Name: Prescrit 3-D Direct Rédaction de Micron / Sous-micron Structures Échelle de fibres en suspension par lintermédiaire dun système de distribution robotique (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Découvrez la fabrication de fibres polymères suspendues à l'échelle micron et submicron par écriture directe 3D automatisée. Cette méthode robotisée offre un contrôle précis du diamètre et de l'orientation des fibres pour les biomatériaux.

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Ce travail est soutenu par la NSF-EPSCoR (subvention #0814194) et le Département de Bioingénierie.

<html> 1. Installation de l&#39;appareil <ol><li> Assemblez système de distribution et de le relier au contrôleur de valve et cylindre de la seringue à la source pneumatique, via un régulateur de pression, de mettre la pression à 15 psi pour distribuer la solution de polymère à partir de la pointe de l&#39;aiguille à un taux de 2,45 pi / min. </li><li> Insérez le robot à 3 axes et un système de distribution dans une enceinte thermique pour assurer un environnement de travail stable (Figure 2). </li><li> Installez le logiciel de points de contrôle mixte-Robot (JR-C Points) fournies par le fabricant du système et connectez-robot de 3 axes à un ordinateur via le port de communication série. </li><li> Monter la vanne de distribution de robots 3 axes et installer pointe de l&#39;aiguille sur la soupape. </li><li> Niveler le plateau de scène robotique selon les directives du fabricant pour assurer la planéité par rapport à la hauteur de la pointe de la vanne 15. </li><li> Assembler un chauffe asservi dans l&#39;enceinte d&#39;ajouter le contrôle de l&#39;environnement. </li></ol>contenu &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Figure 2. (A) 3-Axis distribution robot avec les accessoires nécessaires logés à l&#39;intérieur d&#39;une enceinte; et (B) close up image de la vanne de distribution avec joint microscope USB pour la visualisation. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> 2. Les matières expérimentales et facteurs contrôlant <ol><li> Facteurs et leur combinaison de contrôle. <ol><li> Vary taux nourrir de 1% de la vitesse (5 mm / s) à 100% (500 mm / sec), par le logiciel JR C-Points. Pour cette application, utiliser une vitesse de 2% (10 mm / sec) pour fabriquer le structures fibreuses présentés dans ce travail. </li><li> Varier la concentration de la solution de polymère pour obtenir la viscosité spécifique, la tension superficielle et les paramètres de volatilité requispour l&#39;application souhaitée. Pour cette application, utiliser un polyméthacrylate de méthyle de 24% (PMMA) dans une solution de chlorobenzène pour fabriquer les structures de fibres présentées dans cet ouvrage. </li><li> Variez le contrôle du temps vanne de distribution de 0,02 sec à 1 sec afin d&#39;éjecter solutions via l&#39;air pneumatique. Pour cette application, utilisez 0,02 sec pour fabriquer les structures de fibres présentées dans cet ouvrage. </li><li> Sélectionnez une taille de la jauge de pointes d&#39;aiguille de haute précision pour distribuer des solutions de polymères. Pour cette application, utiliser un 30 G (diamètre interne (ID) = 152,4 pm) pointe pour fabriquer les structures de fibres présentées dans cet ouvrage. </li><li> Définir la plage de température de fonctionnement comprise entre 70 ° F à 100 ° F dans la zone thermiquement isolée pour maintenir une vitesse d&#39;évaporation constante de l&#39;échantillon de polymère. Pour cette application, en utilisant une température de 70 ° F à fabriquer les structures de fibres dans le présent travail. </li></ol></li><li> Préparation des solutions de polymère. <ol><li> MélangerLes résines de polymère de polyméthacrylate de méthyle (PMMA; 0,72 g) avec le solvant chlorobenzène (2,28 g) sous une hotte à flux de produits chimiques. </li><li> Calculer le poids du polymère (PMMA) et de son solvant (chlorobenzène) pour obtenir la concentration souhaitée du polymère en solution. Pour cette application, en utilisant un polyméthacrylate de méthyle de 