Micro 3D-Druck mit einem digitalen Projektor und ihre Anwendung in der Studie von Soft Werkstoffmechanik

Summary

Wir zeigen gesteuerten Muster Transformation von Schwellungen Gel Röhrchen durch elastische Instabilität. Eine einfache Vorsprung Mikro Stereolithographie Setup ist mit Hilfe einer Off-the-Shelf digitalen Daten Projektor zu dreidimensionalen polymeren Strukturen in einer Schicht-für-Schicht Weise herzustellen. Schwellungen Hydrogel Rohre unter mechanischer Zwang zeigen verschiedene umlaufende Knicken Modi je nach Dimension.

Abstract

Knicken ist ein klassisches Thema in der Mechanik. Während Knicken ist seit langem als einer der wichtigsten strukturellen Versagen Modi ¹ untersucht worden ist, hat es kürzlich neue Aufmerksamkeit als ein einzigartiger Mechanismus für Muster Transformation gezogen. Die Natur ist voll von solchen Beispielen, in denen eine Fülle von exotischen Mustern durch mechanische Instabilität ^2-5 gebildet werden. Inspiriert von diesem eleganten Mechanismus, haben viele Studien Erstellung und Umwandlung von Mustern mit weichen Materialien wie Elastomere und Hydrogele ^6-11 gezeigt. Quellung Gele sind von besonderem Interesse, da sie spontan auslösen können mechanische Instabilität um verschiedene Muster ohne die Notwendigkeit einer externen Kraft ^6-10 erstellen. Vor kurzem haben wir Demonstration volle Kontrolle über Knicken Muster von Mikro-skalierten röhrenförmigen Gele unter Verwendung von Projektions Mikro-Stereolithographie (PμSL), ein dreidimensionales (3D) Fertigungstechnik in der Lage schneller konvertieren Computer generierte 3D-Modelle i gemeldetnto physische Objekte mit hoher Auflösung ^12,13. Hier präsentieren wir Ihnen eine einfache Methode zum Aufbau einer vereinfachten PμSL System mit einem handelsüblichen digitalen Daten Projektor Schwellung-induzierte Knicken Instabilität gesteuerten Muster Transformation zu studieren.

Eine einfache 3D-Desktop-Drucker wird unter Verwendung eines off-the-shelf digitalen Daten-Projektor und einfache optische Komponenten wie eine konvexe Linse und einem Spiegel ^14. Querschnittsbilder aus einem 3D-Modell extrahiert Feststoff wird auf der lichtempfindlichen Harzoberfläche nacheinander projiziert Polymerisieren flüssigen Harzes in eine gewünschte 3D feste Struktur in einer Schicht-für-Schicht-Mode. Selbst mit dieser einfachen Konfiguration und einfache Prozess, können beliebige 3D-Objekte leicht mit sub-100 mm Auflösung hergestellt werden.

Diese 3D-Desktop-Drucker hält Potenzial in der Studie aus weichem Material Mechanik, indem sie eine große Chance, um verschiedene 3D-Geometrien zu erkunden. Wir nutzen dieses System, um fabricate rohrförmigen Hydrogel-Struktur mit verschiedenen Dimensionen. Befestigt an der Unterseite des Substrats, entwickelt der röhrenförmigen Gels inhomogenen Stress während Schwellung, die Anlass zu Knicken Instabilität. Verschiedene Wellenmustern erscheinen entlang des Umfangs des Rohrs, wenn die Gelstrukturen Ausknicken unterziehen. Experiment zeigt, dass umlaufende Ausknicken gewünschten Modus in kontrollierter Weise erzeugt werden kann. Pattern Transformation dreidimensional strukturiert röhrenförmigen Gele hat erhebliche Auswirkungen nicht nur in der Mechanik und Werkstoffkunde, sondern auch in vielen anderen Schwellenländern Bereichen wie abstimmbare matamaterials.

