胶样品的制备是通过将设计好的图像投影到样品架上来实现的，样品架浸入树脂浴中，树脂槽中含有带有光引发剂和光吸收剂的预聚合物溶液。

通过光聚合形成一层后，样品架会掉落，并在前一层之上制造下一层。通过这种方式，可以逐层制造 3D 样品。接下来，每个样品都与水接触，以便通过膨胀引起的弹性不稳定来触发形状转变。

结果表明，根据屈曲凝胶的几何形状，圆管会转变为具有不同波数的各种波浪图案。与光疗等现有方法相比，这种制造技术的主要优势在于，它为凝胶等软材料提供了一种快速的 3D 微纳加工工具。因此，现在可以轻松地将各种难以制作的有趣三挖几何图形实现为物理对象进行实验研究。

要开始此过程，请按照书面方案中的说明准备含有光引发剂和光吸收剂的预聚合物溶液。溶液制备后，将数字数据投影仪放在平坦稳定的位置，并将其连接到安装了 Microsoft PowerPoint 的计算机。将凸透镜放在数字投影仪的光束输出透镜的正前方。

选择凸透镜，使焦平面距离投影仪约 10 厘米。对于焦距较短的镜头，光学分辨率会变得更小，但需要为光学元件预留一些空间。将凸透镜后方的镜子以 45 度角放在光束路径上，使光束垂直向下。

然后将样品架放置在投影光束的焦平面上。样品架应连接到线性载物台上，通过该线性载物台控制样品架的垂直位置。最后，在样品架下方放置树脂浴以设计凝胶管投影，将具有已知像素编号的图像投影到样品架上，以测量从像素到物理长度的转换比率。

在这种特殊情况下，135 像素的图像测量为 5.8 毫米，相当于每个像素 43 微米。根据此信息，转换凝胶管的物理尺寸，以将直径、壁厚和高度制成像素。接下来，绘制凝胶管的横截面图像。

图像应为白色和黑色背景。将这些图像插入到 Microsoft PowerPoint 幻灯片中。在 Microsoft PowerPoint 中开始幻灯片放映并投影任何图像。

使用附带的载物台开关将垂直位置调整到虚拟黑色图像，将样品架置于焦平面上，以便在加入预聚物溶液时不会发生不需要的聚合。将预聚物溶液倒入树脂槽中。使用移液管填充浴液，直到溶液略微覆盖样品架。

现在，它已准备好打印 3D 对象。切换到包含凝胶管第一截面图像的载玻片，以聚合第一层。继续投影图像 8 秒钟，然后切换回遮光幻灯片。

将线性载物台上的旋钮旋转四分之一圈约 160 微米，以降低样品架。现在，新鲜树脂流入以覆盖聚合的第一层，以防液态树脂太粘而无法流入。将载物台进一步向下移动，使制备层完全浸入树脂中，并将载物台定位回表面以下 160 微米处。

再次投影横截面图像，将第二层聚合到前一层之上。重复此过程，直到制造出所需高度的凝胶管。完成所有层后，将样品架从预聚物溶液中取出并取回制备的样品。

小心地使用剃须刀片，用丙酮冲洗样品约 3 小时，然后晾干约 1 小时。要进行溶胀实验，请在透明培养皿中制备水油双层液体。在相机焦平面上找到水油界面通过调整培养皿的位置，使用强力胶将干燥的样品固定在样品架上。

翻转样品架，使其倒置。将样品浸入水油液浴中。将样品从油层接近水油界面。

当样品接触水面时，样品开始膨胀，而固定凝胶管的基底则停留在顶部油层中。通过这种方式，水可以扩散到管壁中，使样品在约束基部因湿润而松弛之前膨胀。继续监测凝胶管膨胀时的模式变化。

这里显示了使用数码相机的简单投影微型立体光固化成型系统，该系统使用现成的数字数据投影仪。焦距为 75 毫米的凸透镜将光束集中到 2 厘米 x 2 厘米的小照明区域，从而产生约 45 微米的普通光学分辨率。垂直分辨率由线性平台层的精度级别决定。

为本研究制作的结构厚度为 160 微米。每层用 8 秒的光照聚合。显示了该系统制造的代表性 3D 结构。

该对象由 58 层 peg da 组成。设计和制造了一组光固化 peg da 水凝胶管，以实现低交联度，因此如书面方案中所述的大溶胀，将样品倒置在水油浴中。如视频中所示，根据尺寸参数，圆管要么保持稳定，要么转变为波浪形图案。

凝胶管的尺寸决定了溶胀过程中出现的波数。用数码相机捕捉到不同样品的各种溶胀模式。纵轴表示稳定性为厚度随高度的变化或 T 的 H 的偏差，横轴表示屈曲模式为高度与直径的偏差，或 H 超过 D.白色数字表示屈曲模式编号，即沿圆周的波浪数，如图所示。

不稳定样品的屈曲模式仅取决于 HD，实验结果与理论预测吻合较好。在本视频中，我们将这种方法用作软材料力学的有用实验工具，但我们也会在科学和工程的其他领域发现许多应用，包括软机器人和生物医学工程。此外，它非常简单且价格合理。

任何人都可以按照本视频中介绍的协议在实验室中构建自己的微型 3D 打印机。