Method Article

Micro 3D Impresión con un proyector digital y su aplicación en el estudio de la mecánica de materiales blandos

DOI:

10.3791/4457

⸱

November 27th, 2012

 , 
1Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Demostramos transformación patrón controlado de tubos de gel de inflamación por la inestabilidad elástica. Una proyección simple micro estéreo-litografía de instalación se construye utilizando un off-the-shelf proyector digital de datos para fabricar estructuras tridimensionales poliméricos en forma de capa por capa. Hinchazón tubos de hidrogel de bajo restricción mecánica mostrar varios modos de pandeo circunferenciales según dimensión.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El pandeo es un tema clásico en la mecánica. Mientras pandeo mucho tiempo se ha estudiado como uno de los modos de fallo estructurales principales 1, recientemente ha llamado la atención de nuevo como un mecanismo único para la transformación patrón. La naturaleza está llena de ejemplos donde una gran cantidad de patrones exóticos se forman por 2-5 inestabilidad mecánica. Inspirado por este mecanismo elegante, muchos estudios han demostrado creación y la transformación de los patrones usando materiales blandos tales como elastómeros y los hidrogeles 6-11. Geles de hinchamiento son de particular interés debido a que puede espontáneamente provocar inestabilidad mecánica para crear varios patrones sin la necesidad de una fuerza externa 6-10. Recientemente, se ha reportado la demostración de un control total sobre el pandeo patrón de micro-escala geles tubulares con proyección micro-estereolitografía (PμSL), una de tres dimensiones (3D) de la tecnología de fabricación capaz de convertir rápidamente los modelos 3D generados por ordenador inPara objetos físicos en alta resolución 12,13. Aquí presentamos un método simple para construir un sistema simplificado PμSL usando un proyector digital disponible en datos para estudiar la inflamación inducida por la inestabilidad de pandeo para la transformación patrón controlado.

Una impresora de escritorio 3D simple se construye utilizando un off-the-shelf datos digitales proyector y simples componentes ópticos tales como una lente convexa y un espejo 14. Imágenes transversales extraídas de un modelo sólido 3D se proyecta sobre la superficie de la resina fotosensible en secuencia, la polimerización de resina líquida en un sólido deseado estructura 3D de una forma capa por capa. Incluso con esta configuración simple y fácil proceso, arbitrarias objetos 3D se pueden fabricar fácilmente con una resolución de micras sub-100.

Esta impresora 3D de escritorio tiene un potencial en el estudio de la mecánica de materiales blandos, ofreciendo una gran oportunidad de explorar diferentes geometrías 3D. Nosotros usamos este sistema para fabricaTE tubular estructura del hidrogel en forma de diferentes dimensiones. Fijada en la parte inferior para el sustrato, el gel tubular desarrolla estrés no homogénea durante la inflamación, lo que da lugar a la inestabilidad de pandeo. Varios patrones ondulados aparecen a lo largo de la circunferencia del tubo cuando las estructuras de gel someterse a pandeo. Experimento muestra que circunferencial pandeo de modo deseado se puede crear de una manera controlada. Transformación de patrones de tres dimensiones estructuradas geles tubulares tiene implicaciones importantes no sólo en la mecánica y ciencia de los materiales, sino también en muchos otros campos emergentes como matamaterials ajustables.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Preparación de solución de prepolímero

  1. Mezcla de poli (etilenglicol) diacrilato (PEG-DA) (peso molecular medio ~ 575, Sigma-Aldrich) y poli (etilenglicol) (PEG) (peso molecular promedio de ~ 200, Sigma-Aldrich) a una relación de peso de 1:2.
  2. Añadir 0,67% en peso. foto-iniciador (fenilbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfina, óxido de Sigma-Aldrich). La solución deberá mantenerse en un ambiente oscuro a partir de este punto en adelante.
  3. Añadir 0,05% en peso. foto-absorbedor (Sudán I, Sigma-Aldrich).
  4. Mezclar la solución durante 24 horas a temperatura ambiente usando un agitador magnético.

