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

Das übergeordnete Ziel des folgenden Videos ist es, die Konstruktion eines einfachen 3D-Gel-Mikrofabrikationswerkzeugs und seine Verwendung bei der Mustertransformation von quellenden Geltuben durch elastische Instabilität zu demonstrieren. Ein einfacher Mikro-3D-Drucker wird mit einem handelsüblichen digitalen Datenprojektor gebaut, um röhrenförmige Gelproben mit unterschiedlichen Abmessungen herzustellen. Die Herstellung der röhrenförmigen Gelproben wird erreicht, indem ein gestaltetes Bild auf den Probenhalter projiziert wird, der in ein Harzbad getaucht ist, das eine Präpolymerlösung mit Photoinitiator und Fotoabsorber enthält.

Sobald eine Schicht durch Photopolymerisation gebildet ist, fällt der Probenhalter ab und die nächste Schicht wird auf der vorherigen hergestellt. Auf diese Weise wird ein 3D-Muster Schicht für Schicht hergestellt. Anschließend wird jede Probe mit Wasser in Kontakt gebracht, um eine Formumwandlung durch quellinduzierte elastische Instabilität auszulösen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich kreisförmige Rohre in Abhängigkeit von der Geometrie des Knickgels in verschiedene Wellenmuster mit unterschiedlichen Wellenzahlen verwandeln. Der Hauptvorteil dieser Herstellungstechnik gegenüber bestehenden Methoden wie der Phototherapie besteht darin, dass sie ein schnelles 3D-Mikrofabrikationswerkzeug für weiche Materialien wie Gele bietet. Infolgedessen können verschiedene interessante Geometrien mit drei Grabungen, die schwer herzustellen sind, jetzt leicht in physikalische Objekte für experimentelle Studien umgesetzt werden.

Um dieses Verfahren zu beginnen, bereiten Sie die Präpolymerlösung vor, die den Photoinitiator und den Photoabsorber enthält, wie im schriftlichen Protokoll beschrieben. Stellen Sie nach der Vorbereitung der Lösung einen digitalen Datenprojektor in eine flache und stabile Position und schließen Sie ihn an einen Computer an, auf dem Microsoft PowerPoint installiert ist. Platzieren Sie eine konvexe Linse direkt vor der Strahlausgangslinse des Digitalprojektors.

Wählen Sie eine konvexe Linse, um die Brennebene etwa 10 Zentimeter vom Projektor entfernt zu halten. Bei einem Objektiv mit kürzerer Brennweite wird die optische Auflösung kleiner, aber man muss etwas Platz für optische Komponenten reservieren. Platzieren Sie einen Spiegel hinter der konvexen Linse in einem Winkel von 45 Grad auf dem Strahlengang, um den Strahl gerade nach unten zu richten.

Platzieren Sie dann einen Probenhalter in der Fokusebene des projizierten Strahls. Der Probenhalter sollte an einem linearen Tisch befestigt werden, mit dem die vertikale Position des Probenhalters gesteuert wird. Platzieren Sie abschließend ein Harzbad unter dem Probenhalter, um die Gelröhrchen zu gestalten. Projizieren Sie ein Bild mit bekannten Pixelzahlen auf den Probenhalter, um das Umwandlungsverhältnis 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. Rechnen Sie auf der Grundlage dieser Informationen die physikalischen Abmessungen des Gelröhrchens um, um Durchmesser, Wandstärke und Höhe in Pixel herzustellen. Zeichnen Sie als Nächstes Schnittbilder für das Gelröhrchen.

Die Bilder sollten in Weiß mit schwarzem Hintergrund sein. Fügen Sie diese Bilder in Microsoft PowerPoint-Folien ein. Starten Sie eine Diashow in Microsoft PowerPoint und projizieren Sie ein beliebiges Bild.

Platzieren Sie den Probenhalter in der Fokusebene, indem Sie die vertikale Position mit dem beigefügten Tischschalter auf ein Dummy-Schwarzbild einstellen, so dass es beim Hinzufügen der Präpolymerlösung zu keiner unerwünschten Polymerisation kommt. Gießen Sie die Prepolymerlösung in das Harzbad. Füllen Sie das Bad, bis die Lösung den Probenhalter mit einer Pipette leicht bedeckt.

Jetzt ist es bereit, das 3D-Objekt zu drucken. Wechseln Sie zu dem Objektträger mit dem ersten Schnittbild des Gelröhrchens, um die erste Schicht zu polymerisieren. Projizieren Sie das Bild acht Sekunden lang und wechseln Sie dann zurück zu einer Blackout-Folie.

