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Micro 3D Impression à l'aide d'un projecteur numérique et son application dans l'étude de la mécanique des matériaux souples

DOI:

10.3791/4457

⸱

November 27th, 2012

 , 
1Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology

In This Article

Summary

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

Nous démontrons la transformation du modèle contrôlé tubes de gel de gonflement par l'instabilité élastique. Une simple projection de micro-lithographie stéréo configuration est construit en utilisant un hors-la-étagère de données numériques de projecteur pour fabriquer des structures en trois dimensions de façon polymères couche par couche. Gonflement des tubes d'hydrogel sous contrainte mécanique afficher différents modes de flambement périphériques en fonction de la dimension.

Abstract

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

Flambage est un sujet classique en mécanique. Bien que le flambage a été longuement étudié comme l'un des principaux modes de défaillance structurale 1, il a récemment attiré l'attention nouvelle que d'un mécanisme unique de transformation motif. La nature est pleine de ces exemples où une foule de motifs exotiques sont formés par 2-5 instabilité mécanique. Inspiré par ce mécanisme élégant, de nombreuses études ont démontré la création et la transformation de modèles utilisatrices de matériaux souples tels que des élastomères et des hydrogels 6-11. Gonflement des gels présentent un intérêt particulier, car ils peuvent déclencher spontanément instabilité mécanique pour créer des motifs différents sans avoir besoin d'une force externe 6-10. Récemment, nous avons rapporté la démonstration d'un contrôle total sur flambage modèle de micro-échelle en utilisant des gels tubulaires projection de micro-stéréolithographie (PμSL), une technologie de fabrication en trois dimensions (3D) capable de convertir rapidement des modèles 3D générés par ordinateur iobjets nto physiques à haute résolution 12,13. Nous présentons ici une méthode simple pour mettre en place un système simplifié PμSL l'aide d'un commerce numérique du projecteur de données pour étudier l'enflure provoquée par l'instabilité de flambement pour la transformation modèle contrôlé.

Une imprimante de bureau 3D simple est construit en utilisant un hors-la-étagère de données numériques de projecteur et simples tels que des composants optiques d'une lentille convexe et d'un miroir 14. Transversales images extraites d'un modèle 3D est projeté sur la surface de résine photosensible à la suite, la polymérisation d'une résine liquide dans une structure solide 3D désirée de manière couche par couche. Même avec cette configuration simple et processus facile, arbitraires objets 3D peuvent être facilement fabriqués avec une résolution sub-100 um.

Cette imprimante de bureau 3D offre des possibilités à l'étude de la mécanique des matériaux souples en offrant une excellente occasion d'explorer différentes géométries 3D. Nous utilisons ce système pour fabricate structure tubulaire en forme d'hydrogel avec des dimensions différentes. Fixée sur le fond du substrat, le gel se développe tubulaire contrainte inhomogène lors de gonflement, ce qui donne lieu à une instabilité au flambage. Différents motifs ondulés apparaissent le long de la circonférence du tube lorsque les structures de gel subir de flambage. L'expérience montre que la circonférence de flambage en mode souhaité peut être créée d'une manière commandée. Transformation de modèle en trois dimensions structurés gels tubulaires a des répercussions importantes non seulement en mécanique et sciences des matériaux, mais aussi dans beaucoup d'autres domaines émergents tels que matamaterials accordables.

Protocol

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

1. Préparation de la solution prépolymère

  1. Mix poly (éthylène glycol) diacrylate (PEG-DA) (poids moléculaire moyen ~ 575, Sigma-Aldrich) et de poly (éthylène glycol) (PEG) (poids moléculaire moyen ~ 200, Sigma-Aldrich) à un rapport de 1:2 poids.
  2. Ajouter 0,67% en poids. photo-initiateur (phénylbis (2,4,6-triméthylbenzoyl) phosphine, Sigma-Aldrich). La solution doit être maintenue dans un environnement sombre partir de ce point.
  3. Ajouter à 0,05% en poids. photo-absorption (Soudan I, Sigma-Aldrich).
  4. Mélanger la solution pendant 24 heures à température ambiante en utilisant un agitateur magnétique.

2. Configuration d'une imprimante de bureau 3D numérique utilisant un projecteur de données

  1. Placez un projecteur de données numériques sur une position plane et stable, et le connecter à un ordinateur avec Microsoft PowerPoint installé.
  2. Placer une lentille convexe droite en avant de la lentille de sortie de faisceau du projecteur numérique. Choisissez une lentille convexe pour rendre le plan focal d'environ 10 cm de la proprojecteur. (Résolution optique devient plus petit pour une lentille à focale plus courte, mais il faut réserver de l'espace pour les composants optiques.)
  3. Placer un miroir après la lentille convexe sur le trajet du faisceau à 45 ° d'angle pour diriger le faisceau vers le bas.
  4. Placer un porte-échantillon dans le plan focal du faisceau projeté. Le porte-échantillon doit être fixée à une platine de translation par lequel la position verticale du support d'échantillon est contrôlée.
  5. Placer un bain de résine sous le porte-échantillon.