2. Configuración de una impresora de escritorio 3D con un proyector digital de datos

  1. Coloque un proyector digital de datos en una posición plana y estable, y conectarlo a un ordenador con Microsoft PowerPoint instalado.
  2. Colocar una lente convexa derecho en frente de la lente de salida del haz del proyector digital. Elija una lente convexa para hacer que el plano focal de aproximadamente 10 cm de distancia de la proproyector. (Resolución óptica se hace más pequeño para una lente con distancia focal más corta, pero hay que reservar algo de espacio para componentes ópticos.)
  3. Colocar un espejo después de la lente convexa en el camino del haz en un ángulo de 45 ° para dirigir el haz hacia abajo.
  4. Colocar un soporte de muestra en el plano focal del haz proyectado. El soporte de la muestra debe estar unido a una fase lineal mediante el cual se controla la posición vertical del soporte de muestra.
  5. Colocar un baño de resina debajo del portamuestras.

3. Diseño y fabricación de tubos de gel

  1. Determinación del diámetro, espesor de pared, y la altura del tubo de gel a ser fabricado.
  2. Dibujar imágenes en sección transversal para el tubo de gel. Las imágenes deben estar en blanco con fondo negro. Inserte estas imágenes en diapositivas de Microsoft PowerPoint.
  3. Iniciar la presentación en Microsoft PowerPoint y proyectar cualquier imagen. Colocar el soporte de muestra en el plano focal mediante el ajuste de la posición vertical usando attle dolía el escenario.
  4. Cambie a una "falsa" imagen negro para que no habrá polimerización, sin dejar de poner solución prepolímero.
  5. Vierta la solución de prepolímero de baño de resina. Llene la bañera hasta que la solución ligeramente cubre el soporte de la muestra. Ahora está listo para su objeto de impresión 3D.
  6. Cambiar a la diapositiva que contiene la primera imagen transversal del tubo de gel para polimerizar la primera capa. Sigue la proyección de la imagen durante 8 segundos y volver a "apagón" de diapositivas.
  7. Gire la perilla en la etapa lineal de ¼ de vuelta (~ 160 m) para bajar el soporte de la muestra. Ahora resina fresca fluye hacia abajo para cubrir la primera capa polimerizada.
  8. Proyectar la imagen de la sección transversal de nuevo para polimerizar la capa de segundo en la parte superior del procedimiento uno. Repetir los pasos 3.6-3.8 hasta que el tubo de gel de la altura deseada se fabrica.
  9. Una vez que todas las capas están completas, levante el soporte de la muestra de la solución de prepolímero, y recuperar la muestra fabricada cuidadosamente usando una maquinilla de afeitar blade.
  10. Lavar la muestra en acetona durante ~ 3 horas, y luego deje que se seque durante aproximadamente 1 hora.

4. Hinchazón Experimento para la Formación pauta prescrita por la inestabilidad elástica

  1. Prepare agua-aceite líquido de doble capa en un plato de cristal transparente.
  2. Coloque la muestra seca en un soporte de muestras utilizando pegamento.
  3. Dele la vuelta al soporte de la muestra de modo que la muestra está al revés. Sumergir la muestra en el líquido del baño de agua-aceite. Enfoque de la muestra a la interfase agua-aceite de la capa de aceite. La muestra comienza a hincharse cuando la muestra toca la superficie del agua mientras que la parte de sustrato de base sobre la que se fija el tubo de gel se quedó en la capa de aceite superior. De esta manera, el agua puede difundirse en la pared del tubo permitiendo que la muestra se hinchan antes de la base de restricción se relaja por la humectación. Supervisar el cambio de patrón como las olas tubo de gel utilizando una cámara digital.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un sistema simple PμSL utilizando un off-the-shelf digital de datos del proyector se muestra en la figura 1. Una lente convexa con una longitud focal de 75 mm se concentra el haz de iluminación en el área pequeña de 2 cm por 2 cm. Resultando en avión resolución óptica es de unos 45 m. La resolución vertical se determina por el nivel de precisión de la etapa lineal. Espesor de capa de las estructuras hechas para este estudio es de 160 micras. Cada capa se polimeriza para el 8 de iluminación de luz seg. Una estructura 3D representante fabricado por el sistema se muestra en la Figura 1D. Estos objetos se compone de 58 capas de PEGDA.

Hemos preparado fotocurable hidrogel PEGDA. Reticulación bajo, por lo tanto, gran hinchazón, de hidrogel PEGDA se logró mediante la adición de PEG no reticulante en la solución de prepolímero. En sentido longitudinal de la relación de hinchamiento del hidrogel resultante PEGDA es 1,5, lo que corresponde a la expansión volumétrica superior a 300%.