24% (PMMA) dans une solution chlorobenzène pour fabriquer les structures de fibres dans le présent travail. </li><li> Passer quantité souhaitée de poudre de polymère / résine dans le flacon de verre. Pour cette application, en utilisant 0,72 g de résine PMMA de parvenir à une concentration de 24% de PMMA. </li><li> Transfert solvant sur polymère à l&#39;intérieur du flacon avec une pipette jusqu&#39;à ce que le poids total de 3 g est atteint. </li><li> Mélanger le flacon pendant 1 min en utilisant un agitateur à vortex et les traiter par ultrasons pendant 5 heures pour dissoudre complètement la poudre de polymère / résine. </li><li> Vérifiez la transparence des solutions, si il ya un trouble ou d&#39;opacité de l&#39;échantillon continuent de soniquer jusqu&#39;à clair. </li></ol></li><li> la mesure de la viscosité des solutions de polymère. <ol><li> des viscosités en solution de mesure par l&#39;intermédiaire de cône et plaque (par exemple viscosimètre, LVDV-II + et RVDV-II +) 16. </li><li> Charge: 0,5 ml d&#39;échantillon standard viscosité connu (un mélange à base de glycérine et de l&#39;eau) fourni par le fabricant du viscosimètre pour calibrer le viscosimètre dans le but de réduire au minimum les erreurs dans les mesures de viscosité. Le fabricant a fourni une variété de types d&#39;échantillons pour calibrer le viscosimètre. Utiliser l&#39;échantillon standard à base de glycérine avec une viscosité de 100 000 cP. </li><li> Connecter chemise d&#39;eau de viscosimètre à maintenir le fluide d&#39;essai à une température de fonctionnement constante. </li><li> Lancer la mesure de fluide d&#39;essai en déplaçant l&#39;interrupteur On / Off sur la position Marche pour lancer la rotation de la broche. Une fois que la valeur du couple sur le panneau d&#39;affichage est stabilisée, enregistrer le couple et calculer les viscosités finales à l&#39;aide de la relation entre le couple, la broche multiplicateur constant et une vitesse de broche6 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> où est la viscosité, RPM représente la vitesse de la broche fixée au cône, TK est le couple (0,09373 pour LVDV-II +, une pour RVDV-II +), SMC est la constante de broche multiplicateur qui dépend de la broche spécifique utilisé au cours de la viscosité mesure. Pour cette étude, la broche CP-52 a été utilisé qui a une constante broche multiplicateur de 9,83. </li></ol></li><li> Mesure de la tension de surface des solutions de polymères. <ol><li> Méthode de mesure se réfère à la technique de Wilhelmy. 14 </li><li> Placer 1 ml de solutions de test dans un flacon de verre sur un équilibre à haute résolution (résolution de l&#39;échelle = 0,001 g). Tremper une baguette de verre d&#39;un diamètre connu dans les solutions d&#39;essai. </li><li> Contrôler la position de la tige par un servo ou pas commandé actionneur linéaire à toucher la surface et plongez partiellement dans les solutions de test avec un contact zéro. </li><li> Surveiller et enregistrer le changement de mesure de la masse sur la balance quandretirer la tige de la surface de solution. </li><li> Calculer la tension de surface par le changement de la force, le périmètre de l&#39;angle de la tige et de contact de fluide sur la tige. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> Où est le périmètre mouillé de la tige (l = 10,05 mm de diamètre = 3,2 mm), θ est l&#39;angle de liquide de contact sur ​​la tige, F est le changement de force en raison de la tension de surface du fluide d&#39;essai sur le bout de la tige. </li></ol></li><li> Mass mesure de coefficient de transfert de solutions. <ol><li> Mesurer les coefficients de transfert de masse de solutions de polymères par analyse thermogravimétrique. 