3. Conception et fabrication de tubes de gel

  1. Déterminer diamètre, épaisseur de paroi, et la hauteur du tube de gel à fabriquer.
  2. Dessiner des images en coupe du tube de gel. Les images doivent être en blanc sur fond noir. Insérez l'image dans ces diapositives Microsoft PowerPoint.
  3. Démarrer le diaporama dans Microsoft PowerPoint et projeter une image. Placer le porte-échantillon dans le plan focal par réglage de la position verticale à l'aide attsouffrait scène.
  4. Passez à une "factice" image en noir afin qu'il n'y aura pas de polymérisation indésirable tout en mettant solution de prépolymère.
  5. Verser la solution de prépolymère bain de résine. Remplir le bain jusqu'à ce que la solution couvre légèrement le porte-échantillon. Maintenant, il est prêt pour l'objet 3D impression.
  6. Basculer sur la diapositive contenant la première image en section transversale du tube de gel pour polymériser la première couche. Gardez projeter l'image pendant 8 secondes et revenir au "blackout" slide.
  7. Tournez le bouton sur la scène linéaire par ¼ de tour (~ 160 um) pour abaisser le porte-échantillon. Maintenant résine fraîche coule pour couvrir la couche polymérisée premier.
  8. Projeter l'image en coupe à nouveau pour polymériser la seconde couche au-dessus de l'instance une. Répéter les étapes 3.6 à 3.8 jusqu'à ce que le tube de gel de la hauteur désirée est fabriqué.
  9. Une fois que toutes les couches sont complètes, soulever le porte-échantillon de la solution de prépolymère, et récupérer l'échantillon fabriqué avec soin à l'aide d'un rasoir blade.
  10. Rincer l'échantillon dans l'acétone pendant environ 3 heures, puis laisser sécher pendant ~ 1 heure.

4. Gonflement expérimental pour la Formation de Structures prescrits par l'instabilité élastique

  1. Préparez de l'eau-huile liquide à double couche dans un plat en verre transparent.
  2. Fixer l'échantillon sec sur un porte-échantillon en utilisant la super glue.
  3. Retourner le support d'échantillon de sorte que l'échantillon est à l'envers. Immerger l'échantillon dans le bain de liquide eau-huile. Approcher l'échantillon à l'interface eau-huile à partir de la couche d'huile. L'échantillon commence à gonfler lorsque l'échantillon en contact avec la surface de l'eau alors que le substrat de base de la pièce sur laquelle le tube de gel a été fixé séjourné dans la couche huileuse supérieure. De cette façon, l'eau peut diffuser dans la paroi du tube permettant à l'échantillon gonfler avant que la base de contrainte se détend en mouillant. Surveiller le changement de modèle que les houles du tube de gel en utilisant un appareil photo numérique.

Results

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Un système simple PμSL l'aide d'un hors-the-shelf de données numériques projecteur est illustré à la figure 1. Une lentille convexe ayant une longueur focale de 75 mm concentre le faisceau d'éclairage dans la zone de petit 2 cm sur 2 cm. Résultant dans le plan-résolution optique est d'environ 45 um. Résolution verticale est déterminée par le niveau de précision de la platine de translation. Épaisseur de la couche des structures faites pour cette étude est de 160 um. Chaque couche a été polymérisé pendant 8 sec éclairement lumineux. Une structure 3D représentant fabriquée par le système est représenté sur la figure 1D. Ces objets se compose de 58 couches de PEGDA.

Nous avons préparé photodurcissable hydrogel PEGDA. Réticulation faible, gonflement donc important, d'hydrogel PEGDA a été obtenue en ajoutant non-réticulation PEG dans la solution de prépolymère. Sens de la longueur du rapport de gonflement de l'hydrogel ainsi obtenu est PEGDA 1,5, ce qui correspond à une expansion volumétrique supérieure à 300%.

