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

L’objectif général de la vidéo suivante est de démontrer la construction d’un outil simple de microfabrication de gel 3D et son utilisation dans la transformation de motifs de tubes de gel gonflés par instabilité élastique. Une micro-imprimante 3D simple est construite à l’aide d’un projecteur de données numérique standard afin de fabriquer des échantillons de gel tubulaires de différentes dimensions. La fabrication des échantillons de gel tubulaire est réalisée en projetant une image conçue sur le porte-échantillon, qui est immergé dans un bain de résine, contenant une solution prépolymère avec photo-initiateur et photo-absorbeur.

Une fois qu’une couche est formée par photopolymérisation, le porte-échantillon tombe et la couche suivante est fabriquée par-dessus la précédente. De cette façon, un échantillon 3D est fabriqué couche par couche. Ensuite, chaque échantillon est mis en contact avec de l’eau afin de déclencher la transformation de forme par instabilité élastique induite par le gonflement.

Les résultats montrent que les tubes circulaires se transforment en divers motifs ondulés avec des nombres d’onde différents en fonction de la géométrie du gel de flambage. Le principal avantage de cette technique de fabrication par rapport aux méthodes existantes comme la photothérapie est qu’elle offre un outil de microfabrication 3D rapide pour les matériaux mous tels que les gels. En conséquence, diverses géométries intéressantes à trois fouilles qui sont difficiles à réaliser peuvent maintenant être facilement transformées en objets physiques pour l’étude expérimentale.

Pour commencer cette procédure, préparez la solution de prépolymère contenant le photo-initiateur et le photoabsorbeur comme décrit dans le protocole écrit. Une fois la solution préparée, placez un projecteur de données numériques dans une position plate et stable et connectez-le à un ordinateur sur lequel Microsoft PowerPoint est installé. Placez une lentille convexe juste devant la lentille de sortie du faisceau du projecteur numérique.

Choisissez un objectif convexe pour que le plan focal soit à environ 10 centimètres du projecteur. La résolution optique devient plus petite pour un objectif avec une distance focale plus courte, mais il faut réserver un peu d’espace pour les composants optiques. Placez un miroir après la lentille convexe sur la trajectoire du faisceau à un angle de 45 degrés pour diriger le faisceau vers le bas.

Placez ensuite un porte-échantillon dans le plan focal du faisceau projeté. Le porte-échantillon doit être fixé à une platine linéaire par laquelle la position verticale du porte-échantillon est contrôlée. Enfin, placez un bain de résine sous le porte-échantillon pour concevoir le projet de tubes de gel, une image avec des numéros de pixel connus sur le porte-échantillon pour mesurer le rapport de conversion d’un pixel à la longueur physique.

Dans ce cas particulier, une image de 135 pixels mesurait 5,8 millimètres, ce qui correspond à 43 microns par pixel. Sur la base de ces informations, convertissez les dimensions physiques du tube de gel pour fabriquer le diamètre, l’épaisseur et la hauteur de la paroi en pixels. Ensuite, dessinez des images en coupe transversale pour le tube de gel.

Les images doivent être en blanc avec un fond noir. Insérez ces images dans des diapositives Microsoft PowerPoint. Lancez le diaporama dans Microsoft PowerPoint et projetez n’importe quelle image.

Placez le porte-échantillon dans le plan focal en ajustant la position verticale à l’aide de l’interrupteur de platine attaché à une image noire factice afin qu’il n’y ait pas de polymérisation indésirable lors de l’ajout de la solution de prépolymère. Versez la solution de prépolymère dans le bain de résine. Remplissez le bain jusqu’à ce que la solution recouvre légèrement le porte-échantillon à l’aide d’une pipette.

Il est maintenant prêt à imprimer l’objet 3D. Passez à la lame contenant la première image en coupe transversale du tube de gel pour polymériser la première couche. Continuez à projeter l’image pendant huit secondes, puis revenez à une diapositive d’interdiction.