14 </li><li> Charge 30 pi de la solution 24% (en poids) de polymère de PMMA sur une plaque de platine avant le tarage équilibre. </li><li> Purger la chambre, programmer le dispositif de fonctionner à température de fonctionnement souhaitée (70 ° F) pendant 2 heures pour surveiller masse de solutions ciblées. </li><li> Calculer les coefficients de transfert de masse par des changements dans la masse de la solution,domaine de la solution d&#39;interface / air et de la densité. <img alt="Équation 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> où m (t) est la masse de solution de PMMA, A est l&#39;aire de l&#39;interface solution / air (égal à 78,5 mm 2 pour plaque standard), mPOLYMER est la masse du polymère dans la solution et est la densité de la solution. </li></ol></li></ol> 3. Direct Write Expérience procédure <ol><li> Distribution échantillon du système de protocole de chargement. <ol><li> Charge 3 ml de solution de polymère dans le cylindre de seringue, place le piston dans le cylindre de seringue pour supprimer la distribution de pression pneumatique incompatible. </li><li> Vissez le connecteur de ligne d&#39;entrée sur le corps de la seringue, le connecter à la chambre à air de ligne de source. </li><li> Choisissez la taille de la jauge souhaitée de la pointe de l&#39;aiguille de précision pour effectuer expérience. </li><li> Sur le panneau de commande de distribution, passer à purger Etat et cliquez sur &quot;cycle&quot; bouton pour remplir la vanne de distribution avec un polymère afinlution jusqu&#39;à déchargé de la pointe de l&#39;aiguille. </li><li> Essuyez solution de polymère résiduel de l&#39;embout dans la préparation d&#39;une procédure d&#39;écriture de fibre programmé. </li></ol></li><li> Fibres polymères directs d&#39;écriture avec Robot 3 axes et système de distribution. <ol><li> Déterminer le stade de robot décalage pour repositionner la pointe de l&#39;aiguille de distribution de la position d&#39;accueil par défaut à la pointe de la micro / structure de la fibre sous-micron prescrite initiation à être tirée. Monter un microscope USB (grossissement de 200X =) sur le support de soupape de système de distribution, ce qui se traduit sur l&#39;axe-Z. Mise au point manuellement sur le bout du distributeur en ajustant le bouton de mise sur le microscope USB qui aide à positionner avec précision la pointe de la vanne à l&#39;endroit désiré, substrat préfabriqué ou d&#39;un dispositif. </li><li> Créer / concevoir le schéma de structure de fibres souhaitée (figures 3A, 4A et 5A) en utilisant un logiciel de CAO. Entrée des coordonnées spatiales (x, y, z) dans le robott JR-C logiciel pour contrôler tous les points d&#39;initiation et de terminaison dans un ordre séquentiel par rapport à la configuration souhaitée créée dans le programme de CAO (Figure 3B, 4B et 5B). 15 </li><li> Transférez le programme de conception de la structure de la fibre terminée depuis l&#39;ordinateur vers le robot en cliquant sur ​​&quot;Envoyer C &amp; T de données&quot; dans le menu de Robot dans le logiciel JR-C 15. </li><li> Charge 3 ml de solution PMMA échantillon de concentration connue (24%) dans le cylindre de seringue, vanne de purge et de l&#39;aiguille, régler tous les paramètres de dosage pour le contrôleur de valve et le robot logiciel de contrôle. </li><li> Placez substrat préfabriqué sur le plateau de scène de robot, fermer les portes de l&#39;enceinte thermique pour empêcher l&#39;écoulement de l&#39;air ambiant, ce qui peut induire l&#39;évaporation instable de la solution de polymère. </li><li> Commencez à écrire des fibres sur le substrat en cliquant sur ​​le menu de robot à partir du logiciel JR-C et en sélectionnant &quot;test en cours&quot; 15. </li><li> Manteau de pulvérisation cathodique à courant continu, une couche de métal conducteur de l&#39;or pendant 2 min jusqu&#39;à ce qu&#39;une couche d&#39;épaisseur de 2 nm d&#39;or est déposée sur les fibres étirées à permettre la visualisation des fibres dans le microscope électronique à balayage. </li><li> Mesurer le diamètre et la structure des fibres par un microscope électronique à balayage 17. paramètres de microscope: haut niveau de tension: 2.00 kV; Objectif: InLens, Distance de travail (9,0 mm). </li></ol></li><li> Effectuez la procédure de nettoyage du système de distribution sous une hotte à flux chimique. <ol><li> Placer le système de distribution dans une hotte à flux chimique pour effectuer la procédure de nettoyage. </li><li> Démonter soupape à pointeau selon le protocole du fabricant. </li><li> Placez toutes les pièces métalliques dans un bêcher, verser acétone dans le bêcher jusqu&#39;à ce que toutes les pièces sont immergées. </li><li> Placez bécher dans un bain à ultrasons pendant 30 min pour éliminer tous les restes polymères. </li><li> Rincer toutes les pièces sous l&#39;eau qui coule de DI, puis utilisez pistolet à air pour les sécher. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Figure 3. (A) Exemple de structure de web conçu &quot;quad&quot; sur un châssis de 10 mm x 10 mm, (B) des instructions séquentielles point-à-point de l&#39;espace pour être entrés dans le logiciel de point de JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.</a> <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Figure 4. (A) Exemple de structure de web conçu «symétrique» sur un châssis de 10 mm x 10 mm, (B) des instructions séquentielles spatiales point à point à entrer dans le logiciel de point de JR-C.blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Figure 5. (A) Exemple de structure conçue «double chevron&quot; Web sur un châssis de 10 mm x 10 mm, (B) des instructions spatiales séquentielles point à point à entrer dans le logiciel de point de JR-C. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a>

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Avant d&#39;effectuer chaque essai, il est essentiel que la viscosité, les coefficients de transfert de masse et la tension de surface essai de solutions de polymères être mesurée avec précision afin de déterminer si le robot et le système de distribution est capable de traiter le polymère souhaité. Comme décrit précédemment par notre groupe, les solutions de polymère doivent conserver adéquate: 1) la tension de surface pour permettre la formation de filaments liquides dans des structures / submicroniques microns; 2) la viscosité capillaire pour résister à briser; et, 3) taux d&#39;évaporation pour améliorer la solidification de la fibre 18. La synergie entre ces paramètres est la clé pour réussir à produire des fibres sur une gamme spécifiée de diamètres. Dans le même temps, l&#39;instabilité dans l&#39;un de ces paramètres empêche la formation de sous-micron / fibres à l&#39;échelle du micron. Afin de maintenir la synergie entre ces paramètres au cours de la fabrication de fibres, il est important de veiller à ce que l&#39;aiguille et la vanne à pointeau sont soigneusement nettoyés après une écriture directe session pour empêcher: 1) la contamination de la solution; 2) une diminution de la vitesse d&#39;écoulement de la solution de polymère à travers l&#39;aiguille; et, 3) la croissance excessive dans le bourrelet de polymère à la pointe de l&#39;aiguille. En outre, le contrôleur de la température sur l&#39;appareil de chauffage doit être réglée à la température désirée pour maintenir un débit constant d&#39;évaporation de la solution de polymère. Les fibres de ramification sont bifurquées 59%, 41% et 24% un diamètre supérieur à celui des structures de support des figures 6-8, respectivement, en utilisant la solution de PMMA de 24%. Cela est principalement dû à la distance à laquelle les fibres sont étirées. Plus précisément, les structures de soutien sont établis sur toute la largeur du substrat (10,0 mm dans les directions X et Y; 14,4 mm en diagonale). En conséquence, ce sont les fibres les plus longues de la structure globale en suspension. Les structures de ramification bifurquées sont significativement plus courte, allant de 7 mm de longueur maximum jusqu&#39;à 2,5 mm. Cette courte longueur de fibrage ne fait past induire efficacement la souche de fibre requis lors du processus d&#39;amincissement de la fibre afin de produire des fibres de petit diamètre. D&#39;autre part, les fils de plus grand diamètre sont tenus de servir les fibres de soutien afin de soutenir efficacement le tiraillement et la déformation induite pendant le processus de dessin de la branche fourchue. Alors que les branches de bifurcation sont