Protocol

Ein. Herstellung Präpolymerlösung

1. Mischung Poly (ethylenglykol) diacrylat (PEG-DA) (Molekulargewicht ~ 575, Sigma-Aldrich) und Poly (ethylenglycol) (PEG) (Molekulargewicht ~ 200, Sigma-Aldrich) bei 1:2 Gewichtsverhältnis.
2. Hinzufügen 0,67 Gew.%. Photoinitiator (Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphinoxid, Sigma-Aldrich). Die Lösung sollte in dunkler Umgebung ab diesem Zeitpunkt gehalten werden.
3. Hinzufügen 0,05 Gew.%. Foto-Absorber (Sudan I, Sigma-Aldrich).
4. Mische die Lösung 24 Stunden bei Raumtemperatur mit einem Magnetrührer.

2. Einrichten eines Desktop 3D-Drucker mit einem Digital Data Projector

1. Legen Sie einen digitalen Projektor auf einer ebenen und stabilen Position, und schließen Sie es an einen Computer mit Microsoft PowerPoint installiert.
2. Platzieren einer konvexen Linse direkt vor dem Strahl Austrittslinse des digitalen Projektors. Wählen Sie eine konvexe Linse, um die Brennebene etwa 10 cm entfernt machen aus dem ProProjektors. (Optische Auflösung wird kleiner für ein Objektiv mit kürzerer Brennweite, aber man muss etwas Platz für optische Komponenten zu reservieren.)
3. Stellen Sie einen Spiegel nach dem konvexen Linse auf den Strahlengang um 45 °-Winkel um den Strahl gerade nach unten zu lenken.
4. Platzieren eines Probenhalters auf der Brennebene des projizierten Strahls. Der Probenhalter sollte zu einer linearen Stufe durch den die vertikale Stellung des Probenhalters gesteuert befestigt werden.
5. Legen Sie eine Harzbad unter dem Probenhalter.

3. Design und Herstellung von Gel Tubes

1. Bestimmen Durchmesser, Wandstärke und Höhe des Gels Rohr hergestellt werden.
2. Zeichnen Querschnittsbilder für das Gel Röhre. Die Bilder sollten in weiß mit schwarzem Hintergrund. Legen Sie diese Bild in Microsoft PowerPoint-Folien.
3. Diashow starten in Microsoft PowerPoint und jedes Bild. Setzen Sie den Probenhalter in der Brennebene durch Anpassung die vertikale Position mit attschmerzten Bühne.
4. Wechseln Sie zu einem "Dummy" schwarzes Bild, so dass es keine unerwünschten Polymerisation sein wird, während Putting Präpolymerlösung.
5. Gießen Präpolymerlösung zu Harzbad. Füllen Sie das Bad, bis die Lösung leicht deckt den Probenhalter. Jetzt ist es bereit für den Druck 3D-Objekt.
6. Schalten zu der Folie mit den ersten Querschnittsbild des Gelschlauch um die erste Schicht zu polymerisieren. Halten Sie die Projektion des Bildes für 8 sec und wechseln zum "Blackout" slide.
7. Drehen Sie den Knopf auf der linearen Stufe durch ¼ Umdrehung (~ 160 um), um den Probenhalter zu senken. Jetzt frischem Harz fließt in die polymerisierten ersten Schicht zu bedecken.
8. Projizieren Sie das Querschnittsbild erneut, um die zweite Schicht auf der Oberseite des Verfahrens ein polymerisieren. Die Schritte, bis das Gel 3,6 bis 3,8 Rohr der gewünschten Höhe hergestellt ist.
9. Sobald alle Schichten vollständig sind, heben Sie den Probenhalter aus dem Prepolymer-Lösung, und rufen Sie die hergestellt Probe vorsichtig mit einer Rasierklinge bladE.
10. Spülen Sie die Probe in Aceton für ~ 3 Stunden, und dann lassen Sie es für ca. 1 Stunde trocknen lassen.

