Name: Micro 3D-Druck mit einem digitalen Projektor und ihre Anwendung in der Studie von Soft Werkstoffmechanik (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 24 s
Description: Lernen Sie den Aufbau eines einfachen 3D-Gel-Mikrofabrikationstools mit einem digitalen Projektor zur Herstellung von Hydrogel-Röhren. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung mustertransformierender Schwellprozesse durch elastische Instabilität in weichen Materialien.

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Die Autoren bedanken sich bei Joseph Muskin und Matthew Ragusa an der University of Illinois at Urbana-Champaign danken für die Bereitstellung von Schnittbildern für 3D-Strukturen in 1D gezeigt.

Ein. Herstellung Präpolymerlösung <ol><li> Mischung Poly (ethylenglykol) diacrylat (PEG-DA) (Molekulargewicht ~ 575, Sigma-Aldrich) und Poly (ethylenglycol) (PEG) (Molekulargewicht ~ 200, Sigma-Aldrich) bei 1:2 Gewichtsverhältnis. </li><li> Hinzufügen 0,67 Gew.%. Photoinitiator (Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphinoxid, Sigma-Aldrich). Die Lösung sollte in dunkler Umgebung ab diesem Zeitpunkt gehalten werden. </li><li> Hinzufügen 0,05 Gew.%. Foto-Absorber (Sudan I, Sigma-Aldrich). </li><li> Mische die Lösung 24 Stunden bei Raumtemperatur mit einem Magnetrührer. </li></ol> 2. Einrichten eines Desktop 3D-Drucker mit einem Digital Data Projector <ol><li> Legen Sie einen digitalen Projektor auf einer ebenen und stabilen Position, und schließen Sie es an einen Computer mit Microsoft PowerPoint installiert. </li><li> 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.) </li><li> Stellen Sie einen Spiegel nach dem konvexen Linse auf den Strahlengang um 45 °-Winkel um den Strahl gerade nach unten zu lenken. </li><li> 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. </li><li> Legen Sie eine Harzbad unter dem Probenhalter. </li></ol> 3. Design und Herstellung von Gel Tubes <ol><li> Bestimmen Durchmesser, Wandstärke und Höhe des Gels Rohr hergestellt werden. </li><li> Zeichnen Querschnittsbilder für das Gel Röhre. Die Bilder sollten in weiß mit schwarzem Hintergrund. Legen Sie diese Bild in Microsoft PowerPoint-Folien. </li><li> Diashow starten in Microsoft PowerPoint und jedes Bild. Setzen Sie den Probenhalter in der Brennebene durch Anpassung die vertikale Position mit attschmerzten Bühne. </li><li> Wechseln Sie zu einem &quot;Dummy&quot; schwarzes Bild, so dass es keine unerwünschten Polymerisation sein wird, während Putting Präpolymerlösung. </li><li> Gießen Präpolymerlösung zu Harzbad. Füllen Sie das Bad, bis die Lösung leicht deckt den Probenhalter. Jetzt ist es bereit für den Druck 3D-Objekt. </li><li> 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 &quot;Blackout&quot; slide. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Sobald alle Schichten vollständig sind, heben Sie den Probenhalter aus dem Prepolymer-Lösung, und rufen Sie die hergestellt Probe vorsichtig mit einer Rasierklinge bladE. </li><li> Spülen Sie die Probe in Aceton für ~ 3 Stunden, und dann lassen Sie es für ca. 1 Stunde trocknen lassen. </li></ol> 4. Schwellungen Experiment verschrieben Pattern Formation von Elastic Instabilität <ol><li> Bereiten Sie Wasser-Öl-Dual-Layer-Flüssigkeit in einem transparenten Glas Schüssel. </li><li> Bringen Sie die trockene Probe auf einem Probenhalter mit Superkleber. </li><li> 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. </li></ol>