tirées à travers les fibres de support, un remodelage de la géométrie de la fibre de support peut se produire en raison des forces d&#39;étirage, ainsi qu&#39;une dissolution localisée du polymère PMMA à l&#39;interface entre le support et les fibres ramifiées à partir du solvant présent dans le solution de polymère. Ainsi, dans certains cas, peuvent avoir besoin d&#39;être fabriqué à partir d&#39;une solution de polymère consistant en une concentration plus élevée de polymère pour produire des fibres de diamètre plus grand et plus solides mécaniquement les fibres de support. Il existe principalement trois méthodes efficaces pour modifier le protocole existant pour générer un plus large éventail de soutien et de fibre ramifiéediamètres: 1) dispenser d&#39;abord le polymère d&#39;une pointe à plus grande aiguille (par exemple, 25 g; ID = 254 um) pour générer les fibres de soutien et ensuite échanger contre une pointe plus petite aiguille (par exemple, 32 G; ID = 101,6 pm) à fabriquer les fibres plus petites ramifiés; 2) comme indiqué ci-dessus, utiliser des concentrations de polymères multiples; et / ou, 3) ajuster la vitesse d&#39;alimentation, à savoir la vitesse à laquelle l&#39;étape traverse, où l&#39;augmentation de la vitesse d&#39;alimentation produit des fibres de plus petit diamètre et en diminuant la vitesse d&#39;alimentation crée fibres de plus grand diamètre. À ce jour, nous avons été en mesure de fabriquer avec succès des fibres aussi petite que 90 nm; cependant, le rendement de la fibre à cette dimension est faible en raison de la rupture capillaire. Une limitation du procédé d&#39;écriture directe automatisée est que seulement une concentration de la solution de polymère peut être distribuée à la fois. Cela limite le niveau de complexité des structures suspendues être développé sans avoir à: 1) ajouter une deuxième vanne de distribution sur le robot;ou 2) enlever la vanne existante et effectuer le protocole de nettoyage (section 3.4) avant de distribuer la deuxième solution de polymère, qui prend du temps supplémentaire. Une deuxième limite est le taux d&#39;alimentation (ou la vitesse d&#39;impression), où le taux d&#39;alimentation maximale que le système est capable d&#39;atteindre est de 500 mm / sec. Cependant, il existe un compromis entre la vitesse d&#39;avance et la formation de fibres. Plus précisément, si les forces d&#39;inertie (forces dues à la vitesse d&#39;avance) sont plus grandes que les forces de tension de surface et débit de la solution de polymère de l&#39;évaporation, la formation de la fibre ne se produit pas. D&#39;autre part, si la vitesse d&#39;alimentation est trop faible, les fibres se fracture due à l&#39;évaporation excessive avant et pendant le processus d&#39;allongement. En troisième lieu, la structure de fibres et de dimensions sont limitées à la plage de fonctionnement de l&#39;étage du robot, soit, 200 mm, 200 mm et 25 mm (avec une précision de positionnement 10 pm) dans les directions x, y et z, respectivement. Néanmoins, ce processus ne permettre la formation de rapport d&#39;aspect élevé (fibre lONGUEUR: diamètre) des fibres. Stratégiquement varier la taille de la pointe de distribution et la concentration de la solution de polymère permettrait une plus large gamme de diamètre de la fibre, la création de la capacité à générer des structures suspendues librement de complexité plus élevé. En suivant les protocoles indiqués ci-dessus, des fibres polymères microns et diamètre submicronique peuvent être générés avec un niveau élevé de contrôle spatial en exploitant les surfaces mécanique des fluides entraîné tension-de solutions de polymère, qui ne peuvent être contrôlées avec d&#39;autres procédés humides, secs ou Électrofilage . De travail avant 8,19, nous savons que cette technique peut être utilisée pour fabriquer des complexes micro / submicroniques dispositifs fluidiques 19 et échafaudages transgéniques 8. Cette technique pas cher et facile a ses propres avantages par rapport aux méthodes traditionnelles de fabrication raboteuse à bien des égards.