4. Schwellungen Experiment verschrieben Pattern Formation von Elastic Instabilität

1. Bereiten Sie Wasser-Öl-Dual-Layer-Flüssigkeit in einem transparenten Glas Schüssel.
2. Bringen Sie die trockene Probe auf einem Probenhalter mit Superkleber.
3. Flip den Probenhalter so dass die Probe auf dem Kopf steht. Tauchen der Probe in der Wasser-Öl Flüssigkeitsbad. Nähern die Probe zu Wasser-Öl-Grenzfläche von der Ölschicht. Die Probe beginnt zu quellen, wenn die Probe berührt die Wasseroberfläche während das Basissubstrat Teil, an dem das Gel Röhrchen wurde fixiert in der oberen Ölschicht geblieben sind. Auf diese Weise kann Wasser in die Rohrwandung erlaubt, bevor die Probe aufquellen der Beschränkungsring Basis entspannt durch Benetzung diffundieren. Überwachen Sie die Pattern-Wechsel als Gelschlauch schwillt mit einer digitalen Kamera.

Results

Eine einfache PμSL System unter Verwendung eines off-the-shelf digitalen Daten Projektor ist in Abbildung 1 dargestellt. Eine konvexe Linse mit einer Brennweite von 75 mm Konzentrate den Strahl in kleine Beleuchtungsbereich von 2 cm mal 2 cm. Was in-plane optische Auflösung beträgt etwa 45 um. Vertikale Auflösung wird durch die Präzision Ebene der Lineartisch bestimmt. Schichtdicke der Strukturen für diese Studie gemacht ist 160 um. Jede Schicht wurde für 8 sec Beleuchtung polymerisiert. Eine repräsentative 3D-Struktur durch das System hergestellt wird in 1D gezeigt. Diese Objekte besteht aus 58 Schichten PEGDA.

Wir bereiteten photohärtbare PEGDA Hydrogel. Low Vernetzung, daher große Schwellung, PEGDA Hydrogel wurde durch Zugabe von nicht-vernetzenden PEG in Präpolymerlösung erreicht. In Längsrichtung Quellverhältnis des resultierenden PEGDA Hydrogel ist 1,5, das entspricht 300% höher als Volumenausdehnung.

> Eine Reihe von PEGDA Hydrogel Röhrchen wurden entworfen und hergestellt auf der Basis unserer Theorie ^12. Wir stellten eine Probe auf den Kopf und in die Badewanne mit Wasser mit Öl Schicht auf der Oberseite abgedeckt wie in 2A dargestellt. Je nach den Größenparametem, Rundrohren entweder unverändert oder transformiert in ein wellenförmiges Muster, wie in 2B gezeigt. Unter der Vielzahl von Schwellungen Muster aus verschiedenen Proben wurde mittels einer Digitalkamera aufgenommen und dargestellt in 3A.

Abbildung 1. Ein Desktop-Projektion Mikro-Stereolithographie-System (a) Schematische Darstellung (b) aktuelle System (c) close-up von Komponenten (d) Vertreter 3D-Strukturen. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

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Abbildung 2. (A) Versuchsaufbau zur Hydrogel Rohr Schwellungen (b) beschränkt Hydrogel Rohr in verschiedenen Mustern verwandelt. Maßstab zeigt 5 mm.

Abbildung 3. (A) Patterns in Schwellungen Experiment gebildet. Vertikale Achse zeigt t / h (also Stabilität), und die horizontale Achse zeigt h / D (also Beulen-Modus). Maßstab zeigt 5 mm. (B) Knicken-Modus hängt nur von h / D. Experimentelle Ergebnis stimmt gut mit theoretischen Vorhersagen. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Beispiel </ Strong>		D (um)	t (um)	h (um)
Ich	ich	9300 ± 420	760 ± 40	840 ± 40
	ii	9700 ± 420	1040 ± 40	1060 ± 40
	iii	9700 ± 420	1210 ± 40	1340 ± 40
	iv	9700 ± 420	1660 ± 40	1680 ± 40
II	ich	9000 ± 420	480 ± 40	880 ± 40
	ii	9000 ± 420		1060 ± 40
	iii	9500 ± 420	740 ± 40	1350 ± 40
	iv	9200 ± 420	970 ± 40	1650 ± 40
III	ich	8900 ± 420	160 ± 40	790 ± 40
	ii	8900 ± 420	300 ± 40	1020 ± 40
	iii	9100 ± 420	380 ± 40	1330 ± 40
	iv	9000 ± 420	490 ± 40	1630 ± 40
IV	ich	8900 ± 420	140 ± 40	780 ± 40
	ii	8800 ± 420	190 ± 40	1010 ± 40
	iii	9300 ± 420	230 ± 40	1340 ± 40
	iv	8900 ± 420	290 ± 40	1650 ± 40