<ol><li>Timoshenko, S. P., Gere, J. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTimoshenko%2C+SP+%22Theory+of+Elastic+Stability%22">Theory of Elastic Stability</a>. , McGraw-Hill. (1961).</li>
<li>Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leaves+Flowers+and+Garbage+Bags%3A+Making+Waves%5BTitle%5D)+AND+%22American+Scientist%22%5BJournal%5D)">Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves.</a> American Scientist. 92, 254-261 (2004).</li>
<li>Kücken, M., Newell, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fingerprint+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Theoretical+Biology%22%5BJournal%5D)">Fingerprint formation.</a> Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).</li>
<li>Liang, H., Mahadevan, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+shape+of+a+long+leaf%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The shape of a long leaf.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).</li>
<li>Bayer, S. A., Altman, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBayer%2C+SA+%22The+human+brain+during+the+second+trimester%22">The human brain during the second trimester</a>. , Taylor & Francis. (2005).</li>
<li>Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creasing+instability+of+surface-attached+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Creasing instability of surface-attached hydrogels.</a> Soft Matter. 4, 564(2008).</li>
<li>Breid, D., Crosby, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+stress+state+on+wrinkle+morphology%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Effect of stress state on wrinkle morphology.</a> Soft Matter. 7, 4490(2011).</li>
<li>Mora, T., Boudaoud, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Buckling+of+swelling+gels%5BTitle%5D)+AND+%22The+European+Physical+Journal+E%22%5BJournal%5D)">Buckling of swelling gels.</a> The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).</li>
<li>DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Swelling-induced+instabilities+in+microscale%2C+surface-confined+poly%28N-isopropylacryamide%29+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels.</a> Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).</li>
<li>Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+Transition+in+Artificial+Tumors%3A+From+Smooth+Buckles+to+Singular+Creases%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases.</a> Physical Review Letters. 107, 018103(2011).</li>
<li>Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+Pattern+Instability+and+Shape-Memory+Hysteresis+for+Phononic+Switching%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching.</a> Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).</li>
<li>Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prescribed+Pattern+Transformation+in+Swelling+Gel+Tubes+by+Elastic+Instability%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability.</a> Physical Review Letters. 108, 214304(2012).</li>
<li>Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Projection+micro-stereolithography+using+digital+micro-mirror+dynamic+mask%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).</li>
<li>Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Printing+Using+a+Photoinitiated+Polymer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer.</a> Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).</li>
</ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

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.

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> Poly (ethylenglykol) diacrylat </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 437441 </td><td> Mw ~ 575 </td></tr><tr><td> Poly (ethylenglycol) </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> P3015 </td><td> Mw ~ 200 </td></tr><tr><td> Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphinoxid </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 511447 </td><td> Photo-Initiator </td></tr><tr><td> Sudan I </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 103624 </td><td> Photo-Absorber </td></tr><tr><td> Digitale Daten-Projektor </td><td> Viewsonic </td><td> PJD6221 </td><td></td></tr><tr><td> Konvexe Linse </td><td> Thorlabs </td><td> LA1145 </td><td> f = 75,0 mm </td></tr><tr><td> Mirroder </td><td></td><td></td><td> 4 &quot;Silizium-Wafer </td></tr><tr><td> Manuelle Bühne </td><td> Velmex </td><td> A2506DE-S2.5 </td><td></td></tr></tbody></table>

micro 3d-druck mit einem digitalen projektor und ihre anwendung in der studie von soft werkstoffmechanik

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

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.