Au cours des dernières décennies, une variété de techniques de fabrication, comme le filage humide, filage à sec et électrofilature, ont été employés pour créer de nouvelles structures en fibre de polymère avec des propriétés diverses et solides biologiques, chimiques, électriques et mécaniques 1-12. Bien que ces techniques de filature sont capables de générer des fibres en suspension en trois dimensions, ils sont limités dans leur capacité de contrôler avec précision l&#39;orientation des fibres en trois dimensions depuis le dépôt de fibres par ces procédés sont de nature aléatoire. En outre, ces techniques sont limitées dans leur gamme dimensionnelle pour la fabrication de fibres; spécifiquement, les fibres produites par un filage au mouillé et sec diamètre varie de quelques dizaines à quelques centaines de microns, tandis que électrofilature fibres de rendements avec des diamètres allant de quelques dizaines de nanomètres à un seul micron 13. Pour assurer un contrôle plus précis de l&#39;orientation des fibres dans l&#39;espace 3-D, notre groupe a développé une auto-assemble ou processus &quot;écriture directe&quot; fibre fabrication qui éjecte directement un matériau polymère sur un capillaire creux et pioche ensuite filaments individuels qui mince et se solidifient en diamètres de fibres prévisibles en exploitant surface mécanique des fluides entraîné tension-14. Notre système d&#39;écriture directe initiale pour augmenter le niveau de contrôle de la position de la fibre et le diamètre est composée d&#39;un système à ressort seringue de distribution fabriqué sur mesure fixé à la tête d&#39;une coutume fait ultra-haute microfraisage Precision Machine (figure 1). Le UHPMM avait une scène avec une résolution de positionnement de 1,25 nm dans les directions X et Y et 20 nm dans la direction Z qui a été commandé par programme pour créer micron et du sous-micron fils et structures échelle. Une limitation de ce système d&#39;écriture directe était notamment le manque de contrôle de débit de la solution de polymère à travers la pointe de l&#39;aiguille. Bien que le système de distribution de ressort généré avec succès flo constantew à travers la pointe, une perle sphérique en expansion continue de solution de polymère a été créée à la sortie de l&#39;embout de la seringue, qui varie en taille et en volume en fonction des conditions environnementales. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Figure 1. Image Ultra machine High Precision microfraisage:. Le premier système d&#39;écriture directe utilisée dans la fabrication de structures d&#39;échelle micron / submicroniques <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> L&#39;incompatibilité de cette source bourrelet impacté la capacité du système à plusieurs reprises pour fabriquer des fils d&#39;un diamètre prescrit. Quoique, les structures ont été générés avec succès en utilisant ce processus d&#39;écriture directe, l&#39;amélioration du processus en augmentant le contrôle de l&#39;écoulement de la solution de polymère permettrait plus Precisoi, prescrit des diamètres de fibres par la réglementation de la taille des billes à la pointe de la seringue. Ainsi, cet ouvrage décrit la mise en œuvre d&#39;un système de distribution automatisé 3 axes avec commande pneumatique valve de distribution de contrôler avec précision le débit de la solution de polymère et pointe bille taille pour créer des prescrite, micron structures suspendues / sous-micron.

