使用数字投影仪的微尺度3D打印及其在软材料力学研究中的应用

本视频的总体目标是演示一种简易的3D凝胶微加工装置的构建方法，并展示其通过弹性失稳实现溶胀凝胶管图案转变的应用。利用现成的数字数据投影仪构建了一台简易的微尺度3D打印机，用于制备不同尺寸的管状凝胶样品。通过将设计好的图像投影到浸没于树脂浴中的样品支架上，完成管状凝胶样品的制备；该树脂浴中含有光引发剂和光吸收剂的预聚物溶液。

通过光聚合形成一层结构后，样品台下降，下一层则在前一层的基础上继续构建。通过这种方式，逐层构建出三维样品。随后，将每个样品与水接触，以触发由溶胀引起的弹性失稳所导致的形状转变。

结果表明，圆形管会根据屈曲凝胶的几何形状转变为具有不同波数的各种波浪形图案。与现有方法（如光疗）相比，该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三维微加工工具。因此，各种难以制备的复杂三维几何结构现在可以轻松地转化为实物，用于实验研究。

开始此操作前，按照书面方案制备含有光引发剂和光吸收剂的预聚物溶液。溶液配制完成后，将一台数字投影仪置于平坦且稳定的位置，并将其连接至安装有 Microsoft PowerPoint 的计算机。在数字投影仪的出光镜头正前方放置一个凸透镜。

选择一个凸透镜，使焦平面距离投影仪约10厘米。焦距较短的透镜光学分辨率更高，但需要为光学元件预留一定空间。在凸透镜后的光路中放置一面镜子，使其与光束成45度角，将光束垂直向下反射。

然后将样品台置于投射光束的焦平面处。样品台应固定在直线位移台上，以便控制样品台的垂直位置。最后，在样品台下方放置一个树脂槽以用于设计凝胶管。将一幅已知像素数量的图像投射到样品台上，以测量像素与物理长度之间的转换比例。

在此特定情况下，135 像素的图像对应 5.8 毫米，即每像素 43 微米。根据此信息，将凝胶管的物理尺寸（包括外径、壁厚和高度）转换为像素。接下来，绘制凝胶管的横截面图像。

图像应为白色背景黑色图案。将这些图像插入 Microsoft PowerPoint 幻灯片中。在 Microsoft PowerPoint 中启动幻灯片放映，并投影任意图像。

使用附带的载物台开关调节垂直位置，将样品支架置于焦平面上，并对准一个虚拟的黑色图像，以便在加入预聚物溶液时不会发生不必要的聚合。将预聚物溶液倒入树脂槽中，用移液器加液直至溶液轻微覆盖样品支架为止。

现在可以打印三维物体了。切换到包含凝胶管第一层横截面图像的幻灯片，以使第一层聚合。持续投影八秒钟，然后切换回黑屏幻灯片。

旋转线性平台上的旋钮，约四分之一圈，使样品台下降约160微米，以降低样品 holder。若液体树脂黏度过高而无法流入，此时可使新鲜树脂流入，覆盖已聚合的第一层。继续下移平台，使已制备的层完全浸入树脂中，然后将平台重新定位至液面以下160微米处。

再次投影横截面图像，以在前一层之上聚合第二层。重复此过程，直至制备出所需高度的凝胶管。所有层完成后，将样品支架从预聚物溶液中取出，并回收制备好的样品。

使用剃刀小心操作，用丙酮冲洗样品约三小时，然后使其干燥约一小时。为进行溶胀实验，准备一个透明培养皿中的水油双层液体。通过调节培养皿的位置，将水油界面置于相机的焦平面处，并使用超级胶水将干燥的样品固定在样品 holder 上。

将样品台翻转，使其倒置。将样品浸入水油液体浴中。从油层一侧将样品靠近水油界面。

当样品接触水面时开始膨胀，而固定凝胶管的基底仍停留在上层油相中。通过这种方式，水可以扩散到管壁内部，使样品在约束基底因润湿而松弛之前先行膨胀。继续监测凝胶管膨胀过程中图案的变化。

使用数码相机，本文展示了一种采用现成数码数据投影仪的简易投影式微立体光刻系统。一个焦距为75毫米的凸透镜将光束聚焦到一个2厘米×2厘米的小型照明区域，从而实现约45微米的平面光学分辨率。垂直分辨率由线性平台的层间精度决定。

本研究中所制备结构的厚度为160微米。每一层均通过八秒的光照进行聚合。图中展示了一个由该系统制备的典型三维结构。

该物体由58层聚乙二醇二丙烯酸酯（peg da）构成。设计并制备了一组光固化peg da水凝胶管，以实现低交联度，从而产生较大的溶胀，如书面实验方案所述，将样品倒置放入水油浴中。如视频所示，根据尺寸参数的不同，圆形管状结构或保持稳定，或转变为波浪状结构。

凝胶管的尺寸决定了溶胀过程中产生的波纹数量。不同样品的多种溶胀图案均由数码相机拍摄记录。纵轴表示稳定性，即厚度与高度之比（T/H），横轴表示屈曲模式，即高度与直径之比（H/D）。白色数字表示屈曲模式数，即沿圆周方向的波纹数量，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高度一致。在本视频中，我们将此方法作为一种有效的实验工具用于软材料力学研究，同时该方法在其他科学与工程领域也有广泛应用，包括软体机器人和生物医学工程。此外，该方法非常简单且成本低廉。

任何人都可以通过遵循本视频中介绍的方案，在实验室中搭建属于自己的微型3D打印机。