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. &gt; 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. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig1.jpg" /> Abbildung 1. Ein Desktop-Projektion Mikro-Stereolithographie-System (a) Schematische Darstellung (b) aktuelle System (c) close-up von Komponenten (d) Vertreter 3D-Strukturen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig1large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen</a> . Zelt &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig2.jpg" /> Abbildung 2. (A) Versuchsaufbau zur Hydrogel Rohr Schwellungen (b) beschränkt Hydrogel Rohr in verschiedenen Mustern verwandelt. Maßstab zeigt 5 mm. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig3.jpg" /> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig3large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen</a> . <table border="1"><tbody><tr><td colspan="2"> Beispiel &lt;/ Strong&gt; </td><td> D (um) </td><td> t (um) </td><td> h (um) </td></tr><tr><td rowspan="4"> Ich </td><td> ich </td><td> 9300 ± 420 </td><td> 760 ± 40 </td><td> 840 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1040 ± 40 </td><td> 1060 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1210 ± 40 </td><td> 1340 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1660 ± 40 </td><td> 1680 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> II </td><td> ich </td><td> 9000 ± 420 </td><td> 480 ± 40 </td><td> 880 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 9000 ± 420 </td><td&gt; 660 ± 40 </td><td> 1060 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9500 ± 420 </td><td> 740 ± 40 </td><td> 1350 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9200 ± 420 </td><td> 970 ± 40 </td><td> 1650 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> III </td><td> ich </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 160 ± 40 </td><td> 790 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 300 ± 40 </td><td> 1020 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9100 ± 420 </td><td> 380 ± 40 </td><td> 1330 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9000 ± 420 </td><td> 490 ± 40 </td><td> 1630 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> IV </td><td> ich </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 140 ± 40 </td><td> 780 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 8800 ± 420 </td><td> 190 ± 40 </td><td> 1010 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9300 ± 420 </td><td> 230 ± 40 </td><td> 1340 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 290 ± 40 </td><td> 1650 ± 40 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Probenabmessungen durch optische Mikroskop gemessen. Fehler zeigen Messunsicherheit.

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.