Drehen Sie den Knopf auf dem Lineartisch um eine Vierteldrehung um etwa 160 Mikrometer, um den Probenhalter abzusenken. Nun fließt frisches Harz ein, um die polymerisierte erste Schicht zu bedecken, falls das flüssige Harz zu zähflüssig zum Einfließen ist. Bewegen Sie den Tisch weiter nach unten, um die hergestellte Schicht vollständig in das Harz einzutauchen, und platzieren Sie den Tisch wieder bis zu 160 Mikrometer unter der Oberfläche.

Projizieren Sie das Querschnittsbild erneut, um die zweite Schicht auf der vorhergehenden zu polymerisieren. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis die Geltube in der gewünschten Höhe hergestellt ist. Sobald alle Schichten fertig sind, heben Sie den Probenhalter aus der Präpolymerlösung und entnehmen Sie die hergestellte Probe.

Spülen Sie die Probe vorsichtig mit einer Rasierklinge etwa drei Stunden lang in Aceton ab und lassen Sie sie dann etwa eine Stunde trocknen. Um ein Quellexperiment durchzuführen, bereiten Sie eine Wasser-Öl-Doppelschichtflüssigkeit in einer transparenten Petrischale vor. Positionieren Sie die Wasser-Öl-Grenzfläche in der Fokusebene der Kamera Passen Sie die Position der Petrischale an und befestigen Sie die trockene Probe mit Sekundenkleber auf einem Probenhalter.

Drehen Sie den Probenhalter so um, dass er auf dem Kopf steht. Tauchen Sie die Probe in das Wasser-Öl-Flüssigkeitsbad. Die Probe wird von der Ölschicht aus an die Wasser-Öl-Grenzfläche herangeführt.

Die Probe beginnt zu quellen, wenn die Probe die Wasseroberfläche berührt, während das Basissubstrat, auf dem das Gelröhrchen befestigt ist, in der oberen Ölschicht verbleibt. Auf diese Weise kann Wasser in die Röhrchenwand diffundieren, so dass die Probe aufquellen kann, bevor sich die einengende Basis durch Nässe entspannt. Fahren Sie fort, um die Musteränderung zu überwachen, während die Geltube anschwillt.

Unter Verwendung einer Digitalkamera wird hier ein einfaches Projektions-Mikro-Stereolithographie-System mit einem handelsüblichen digitalen Datenprojektor gezeigt. Eine konvexe Linse mit einer Brennweite von 75 Millimetern bündelt den Strahl auf eine kleine Beleuchtungsfläche von zwei mal zwei Zentimetern, was zu einer schlichten optischen Auflösung von etwa 45 Mikrometern führt. Die vertikale Auflösung wird durch die Genauigkeit der linearen Tischschicht bestimmt.

Die Dicke der für diese Studie hergestellten Strukturen beträgt 160 Mikrometer. Jede Schicht wurde mit einer achtsekündigen Lichtbeleuchtung polymerisiert. Gezeigt wird eine repräsentative 3D-Struktur, die vom System hergestellt wurde.

Dieses Objekt besteht aus 58 Schichten Peg da. Ein Satz photohärtbarer peg da Hydrogel-Röhrchen wurde entworfen und hergestellt, um eine geringe Vernetzung und daher eine große Quellung zu erreichen, wie im schriftlichen Protokoll beschrieben, eine Probe wurde kopfüber in ein Wasserölbad gelegt. Wie im Video gezeigt, blieben kreisförmige Rohre je nach Maßparametern entweder stabil oder verwandelten sich in ein wellenförmiges Muster.

Die Dimension des Gelröhrchens bestimmt die Anzahl der Wellen, die während der Schwellung entstehen. Die unterschiedlichsten Quellmuster der verschiedenen Proben wurden mit einer Digitalkamera erfasst. Die vertikale Achse zeigt die Stabilität als Dicke über Höhe oder T über H an, und die horizontale Achse zeigt den Knickmodus als Höhe über Durchmesser oder H über D an. Die weißen Zahlen geben die Knickmodusnummer an, d. h. die Anzahl der Wellen entlang des Umfangs, wie hier gezeigt.

Der Knickmodus 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, aber wir werden auch viele Anwendungen in anderen Bereichen der Wissenschaft und Technik finden, einschließlich der weichen Robotik und der Biomedizintechnik. Außerdem ist es sehr einfach und erschwinglich.

Jeder kann seinen eigenen Mikro-3D-Drucker im Labor bauen, indem er dem in diesem Video vorgestellten Protokoll folgt.