Tabelle 1. Probenabmessungen durch optische Mikroskop gemessen. Fehler zeigen Messunsicherheit.

Discussion

In Anschwellen des röhrenförmigen Hydrogel auf dem Substrat gebunden, hängt die Stabilität nur auf t / h und Beulen-Modus hängt nur von h / D ^12. Vier Gruppen von Abtastwerten (I-IV) mit unterschiedlichen normierten Dicke t / h wurden hergestellt, wobei der Gruppe I dicker ist und Gruppe IV wobei schlanker. Jede Gruppe besteht aus vier Proben (i-iv) mit verschiedenen Ebenen der normierten Höhe h / D, mit der Probe i kürzer und die Probe iv wird größer. Abmessungen der gefertigten Proben sind in Tabelle 1 dargestellt. Gruppe I und II sollen bleiben während des Quellens stabil, wohingegen der Gruppe III und IV bestimmt sind, knicken und zu transformieren beim Quellen. Für Knicken Proben Buckling-Modus sollte mit Probenhöhe verringern. 3A zeigt experimentelle Ergebnis. Als Theorie vorhersagt, wurden die Proben in Gruppe I und II stabil und blieb Rundschreiben über Schwellungen, während in Gruppe III und IV gingen alle durch elastische Instabilität und schnallte. Auch angezeigten Proben mit demselben h / D ähnliche Knickfigur. 3B vergleicht experimentell beobachtete Ausknicken Modi der in Gruppe III und IV mit theoretischen Voraussage. Wir können, dass Proben mit der gleichen h / D zu sehen sind mit den gleichen Nachbeulverhalten Muster unabhängig von der Dicke und dass die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit der Theorie.

Wir zeigen, wie der Aufbau einer einfachen Desktop-3D-Drucksystem unter Verwendung eines im Handel erhältlichen digitalen Daten-Projektor. Der vorgeschlagene Ansatz basiert auf Photohärtung von Polymer zu construct 3D-Strukturen, und daher keine photohärtbaren Polymere können auch allgemein verwendet werden, soweit der Photoinitiator geeigneten Extinktion im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweist. Beachten Sie, dass viele im Handel erhältliche Photoinitiatoren für ultraviolette (UV) Wellenlängen ausgebildet sind, aber die eingesetzten Photoinitiator weist hier relativ höhere Absorption bei Wellenlängen länger als 400 nm ist. Bietet eine einfache und schnelle Methode, um 3D-Objekte herzustellen, wird diese Methode zu finden viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich weichen Materialien Mechanik wie hier gezeigt.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Name des Reagenzes	Firma	Katalog-Nummer	Kommentare (optional)
Poly (ethylenglykol) diacrylat	Sigma-Aldrich	437441	Mw ~ 575
Poly (ethylenglycol)	Sigma-Aldrich	P3015	Mw ~ 200
Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphinoxid	Sigma-Aldrich	511447	Photo-Initiator
Sudan I	Sigma-Aldrich	103624	Photo-Absorber
Digitale Daten-Projektor	Viewsonic	PJD6221
Konvexe Linse	Thorlabs	LA1145	f = 75,0 mm
Mirroder			4 "Silizium-Wafer
Manuelle Bühne	Velmex	A2506DE-S2.5