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 gels en 3D et son utilisation pour la transformation de motifs dans des tubes de gel gonflables par instabilité élastique. Une imprimante micro 3D simple est réalisée à l'aide d'un projecteur numérique standard afin de fabriquer des échantillons de gels tubulaires de différentes dimensions. La fabrication des échantillons de gels tubulaires s'effectue en projetant une image conçue sur le porte-échantillon, immergé dans un bain de résine contenant une solution de prépolymère avec un photoinitiateur et un photoabsorbant.

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

Les résultats montrent que les tubes circulaires se transforment en divers motifs ondulés avec des nombres d'onde différents selon 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 tridimensionnelles intéressantes, difficiles à réaliser auparavant, peuvent désormais être facilement concrétisées sous forme d'objets physiques pour des études expérimentales.

Pour commencer cette procédure, préparez la solution prépolymère contenant l'initiateur photochimique et l'absorbeur photochimique comme décrit dans le protocole écrit. Après la préparation de la solution, placez un projecteur numérique dans une position plane et stable, puis connectez-le à un ordinateur équipé de Microsoft PowerPoint. Placez une lentille convexe juste devant la lentille de sortie du faisceau du projecteur numérique.

Choisissez une lentille convexe afin que le plan focal se situe à environ 10 centimètres du projecteur. La résolution optique diminue avec une lentille de courte distance focale, mais il est nécessaire de prévoir un espace pour les composants optiques. Placez un miroir après la lentille convexe sur le trajet du faisceau, à un angle de 45 degrés, afin de diriger le faisceau verticalement vers le bas.

Placez ensuite un porte-échantillon au plan focal du faisceau projeté. Le porte-échantillon doit être fixé à une platine linéaire permettant de contrôler la position verticale du porte-échantillon. Enfin, placez un bac à résine sous le porte-échantillon pour concevoir les tubes de gel. Projetez une image de dimensions connues en nombre de pixels sur le porte-échantillon afin de mesurer le rapport de conversion entre un pixel et une longueur physique.

Dans ce cas particulier, une image de 135 pixels mesurait 5,8 millimètres, ce qui correspond à 43 micromètres par pixel. À partir de ces informations, convertir les dimensions physiques du tube en gel à fabriquer — diamètre, épaisseur de la paroi et hauteur — en pixels. Ensuite, dessiner des images en coupe transversale du tube en gel.

Les images doivent être en blanc sur fond noir. Insérez ces images dans des diapositives Microsoft PowerPoint. Lancez la présentation dans Microsoft PowerPoint et projetez n'importe quelle image.

Placer le porte-échantillon dans le plan focal en ajustant la position verticale à l’aide du commutateur de la platine jusqu’à obtenir une image noire factice, afin d’éviter toute polymérisation indésirable lors de l’ajout de la solution prépolymère. Verser la solution prépolymère dans le bac à résine. Remplir le bac 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 diapositive 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 noire.

Effectuez un quart de tour sur le bouton du palier linéaire d'environ 160 microns pour abaisser le porte-échantillon. À présent, de la résine fraîche s'écoule pour recouvrir la première couche polymérisée, au cas où la résine liquide serait trop visqueuse pour s'écouler. Abaissez davantage le palier afin d'immerger complètement la couche fabriquée dans la résine, puis replacez le palier à 160 microns sous la surface.

Projetez à nouveau l'image en coupe transversale afin de polymériser la deuxième couche sur la précédente. Répétez ce processus jusqu'à ce que le tube en gel de la hauteur souhaitée soit fabriqué. Une fois toutes les couches terminées, retirez le porte-échantillon de la solution pré-polymère et récupérez l'échantillon fabriqué.

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

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

L'échantillon commence à gonfler lorsque celui-ci entre en contact avec la surface de l'eau, tandis que le substrat de base auquel le tube en gel est fixé reste dans la couche supérieure d'huile. De cette manière, l'eau peut diffuser à travers la paroi du tube, permettant à l'échantillon de gonfler avant que le substrat de base, qui exerce une contrainte, ne se relâche par hydratation. Procédez ensuite à la surveillance de l'évolution du motif à mesure que le tube en gel gonfle.

À l'aide d'une caméra numérique, un système simple de micro-stéréolithographie par projection utilisant un projecteur numérique grand public est présenté ici. Une lentille convexe d'une distance focale de 75 millimètres concentre le faisceau sur une petite zone d'illumination 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 la platine linéaire.

L'épaisseur des structures fabriquées pour cette étude est de 160 microns. Chaque couche a été polymérisée par une illumination lumineuse de huit secondes. Une structure 3D représentative fabriquée par le système est présentée.

Cet objet est constitué de 58 couches de peg da. Un ensemble de tubes en hydrogel de peg da durcissables à la lumière a été conçu et fabriqué afin d'obtenir une faible réticulation et, par conséquent, une forte gonflement, comme décrit dans le protocole écrit ; un échantillon a été placé à l'envers dans un bain eau-huile. Comme le montre la vidéo, selon les 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 d'ondes apparaissant lors de la gonflement. La grande variété de motifs de gonflement de différents échantillons a été capturée par une caméra numérique. L'axe vertical indique la stabilité en tant qu'épaisseur sur hauteur, ou T sur H, et l'axe horizontal indique le mode de flambage en tant que hauteur sur diamètre, ou H sur D. Les chiffres blancs indiquent le numéro du mode de flambage, qui correspond au nombre d'ondes le long de la circonférence, comme illustré ici.

Le mode de flambage des échantillons instables dépend uniquement de HD, où le résultat expérimental est en bon accord 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 souple et le génie biomédical. De plus, elle est très simple et abordable.

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