> Une série de tubes d'hydrogel PEGDA ont été conçus et fabriqués sur la base de nos 12 théorie. Nous avons placé un échantillon à l'envers et mettre dans le bain avec de l'eau recouvert d'une couche d'huile sur le dessus, comme illustré dans la figure 2A. Selon les paramètres dimensionnels, des tubes circulaires soit demeurée stable ou a transformé en un motif ondulé comme le montre la figure 2B. La grande variété de gonflement modèle de différents échantillons a été capturée par un appareil photo numérique et présenté sur la figure 3A.

figure-results-1
Figure 1. Une projection bureau micro-stéréolithographie système (a) Représentation schématique (b) le système réel (c) vue en gros plan de composants (d) représentatives des structures 3D. Cliquez ici pour agrandir la figure .

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Figure 2. (A) Montage expérimental pour tube d'hydrogel gonflant (b) Tube d'hydrogel contrainte se transforme en différents modèles. La barre d'échelle indique 5 mm.

figure-results-3
Figure 3. (A) Structure formée par un gonflement expérience. L'axe vertical indique t / h (donc la stabilité), et l'axe horizontal indique h / D (donc flambage). La barre d'échelle indique 5 mm. (B) Flambage ne ​​dépend que de h / D. Résultat expérimental est en bon accord avec la prédiction théorique. Cliquez ici pour agrandir la figure .

Exemple </ Strong> D (pm) t (pm) h (um)
Je Je 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 Je 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 Je 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 Je 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

Dimensions de la table exemples 1. Mesurée au microscope optique. Erreurs indiquent l'incertitude de mesure.

Discussion

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

Un gonflement de l'hydrogel tubulaire contrainte sur le substrat, la stabilité ne dépend que de t / h et flambage ne ​​dépend que de h / D 12. Quatre groupes d'échantillons (I-IV) avec différents niveaux d'épaisseur normalisée t / h ont été fabriqués avec le groupe I étant plus épaisse et le groupe IV étant plus mince. Chaque groupe se compose de quatre échantillons (i-iv) avec différents niveaux de hauteur normalisée h / D, avec l'échantillon i étant plus courte et l'échantillon iv être plus grand. Dimensions des échantillons fabriqués sont présentés dans le tableau 1. Groupe I et II sont conçus pour rester stables pendant le gonflement, tandis que le groupe III et IV sont conçus pour se déformer et transformer lors du gonflement. Pour les échantillons de flambage, Buckling mode devrait diminuer avec la hauteur de l'échantillon. figure 3A montre les résultats expérimentaux. En théorie prédit, les échantillons du groupe I et II sont restées stables et sont restés circulaire sur le gonflement, tandis que les échantillons du groupe III et IV sont tous passés par l'instabilité élastique et bouclée. En outre, les échantillons avec la même h / D affiché similaire mode de flambement. Figure 3B compare observés expérimentalement modes de flambement d'échantillons dans le groupe III et IV de prédiction théorique. Nous pouvons voir que les échantillons avec la même h / D présentent le même post-flambage tendances, indépendamment de l'épaisseur et que les résultats expérimentaux sont en bon accord avec la théorie.

Nous présentons comment mettre en place un système de bureau 3D simple d'impression utilisant une disponible dans le commerce numérique du projecteur de données. L'approche proposée repose sur photodurcissement de polymère à construct structures 3D, et par conséquent, tous les polymères photodurcissables peuvent être également utilisés en général, dans la mesure où le photo-initiateur a une absorbance dans la gamme de longueur d'onde appropriée visible. Notez que de nombreux photoinitiateurs disponibles dans le commerce sont conçus pour les ultra-violets (UV) des longueurs d'onde, mais le photo-initiateur utilisé ici a une absorbance relativement plus élevé aux longueurs d'onde supérieures à 400 nm. Offrant un moyen facile et rapide pour fabriquer des objets en 3D, cette méthode trouve de nombreuses applications dans divers domaines, y compris mécanique des matériaux souples comme démontré ici.

Disclosures

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

Aucun conflit d'intérêt déclaré.

Acknowledgements

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

Les auteurs tiennent à remercier Joseph et Matthew Muskin Ragusa à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign pour fournir des images en coupe des structures 3D montrées dans la figure 1D.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Nom du réactif Entreprise Numéro de catalogue Commentaires (optionnel)
Poly (éthylène glycol) diacrylate Sigma-Aldrich 437441 Mw ~ 575
Poly (éthylène glycol) Sigma-Aldrich P3015 Mw ~ 200
phénylbis (2,4,6-triméthylbenzoyl) phosphine Sigma-Aldrich 511447 Photo-initiateur
Soudan I Sigma-Aldrich 103624 Photo-absorbeur
Les données numériques projecteur Viewsonic PJD6221
Lentille convexe Thorlabs LA1145 f = 75,0 mm
Mirrou 4 "tranche de silicium
Stade Manuel Velmex A2506DE-S2.5

References

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