Tournez le bouton sur la platine linéaire d’un quart de tour d’environ 160 microns pour abaisser le porte-échantillon. Maintenant, de la résine fraîche s’écoule pour couvrir la première couche polymérisée au cas où la résine liquide serait trop visqueuse pour s’écouler. Déplacez l’étage plus bas pour immerger complètement la couche fabriquée dans la résine et replacez l’étage à 160 microns sous la surface.

Projetez à nouveau l’image en coupe transversale pour polymériser la deuxième couche par-dessus la précédente. Répétez ce processus jusqu’à ce que le tube de gel de la hauteur souhaitée soit fabriqué. Une fois toutes les couches terminées, soulevez le porte-échantillon de la solution de prépolymère et récupérez l’échantillon fabriqué.

À l’aide d’une lame de rasoir, rincez l’échantillon à l’acétone pendant environ trois heures, puis laissez-le sécher pendant environ une heure. Pour réaliser une expérience de gonflement, préparez un liquide à double couche d’huile d’eau dans une boîte de Pétri transparente. Localisez l’interface eau-huile dans le plan focal de la caméra En ajustant la position de la boîte de Pétri, fixez l’échantillon sec sur un porte-échantillon à l’aide de super colle.

Retournez le porte-échantillon de manière à ce qu’il soit à l’envers. Immergez l’échantillon dans le bain d’eau, d’huile et de liquide. Approchez l’échantillon de l’interface eau-huile de la couche d’huile.

L’échantillon commence à gonfler lorsqu’il touche la surface de l’eau, tandis que le substrat de base sur lequel le tube de gel est fixé reste dans la couche supérieure d’huile. De cette façon, l’eau peut se diffuser dans la paroi du tube, ce qui permet à l’échantillon de gonfler avant que la base contraignante ne se détende par voie humide. Procédez à la surveillance du changement de motif à mesure que le tube de gel gonfle.

À l’aide d’un appareil photo numérique, un système simple de micro-stéréolithographie de projection utilisant un projecteur de données numériques standard est présenté ici. Une lentille convexe avec une distance focale de 75 millimètres concentre le faisceau dans une petite zone d’éclairage de deux centimètres sur deux centimètres, ce qui donne une résolution optique d’environ 45 microns. La résolution verticale est déterminée par le niveau de précision de la couche de platine linéaire.

L’épaisseur des structures réalisées pour cette étude est de 160 microns. Chaque couche a été polymérisée avec un éclairage lumineux de huit secondes. Une structure 3D représentative fabriquée par le système est montrée.

Cet objet se compose de 58 couches de peg da. Un ensemble de tubes d’hydrogel photodurcissables a été conçu et fabriqué pour obtenir une faible réticulation et donc un gonflement important comme décrit dans le protocole écrit, un échantillon a été placé à l’envers dans un bain d’eau et d’huile. Comme le montre la vidéo, en fonction des paramètres dimensionnels, les tubes circulaires sont restés stables ou se sont transformés en un motif ondulé.

La dimension du tube de gel détermine le nombre de vagues qui émergent pendant le gonflement. La grande variété de motifs de gonflement de différents échantillons a été capturée par un appareil photo numérique. L’axe vertical indique la stabilité en termes d’épaisseur sur la hauteur ou de T sur H, et l’axe horizontal indique le mode de flambement en tant que hauteur sur le diamètre, ou H sur D. Les chiffres blancs indiquent le numéro du mode de flambement, qui est le nombre d’ondes le long de la circonférence, comme indiqué ici.

Le mode de flambement des échantillons instables ne dépend que de la HD, où le résultat expérimental s’accorde bien avec la prédiction théorique. Nous utilisons cette méthode dans cette vidéo comme un outil expérimental utile pour la mécanique des matériaux mous, mais nous trouverons également de nombreuses applications dans d’autres domaines de la science et de l’ingénierie, notamment la robotique douce et le génie biomédical. De plus, c’est très simple et abordable.

N’importe qui peut construire sa propre micro imprimante 3D en laboratoire en suivant le protocole présenté dans cette vidéo.