<table><tbody><tr><td>ROBOT DR2203N 3 AXES 200MM X 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7023145</td><td>Robot</td></tr><tr><td>3 axes CONTRÔLEUR 7100, VANNE DE DISTRIBUTION</td><td>Nordson EFD</td><td>7015340</td><td>Contrôleur de vanne</td></tr><tr><td>MICRODOT Nordson</td><td>EFD</td><td>7021233</td><td>Vanne Microdot</td>ROBOT ACC PLAQUE</tr> DE <tr><td>FIXATION 200MM</td><td>Nordson EFD</td><td>7028276</td><td>Plateau de fixation</td></tr><tr><td>ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR</td><td>Nordson EFD</td><td>7023144</td><td>JR-C Software</td></tr><tr><td>ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL</td><td>Nordson EFD</td><td>7028273</td><td>Microdot Valve Mount</td></tr><tr><td>15 PSI BARREL PRESS. RÉGULATEUR</td><td>Nordson EFD</td><td>7020585</td><td>Barrel Regulator</td></tr><tr><td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td><td>Nordson EFD</td><td>7012096</td><td>5CC Barils avec pistons</td></tr><tr><td>ADAPTATEUR ASM O 5CC BL</td><td>Nordson EFD</td><td>7012054</td><td>Adaptateur de barillet</td></tr><tr><td>pneumatique TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td><td>Nordson EFD</td><td>7018424</td><td>30 gauge 30 Needle Tip (0.250" de longueur)</td></tr><tr><td>Plinthe chauffante électrique (500&nbsp ; W, 30" de longueur)</td><td>Cadet</td><td>2F500</td><td>Contrôleur</td></tr> de <tr><td>température de chauffage avec contrôle de minuterie</td><td>Contrôleur de température</td><td>130726596</td><td></td></tr><tr><td>eScope Microscope USB</td><td>OiTez</td><td>DP-M02</td><td>200X Microscope USB</td></tr><tr><td>Poly(méthacrylate de méthyle)</td><td>Aldrich</td><td>182265-500G</td><td>PMMA</td></tr><tr><td>Poudre Chlorobenzène</td><td>Sigma Aldrich</td><td>284513</td><td>Solvant pour dissoudre le PMMA</td></tr></tbody></table>

prescrit 3-d direct rédaction de micron / sous-micron structures Échelle de fibres en suspension par l&#39;intermédiaire d&#39;un système de distribution robotique

Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Un système de distribution à 3 axes est utilisé pour contrôler les positions et la trajectoire initiales et finales des fibres via le logiciel de distribution. La longueur et l’orientation de la fibre polymère sont définies par le positionnement spatial des étages 3 axes du système de distribution. Le diamètre de la fibre est défini par le temps de distribution prescrit de la vanne du système de distribution, la vitesse d’avance (la vitesse à laquelle l’étage passe d’une position d’amorçage à une position finale), le diamètre de référence de la pointe de distribution, la viscosité et la tension superficielle de la solution polymère et la longueur d’emboutissage programmée. La vitesse d’avance par étages affecte le taux d’évaporation de la solution polymère et la rupture capillaire des filaments. Le système de distribution se compose d’un contrôleur de vanne pneumatique, d’une vanne de distribution de gouttelettes et d’un embout de distribution. La caractérisation du processus d’écriture directe pour déterminer la combinaison optimale de facteurs permet d’acquérir à plusieurs reprises la plage souhaitée de diamètres de fibre. L’avantage de ce système de distribution robotisé est la facilité avec laquelle il est possible d’obtenir une gamme précise de fibres microns/submicroniques à l’endroit souhaité et programmé grâce à un contrôle automatisé du processus. Ici, les structures 3D auto-assemblées à l’échelle micron/submicronique ont été utilisées pour fabriquer des structures suspendues afin de créer des dispositifs fluidiques micron/submicron et des échafaudages bio-conçus.

