Name: Micro 3D Impression à laide dun projecteur numérique et son application dans létude de la mécanique des matériaux souples (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 24 s
Description: Découvrez la micro-impression 3D à l'aide d'un projecteur numérique pour étudier la mécanique des matériaux souples. Cette méthode permet de fabriquer rapidement des tubes de gel et d'observer leur transformation par instabilité élastique.

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Les auteurs tiennent à remercier Joseph et Matthew Muskin Ragusa à l&#39;Université de l&#39;Illinois à Urbana-Champaign pour fournir des images en coupe des structures 3D montrées dans la figure 1D.

1. Préparation de la solution prépolymère <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Ajouter à 0,05% en poids. photo-absorption (Soudan I, Sigma-Aldrich). </li><li> Mélanger la solution pendant 24 heures à température ambiante en utilisant un agitateur magnétique. </li></ol> 2. Configuration d&#39;une imprimante de bureau 3D numérique utilisant un projecteur de données <ol><li> Placez un projecteur de données numériques sur une position plane et stable, et le connecter à un ordinateur avec Microsoft PowerPoint installé. </li><li> 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&#39;environ 10 cm de la proprojecteur. (Résolution optique devient plus petit pour une lentille à focale plus courte, mais il faut réserver de l&#39;espace pour les composants optiques.) </li><li> Placer un miroir après la lentille convexe sur le trajet du faisceau à 45 ° d&#39;angle pour diriger le faisceau vers le bas. </li><li> 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&#39;échantillon est contrôlée. </li><li> Placer un bain de résine sous le porte-échantillon. </li></ol> 3. Conception et fabrication de tubes de gel <ol><li> Déterminer diamètre, épaisseur de paroi, et la hauteur du tube de gel à fabriquer. </li><li> Dessiner des images en coupe du tube de gel. Les images doivent être en blanc sur fond noir. Insérez l&#39;image dans ces diapositives Microsoft PowerPoint. </li><li> 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&#39;aide attsouffrait scène. </li><li> Passez à une &quot;factice&quot; image en noir afin qu&#39;il n&#39;y aura pas de polymérisation indésirable tout en mettant solution de prépolymère. </li><li> Verser la solution de prépolymère bain de résine. Remplir le bain jusqu&#39;à ce que la solution couvre légèrement le porte-échantillon. Maintenant, il est prêt pour l&#39;objet 3D impression. </li><li> Basculer sur la diapositive contenant la première image en section transversale du tube de gel pour polymériser la première couche. Gardez projeter l&#39;image pendant 8 secondes et revenir au &quot;blackout&quot; slide. </li><li> 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. </li><li> Projeter l&#39;image en coupe à nouveau pour polymériser la seconde couche au-dessus de l&#39;instance une. Répéter les étapes 3.6 à 3.8 jusqu&#39;à ce que le tube de gel de la hauteur désirée est fabriqué. </li><li> Une fois que toutes les couches sont complètes, soulever le porte-échantillon de la solution de prépolymère, et récupérer l&#39;échantillon fabriqué avec soin à l&#39;aide d&#39;un rasoir blade. </li><li> Rincer l&#39;échantillon dans l&#39;acétone pendant environ 3 heures, puis laisser sécher pendant ~ 1 heure. </li></ol> 4. Gonflement expérimental pour la Formation de Structures prescrits par l&#39;instabilité élastique <ol><li> Préparez de l&#39;eau-huile liquide à double couche dans un plat en verre transparent. </li><li> Fixer l&#39;échantillon sec sur un porte-échantillon en utilisant la super glue. </li><li> Retourner le support d&#39;échantillon de sorte que l&#39;échantillon est à l&#39;envers. Immerger l&#39;échantillon dans le bain de liquide eau-huile. Approcher l&#39;échantillon à l&#39;interface eau-huile à partir de la couche d&#39;huile. L&#39;échantillon commence à gonfler lorsque l&#39;échantillon en contact avec la surface de l&#39;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&#39;eau peut diffuser dans la paroi du tube permettant à l&#39;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. </li></ol>