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

Das Ausknicken ist ein klassisches Thema der Mechanik. Während das Ausknicken bereits seit langem als eine der wichtigsten strukturellen Versagensarten1 untersucht wird, hat es in jüngster Zeit neue ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Videos besteht darin, den Aufbau eines einfachen Werkzeugs zur 3D-Gel-Mikrofertigung und dessen Anwendung bei der Musterverwandlung quellender Gelröhren durch elastische Instabilität zu demonstrieren. Ein einfacher mikroskopischer 3D-Drucker wird unter Verwendung eines handelsüblichen digitalen Datenprojektors aufgebaut, um röhrenförmige Gelproben mit unterschiedlichen Abmessungen herzustellen. Die Herstellung der röhrenförmigen Gelproben erfolgt, indem ein entworfenes Bild auf den Probenhalter projiziert wird, der in ein Harzbad eingetaucht ist, das eine Präpolymerlösung mit Photoinitiator und Photoabsorber enthält.Nachdem eine Schicht durch Photopolymerisation gebildet wurde, senkt sich der Probenträger, und die nächste Schicht wird auf der vorherigen aufgebaut. Auf diese Weise wird eine 3D-Probe schichtweise hergestellt. Anschließend wird jede Probe mit Wasser in Kontakt gebracht, um eine Formumwandlung durch quellungsinduzierte elastische Instabilität auszulösen.Die Ergebnisse zeigen, dass runde Röhren in verschiedene wellenförmige Muster mit unterschiedlichen Wellenzahlen übergehen, abhängig von der Geometrie des Beulgeles. Der Hauptvorteil dieser Herstellungstechnik gegenüber bestehenden Methoden wie der Phototherapie besteht darin, dass sie ein schnelles 3D-Mikrofertigungsverfahren für weiche Materialien wie Gele bietet. Dadurch können nun verschiedene interessante dreidimensionale Geometrien, die schwer herzustellen sind, leicht in physische Objekte umgesetzt werden, die experimentell untersucht werden können.Zur Durchführung dieses Verfahrens bereiten Sie zunächst die Präpolymerlösung unter Zugabe von Photoinitiator und Photoabsorber gemäß der schriftlichen Anleitung vor. Nach der Lösungsherstellung stellen Sie einen digitalen Datenprojektor an einer ebenen und stabilen Position auf und schließen ihn an einen Computer mit installiertem Microsoft PowerPoint an. Platzieren Sie eine konvexe Linse direkt vor der Strahlausgangslinse des Digitalprojektors.Wählen Sie eine Sammellinse, um die Brennebene etwa 10 Zentimeter vom Projektor entfernt zu platzieren. Die optische Auflösung wird kleiner bei einer Linse mit kürzerer Brennweite, aber es muss etwas Platz für optische Komponenten freigehalten werden. Platzieren Sie einen Spiegel nach der Sammellinse im Strahlengang in einem Winkel von 45 Grad, um den Strahl senkrecht nach unten zu lenken.Platzieren Sie dann einen Probenträger in der Brennebene des projizierten Strahls. Der Probenträger sollte mit einem Linearstadium verbunden sein, über das die vertikale Position des Probenträgers gesteuert wird. Schließlich platzieren Sie ein Harzbad unterhalb des Probenträgers, um die Gelröhren zu gestalten. Projizieren Sie ein Bild mit bekannter Pixelanzahl auf den Probenträger, um das Umrechnungsverhältnis von einem Pixel zur physikalischen Länge zu messen.In diesem speziellen Fall maß ein Bild von 135 Pixeln 5,8 Millimeter, was 43 Mikrometern pro Pixel entspricht. Konvertieren Sie anhand dieser Information die physikalischen Abmessungen des Gelrohrs – Durchmesser, Wanddicke und Höhe – in Pixel. Zeichnen Sie anschließend Querschnittsbilder des Gelrohrs.Die Bilder sollten weiß auf schwarzem Hintergrund sein. Fügen Sie diese Bilder in Microsoft PowerPoint-Folien ein. Starten Sie die Diashow in Microsoft PowerPoint und projizieren Sie ein beliebiges Bild.Platzieren Sie den Probenträger in der Fokalebene, indem Sie die vertikale Position mithilfe des angebrachten Stufenschalters auf ein schwarzes Testbild einstellen, sodass keine unerwünschte Polymerisation während des Hinzufügens der Präpolymerlösung auftritt. Gießen Sie die Präpolymerlösung in das Harzbad. Füllen Sie das Bad, bis die Lösung den Probenträger leicht bedeckt, unter Verwendung einer Pipette.Jetzt ist es bereit, das 3D-Objekt zu drucken. Wechseln Sie zu der Folie mit dem ersten Querschnittsbild der Gelröhre, um die erste Schicht zu polymerisieren. Projizieren Sie das Bild acht Sekunden lang und wechseln Sie anschließend zurück zu einer schwarzen Folie.Drehen Sie den Knopf an der Linearstufe um eine Viertelumdrehung, etwa 160 Mikrometer, um den Probenträger abzusenken. Dadurch fließt frisches Harz nach, um die polymerisierte erste Schicht zu bedecken, falls das flüssige Harz zu viskos ist, um von allein nachzufüllen. Bewegen Sie die Stufe weiter nach unten, um die hergestellte Schicht vollständig in das Harz einzutauchen, und positionieren Sie die Stufe anschließend erneut 160 Mikrometer unterhalb der Oberfläche.Projizieren Sie das Querschnittsbild erneut, um die zweite Schicht auf der vorherigen zu polymerisieren. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis der Gelröhrchen der gewünschten Höhe hergestellt ist. Sobald alle Schichten abgeschlossen sind, heben Sie den Probenträger aus der Präpolymerlösung heraus und entnehmen Sie die hergestellte Probe.Spülen Sie die Probe vorsichtig mit einer Rasierklinge unter Aceton für etwa drei Stunden und lassen Sie sie anschließend ungefähr eine Stunde lang trocknen. Um ein Quellversuch durchzuführen, bereiten Sie eine wässrige Ölschicht-Flüssigkeit in einer transparenten Petrischale vor. Bringen Sie die Grenzfläche zwischen Wasser und Öl in die Fokusebene der Kamera, indem Sie die Position der Petrischale justieren, und befestigen Sie die trockene Probe mit Sekundenkleber an einem Probenträger.Drehen Sie den Probenhalter um, sodass dieser verkehrt herum ist. Tauchen Sie die Probe in das Wasser-Öl-Flüssigbad ein. Führen Sie die Probe von der Ölschicht aus an die Wasser-Öl-Grenzfläche heran.Die Probe beginnt zu quellen, sobald sie die Wasseroberfläche berührt, während das Basissubstrat, an dem der Gelröhrchen befestigt ist, in der oberen Ölschicht verbleibt. Auf diese Weise kann Wasser in die Röhrenwand eindringen, wodurch die Probe quellen kann, bevor sich das fixierende Basissubstrat durch Benetzung lockert. Überwachen Sie nun die Veränderung des Musters, während sich das Gelröhrchen ausdehnt.Mithilfe einer Digitalkamera wird hier ein einfaches Projektions-Mikro-Stereolithographiesystem gezeigt, das einen handelsüblichen digitalen Datenprojektor verwendet. Eine konvexe Linse mit einer Brennweite von 75 Millimetern bündelt den Strahl auf einen kleinen Beleuchtungsbereich von zwei Zentimetern mal zwei Zentimetern, wodurch eine optische Auflösung von etwa 45 Mikrometern erreicht wird. Die vertikale Auflösung wird durch die Genauigkeitsstufe der linearen Hubvorrichtung pro Schicht bestimmt.Die Dicke der für diese Studie hergestellten Strukturen beträgt 160 Mikrometer. Jede Schicht wurde durch achtsekündige Lichtbestrahlung vernetzt. Eine repräsentative, mit dem System gefertigte 3D-Struktur ist dargestellt.Dieses Objekt besteht aus 58 Schichten aus Peg da. Ein Satz lichtaushärtbarer Peg-da-Hydrogelröhren wurde entworfen und hergestellt, um eine geringe Vernetzung und damit eine starke Quellung zu erreichen, wie im schriftlichen Protokoll beschrieben; dazu wurde eine Probe verkehrt herum in ein Wasser-Öl-Bad gegeben. Wie im Video gezeigt, verhielten sich die kreisförmigen Röhren je nach dimensionsbezogenen Parametern entweder stabil oder wandelten sich in ein wellenförmiges Muster um.Die Abmessung des Gele schläuches bestimmt die Anzahl der während der Quellung entstehenden Wellen. Die große Vielfalt an Quellmustern verschiedener Proben wurde mit einer Digitalkamera aufgezeichnet. Die vertikale Achse zeigt die Stabilität als Dicke zu Höhe oder T zu H an, und die horizontale Achse zeigt die Beulmoduszahl als Höhe zu Durchmesser oder H zu D an. Die weißen Zahlen geben die Beulmoduszahl an, also die Anzahl der Wellen entlang des Umfangs, wie hier dargestellt.Der Beulmodus der instabilen Proben hängt nur von HD ab, wobei das experimentelle Ergebnis gut mit der theoretischen Vorhersage übereinstimmt. Wir verwenden diese Methode in diesem Video als nützliches experimentelles Werkzeug für die Mechanik weicher Materialien, doch werden wir auch viele Anwendungen in anderen Bereichen der Wissenschaft und Technik finden, einschließlich der weichen Robotik und der biomedizinischen Technik. Außerdem ist sie sehr einfach und kostengünstig.Jeder kann in seinem Labor einen eigenen Mikro-3D-Drucker aufbauen, indem er dem in diesem Video vorgestellten Protokoll folgt.