> Un conjunto de tubos de hidrogel PEGDA se han diseñado y fabricado sobre la base de nuestra teoría 12. Colocamos una muestra al revés y poner en la bañera con agua cubierta con una capa de aceite en la parte superior como se ilustra en la Figura 2A. Dependiendo de los parámetros dimensionales, tubos circulares permanecido estable o transformados en un patrón ondulado como se muestra en la Figura 2B. La amplia variedad de hinchazón patrón de las diferentes muestras fue capturada por una cámara digital y se presenta en la Figura 3A.

figure-results-1
Figura 1. Una proyección desktop micro-sistema de estereolitografía (a) Representación esquemática (b) El sistema actual (c) vista cercana de los componentes (d) Representante de estructuras 3D. Haga clic aquí para ampliar la cifra .

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Figura 2. (A) Montaje experimental para el tubo de hidrogel hinchazón (b) Tubo limitado hidrogel se transforma en diferentes patrones. Barra de escala indica 5 mm.

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Figura 3. (A) Los patrones formados en la hinchazón experimento. El eje vertical indica t / h (por lo tanto la estabilidad), y el eje horizontal indica h / D (por lo tanto el modo de pandeo). Barra de escala indica 5 mm. (B) el modo de pandeo depende sólo de h / D. Resultado experimental concuerda bien con la predicción teórica. Haga clic aquí para ampliar la cifra .

Ejemplo </ Strong> D (m) t (micras) h (m)
Yo yo 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 yo 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 yo 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 yo 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

Tabla 1. Dimensiones de la muestra medido a través del microscopio óptico. Los errores indican incertidumbre de medición.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En hinchazón de hidrogel tubular limitada sobre el sustrato, la estabilidad depende sólo de t / h y el pandeo modo sólo depende de h / D 12. Cuatro grupos de muestras (I-IV) con diferentes niveles de espesor normalizado t / h fueron fabricados, con el grupo I es más grueso y el grupo IV de ser más delgado. Cada grupo consta de cuatro muestras (i-iv) con diferentes niveles de altura normalizada h / d, con la muestra i es más corto y la muestra iv ser más alto. Dimensiones de las muestras fabricadas se presentan en la Tabla 1. Grupo I y II están diseñados para permanecer estable durante el hinchamiento, mientras que los grupos III y IV están diseñados para doblarse y transformar al hincharse. Para las muestras de pandeo, Buckling modo debe disminuir con la altura de la muestra. Figura 3A muestra el resultado experimental. Como predice la teoría, las muestras del grupo I y II se mantuvieron estables y se mantuvo circular en la inflamación, mientras que las muestras del grupo III y IV, todos pasaron por la inestabilidad elástica y cinturón. Además, las muestras con el mismo h / D muestra el modo de pandeo similares. Figura 3B compara observados experimentalmente modos de pandeo de las muestras en el grupo III y IV con la predicción teórica. Podemos ver que las muestras con el mismo h / D presentan el mismo post-pandeo patrón independientemente de su grosor y que los resultados experimentales de acuerdo bien con la teoría.

Se presenta cómo construir un sencillo sistema de escritorio 3D de impresión con un disponible en el mercado digital, proyector de datos. El enfoque propuesto se basa en fotocurado de polímero para construct estructuras 3D, y por lo tanto, cualquier polímeros fotocurables puede también ser utilizado en general, por lo que el fotoiniciador tiene absorbancia correspondiente en el rango de longitud de onda visible. Tenga en cuenta que muchos fotoiniciadores comercialmente disponibles están diseñados para ultra-violeta (UV) longitudes de onda, pero el fotoiniciador utilizado aquí tiene absorbancia relativamente mayor a longitudes de onda más largas que 400 nm. Ofrece una manera fácil y rápida de fabricar objetos 3D, este método se encuentra muchas aplicaciones en varios campos, incluyendo la mecánica de materiales blandos como se demuestra aquí.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores desean agradecer a José Muskin y Ragusa Mateo en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign para proporcionar imágenes transversales de las estructuras 3D se muestra en la Figura 1D.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Nombre del reactivo Empresa Número de catálogo Comentarios (opcional)
El poli (etilenglicol) diacrilato Sigma-Aldrich 437441 575 Mw ~
El poli (etilenglicol) Sigma-Aldrich P3015 200 Mw ~
fenilbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfina Sigma-Aldrich 511447 Foto-iniciador
Sudán I Sigma-Aldrich 103624 Foto-absorbedor
Los datos digitales proyector Viewsonic PJD6221
Lente convexa Thorlabs LA1145 f = 75,0 mm
Mirro 4 "oblea de silicio
Manual etapa Velmex A2506DE-S2.5

References

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

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