<ol><li>Timoshenko, S. P., Gere, J. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTimoshenko%2C+SP+%22Theory+of+Elastic+Stability%22">Theory of Elastic Stability</a>. , McGraw-Hill. (1961).</li>
<li>Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leaves+Flowers+and+Garbage+Bags%3A+Making+Waves%5BTitle%5D)+AND+%22American+Scientist%22%5BJournal%5D)">Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves.</a> American Scientist. 92, 254-261 (2004).</li>
<li>Kücken, M., Newell, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fingerprint+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Theoretical+Biology%22%5BJournal%5D)">Fingerprint formation.</a> Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).</li>
<li>Liang, H., Mahadevan, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+shape+of+a+long+leaf%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The shape of a long leaf.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).</li>
<li>Bayer, S. A., Altman, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBayer%2C+SA+%22The+human+brain+during+the+second+trimester%22">The human brain during the second trimester</a>. , Taylor & Francis. (2005).</li>
<li>Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creasing+instability+of+surface-attached+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Creasing instability of surface-attached hydrogels.</a> Soft Matter. 4, 564(2008).</li>
<li>Breid, D., Crosby, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+stress+state+on+wrinkle+morphology%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Effect of stress state on wrinkle morphology.</a> Soft Matter. 7, 4490(2011).</li>
<li>Mora, T., Boudaoud, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Buckling+of+swelling+gels%5BTitle%5D)+AND+%22The+European+Physical+Journal+E%22%5BJournal%5D)">Buckling of swelling gels.</a> The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).</li>
<li>DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Swelling-induced+instabilities+in+microscale%2C+surface-confined+poly%28N-isopropylacryamide%29+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels.</a> Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).</li>
<li>Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+Transition+in+Artificial+Tumors%3A+From+Smooth+Buckles+to+Singular+Creases%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases.</a> Physical Review Letters. 107, 018103(2011).</li>
<li>Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+Pattern+Instability+and+Shape-Memory+Hysteresis+for+Phononic+Switching%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching.</a> Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).</li>
<li>Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prescribed+Pattern+Transformation+in+Swelling+Gel+Tubes+by+Elastic+Instability%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability.</a> Physical Review Letters. 108, 214304(2012).</li>
<li>Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Projection+micro-stereolithography+using+digital+micro-mirror+dynamic+mask%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).</li>
<li>Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Printing+Using+a+Photoinitiated+Polymer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer.</a> Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).</li>
</ol>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Un gonflement de l&#39;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&#39;échantillons (I-IV) avec différents niveaux d&#39;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&#39;échantillon i étant plus courte et l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;impression utilisant une disponible dans le commerce numérique du projecteur de données. L&#39;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&#39;onde appropriée visible. Notez que de nombreux photoinitiateurs disponibles dans le commerce sont conçus pour les ultra-violets (UV) des longueurs d&#39;onde, mais le photo-initiateur utilisé ici a une absorbance relativement plus élevé aux longueurs d&#39;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.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom du réactif </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires (optionnel) </td></tr><tr><td> Poly (éthylène glycol) diacrylate </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 437441 </td><td> Mw ~ 575 </td></tr><tr><td> Poly (éthylène glycol) </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> P3015 </td><td> Mw ~ 200 </td></tr><tr><td> phénylbis (2,4,6-triméthylbenzoyl) phosphine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 511447 </td><td> Photo-initiateur </td></tr><tr><td> Soudan I </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 103624 </td><td> Photo-absorbeur </td></tr><tr><td> Les données numériques projecteur </td><td> Viewsonic </td><td> PJD6221 </td><td></td></tr><tr><td> Lentille convexe </td><td> Thorlabs </td><td> LA1145 </td><td> f = 75,0 mm </td></tr><tr><td> Mirrou </td><td></td><td></td><td> 4 &quot;tranche de silicium </td></tr><tr><td> Stade Manuel </td><td> Velmex </td><td> A2506DE-S2.5 </td><td></td></tr></tbody></table>

micro 3d impression à l&#39;aide d&#39;un projecteur numérique et son application dans l&#39;étude de la mécanique des matériaux souples

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Flambage est un sujet classique en mécanique. Bien que le flambage a été longuement étudié comme l&#39;un des principaux modes de défaillance structurale 1, il a récemment attiré l&#39;attention nouvelle que d&#39;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&#39;une force externe 6-10. Récemment, nous avons rapporté la démonstration d&#39;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&#39;aide d&#39;un commerce numérique du projecteur de données pour étudier l&#39;enflure provoquée par l&#39;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&#39;une lentille convexe et d&#39;un miroir 14. Transversales images extraites d&#39;un modèle 3D est projeté sur la surface de résine photosensible à la suite, la polymérisation d&#39;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&#39;étude de la mécanique des matériaux souples en offrant une excellente occasion d&#39;explorer différentes géométries 3D. Nous utilisons ce système pour fabricate structure tubulaire en forme d&#39;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&#39;expérience montre que la circonférence de flambage en mode souhaité peut être créée d&#39;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&#39;autres domaines émergents tels que matamaterials accordables.