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Mit modernen Kunststoff-Extrusions-und Drucktechnologien, ist es nun möglich, schnell und kostengünstig zu produzieren physikalische Modelle von X-ray CT-Daten in einem Labor entnommen. Das dreidimensionale Drucken von tomographischen Daten ist eine leistungsfähige Visualisierungs-, Forschungs-und Bildungs-Tool, das jetzt von der präklinischen Bildgebung Gemeinschaft zugegriffen werden kann.

3D Printing der präklinischen X-ray computertomographische Datensätze

Ein neues Rechensystem mit GPU-beschleunigter Molekulardynamiksimulation und 3D/VR-Visualisierung, Analyse und Manipulation von Nanostrukturen wurde implementiert und stellt einen neuartigen Ansatz dar, um die Materialforschung voranzutreiben und innovative Untersuchungen und alternative Methoden zu fördern, um mehr über Materialstrukturen mit Dimensionen zu erfahren, die für das menschliche Auge unsichtbar sind.

Neuartige 3D / VR Interaktiv Raum für MD-Simulationen, Visualisierung und Analyse

Dieses Papier stellt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (sog. "Mikromauerwerk ') für die flexible Fertigung von mikroelektromechanisches System (MEMS)-Strukturen und Geräte. Dieser Ansatz beinhaltet Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken.