Un système simple PμSL l&#39;aide d&#39;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&#39;éclairage dans la zone de petit 2 cm sur 2 cm. Résultant dans le plan-résolution optique est d&#39;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&#39;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&#39;hydrogel ainsi obtenu est PEGDA 1,5, ce qui correspond à une expansion volumétrique supérieure à 300%. &gt; Une série de tubes d&#39;hydrogel PEGDA ont été conçus et fabriqués sur la base de nos 12 théorie. Nous avons placé un échantillon à l&#39;envers et mettre dans le bain avec de l&#39;eau recouvert d&#39;une couche d&#39;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. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig1.jpg" /> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig1large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . tente &quot;fo: keep-together.within pages =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig2.jpg" /> Figure 2. (A) Montage expérimental pour tube d&#39;hydrogel gonflant (b) Tube d&#39;hydrogel contrainte se transforme en différents modèles. La barre d&#39;échelle indique 5 mm. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig3.jpg" /> Figure 3. (A) Structure formée par un gonflement expérience. L&#39;axe vertical indique t / h (donc la stabilité), et l&#39;axe horizontal indique h / D (donc flambage). La barre d&#39;échelle indique 5 mm. (B) Flambage ne ​​dépend que de h / D. Résultat expérimental est en bon accord avec la prédiction théorique. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig3large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . <table border="1"><tbody><tr><td colspan="2"> Exemple &lt;/ Strong&gt; </td><td> D (pm) </td><td> t (pm) </td><td> h (um) </td></tr><tr><td rowspan="4"> Je </td><td> Je </td><td> 9300 ± 420 </td><td> 760 ± 40 </td><td> 840 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1040 ± 40 </td><td> 1060 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1210 ± 40 </td><td> 1340 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1660 ± 40 </td><td> 1680 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> II </td><td> Je </td><td> 9000 ± 420 </td><td> 480 ± 40 </td><td> 880 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 9000 ± 420 </td><td&gt; 660 ± 40 </td><td> 1060 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9500 ± 420 </td><td> 740 ± 40 </td><td> 1350 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9200 ± 420 </td><td> 970 ± 40 </td><td> 1650 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> III </td><td> Je </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 160 ± 40 </td><td> 790 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 300 ± 40 </td><td> 1020 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9100 ± 420 </td><td> 380 ± 40 </td><td> 1330 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9000 ± 420 </td><td> 490 ± 40 </td><td> 1630 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> IV </td><td> Je </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 140 ± 40 </td><td> 780 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 8800 ± 420 </td><td> 190 ± 40 </td><td> 1010 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9300 ± 420 </td><td> 230 ± 40 </td><td> 1340 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 290 ± 40 </td><td> 1650 ± 40 </td></tr></tbody></table> Dimensions de la table exemples 1. Mesurée au microscope optique. Erreurs indiquent l&#39;incertitude de mesure.

Nous démontrons la transformation du modèle contrôlé tubes de gel de gonflement par l&#39;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&#39;hydrogel sous contrainte mécanique afficher différents modes de flambement périphériques en fonction de la dimension.

Micro 3D Impression à l&#39;aide d&#39;un projecteur numérique et son application dans l&#39;étude de la mécanique des matériaux souples

Le flambage est un sujet classique de la mécanique. Bien que le flambage ait été longuement étudié en tant que l'un des principaux modes de défaillance structurelle1, il a récemment suscité un nouvel ...

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 grand public 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.Ensuite, placer un porte-échantillon dans le 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, placer un bain de résine sous le porte-échantillon pour concevoir les tubes de gel. Projeter 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 de gel de la hauteur souhaitée soit fabriqué. Une fois toutes les couches terminées, retirez le porte-échantillon de la solution prépolymère 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 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 en une petite zone d'illumination de deux centimètres sur deux centimètres, ce qui donne une résolution optique plane 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 réalisées 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 gonflure. La grande variété de motifs de gonflure de différents échantillons a été capturée par une caméra numérique. L'axe vertical indique la stabilité sous la forme de l'épaisseur sur la hauteur, ou T sur H, et l'axe horizontal indique le mode de flambage sous la forme de la hauteur sur le 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 concorde 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 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.

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