Micro-Mauerwerk für 3D-Additive Mikroproduktion

Physikalische Modelle von Biomolekülen können dem Forscher das Verständnis ihrer Struktur-Funktion erleichtern, die Kommunikation zwischen Forschern erleichtern und als pädagogisches Werkzeug in pädagogischen Bemühungen dienen. Hier bieten wir eine detaillierte Anleitung für den 3D-Druck von genauen Modellen von Biomolekülen mit Desktop-3D-Druckern für die Herstellung von Schmelzfilamenten.

3D Printing of Biomolecular Modelle für Forschung und Pädagogik

Diese Arbeit präsentiert einen Dehnungsmesssensor, der aus einem Verstärkungsmechanismus und einem Polydimethylsiloxan-Mikroskop besteht, das mit einem verbesserten 3D-Drucker hergestellt wird.

Herstellung eines Strain-Messgeräts mit verbessertem 3D-Drucker

Die physikalische Modellierung mikroskopischer Systeme hilft dabei, Erkenntnisse zu gewinnen, die auf andere Weise nur schwer zu gewinnen sind. Um den Aufbau physikalischer molekularer Modelle zu erleichtern, zeigen wir, wie 3D-Druck verwendet werden kann, um funktionale makroskopische Modelle zusammenzustellen, die Qualitäten molekularer Systeme auf taktile Weise erfassen.

Interaktive molekulare Modellbaugruppe mit 3D-Druck

Dieses Projekt ermöglicht es kleinen Laboren, eine einfach zu bedienende Plattform für die Herstellung präziser mehrschichtiger mikrofluidischer Geräte zu entwickeln. Die Plattform besteht aus einem dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapter, mit dem mehrschichtige mikrofluidische Geräte mit Ausrichtungsfehlern von &lt;10 μm erreicht wurden.

Design und Entwicklung eines dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapters für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten

Diese Methode demonstriert einen voxelbasierten 3D-Druck-Workflow, der direkt aus medizinischen Bildern mit exakter räumlicher Wiedergabetreue und räumlicher /kontrastreicher Auflösung druckt. Dies ermöglicht die präzise, abgestufte Kontrolle von Materialverteilungen durch morphologisch komplexe, abgestufte Materialien, die mit der Radiodichte korreliert sind, ohne Verlust oder Veränderung von Daten.

Voxel Printing Anatomy: Design und Herstellung realistischer, vorchirurgischer Planungsmodelle durch Bitmap-Druck

Das vorliegende Protokoll beschreibt den auf digitaler Lichtverarbeitung basierenden 3D-Druck polymerer Materialien unter Verwendung der photoinitiierten reversiblen Additionsfragmentierungskettentransferpolymerisation Typ I und die anschließende In-situ-Materialpostfunktionalisierung durch oberflächenvermittelte Polymerisation. Der photoinduzierte 3D-Druck liefert Materialien mit unabhängig voneinander maßgeschneiderten und räumlich kontrollierten Schütt- und Grenzflächeneigenschaften.

3D-Druck und In-situ-Oberflächenmodifikation mittels photoinitiierter reversibler Additions-Fragmentierungskettentransfer-Polymerisation Typ I

Der 3D-Druck im Mikrometermaßstab ermöglicht das schnelle Prototyping von polymeren Bauelementen für neuronale Zellkulturen. Als Proof-of-Principle wurden strukturelle Verbindungen zwischen Neuronen durch die Schaffung von Barrieren und Kanälen eingeschränkt, die das Wachstum von Neuriten beeinflussen, während die funktionellen Konsequenzen einer solchen Manipulation durch extrazelluläre Elektrophysiologie beobachtet wurden.

Zwei-Photonen-Polymerisation 3D-Druck von neuronalen Zellkulturgeräten im Mikromaßstab

Lernen Sie den Aufbau eines einfachen 3D-Gel-Mikrofabrikationstools mit einem digitalen Projektor zur Herstellung von Hydrogel-Röhren. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung mustertransformierender Schwellprozesse durch elastische Instabilität in weichen Materialien.

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

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