Images des structures réelles produites par le robot à 3 axes et un procédé d&#39;écriture directe pour chacun des conceptions respectives et algorithmes JR C-point défini dans les figures 3-5A et B ci-dessus sont présentés dans les figures 6A, 7A et 8A. Comme on peut le voir dans les images obtenues, les fibres en trois dimensions, librement en suspension ont été avec succès &quot;écrit&quot; sur les substrats en manipulant précisément la pointe de distribution de produit à des emplacements géographiques prescrites y compris l&#39;initiateur / les points de terminaison ainsi que des points d&#39;intersection. Les inserts de ces figures amplifient les points de suspension des fibres, qui démontrent la capacité du système à contrôler avec précision l&#39;orientation des fibres (figures 6B, 7B et 8B) dans l&#39;espace 3-D intersection. <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Figure 6. (A) Op<html> l&#39;image tique du fabriquée &quot;quad&quot; structure de web suspendue ayant 2 fibres de soutien (diagonales) et 12 bifurqué fibres PMMA ramifiés (15X optique grossissement; barre d&#39;échelle = 1 mm), l&#39;image (B) SEM d&#39;une seule fibre bifurqué (289x de grossissement; échelle bar = 100 um). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Figure 7. (A) d&#39;image optique de fabriquer la structure &quot;symétrique&quot; suspendu web ayant une fibre de support (horizontal) et 11 fibres PMMA ramifiés bifurqué (15X optique grossissement; barre d&#39;échelle = 1 mm), (B) image MEB d&#39;un seul bifurqué fibre (107X grossissement; barre d&#39;échelle = 100 um).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Figure 8. (A) d&#39;image optique de fabriquer «double chevron&quot; suspendu structure de bande ayant une fibre de support (horizontal) et 22 bifurqué fibres PMMA ramifiés (15X optique grossissement; barre d&#39;échelle = 1 mm), (B) image MEB d&#39;un seul fibres bifurqué. (grossissement 80X; barre d&#39;échelle = 100 um) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> La figure 9 montre en gros plan de l&#39;ordre séquentiel point-à-point de la fabrication de la fibre à laquelle le robot à 3 axes et un système de distribution peuvent générer les structures en forme de barrettes suspendues librement. Le p<html> points de contact olymer affichés avec les numéros correspondent à l&#39;initiateur et les points de terminaison programmée dans le logiciel JR-C référencé à la figure 3B ci-dessus. Les flèches représentent robot de trajectoire. La figure 10 présente microns et des fibres de polymère de taille inférieure au micron, ce qui démontre la capacité du système d&#39;écriture directe pour fabriquer des câbles de différentes tailles. <img alt="Figure 9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Figure 9. SEM l&#39;image illustrant l&#39;ordre séquentiel point-à-point de la fabrication de tirer les fibres de Micron et submicroniques polymères (29X grossissement; barre d&#39;échelle = 200 um). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Figure 10. SEM image de micron (6,5 um) et sous-micron (555 nm) fibres étirées en utilisant une solution de polymère concentration en PMMA de 20%. (2,270X grossissement; barre d&#39;échelle = 2 pm) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît, cliquez ici pour afficher une version plus grande de ce chiffre.</a> Polymère longueur de fibre et le diamètre ont été mesurés en utilisant la microscopie électronique à balayage. Le tableau 1 indique le diamètre de fil moyenne pour chaque structure unique qui figure sur les figures 6 à 8 ci-dessus correspondant aux fibres de ramification bifurquées et les fibres de support. Le tableau 2 présente les paramètres de polymères qui ont été mesurées à partir des solutions 24% de PMMA qui ont été utilisés pour fabriquer les structures mentionnées ci-dessus. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> diamètre de la structure de la figure 6</td><td> diamètre de la structure de la figure 7 </td><td> diamètre de la structure de la figure 8 </td></tr><tr><td> fibres de soutien </td><td> 8,65 ± 1,43 um </td><td> 9,39 ± 1,23 um </td><td> 9,31 ± 1,65 um </td></tr><tr><td> fibres de Direction </td><td> 20,96 ± 3,35 um </td><td> 15,92 ± 1,44 um </td><td> 12,24 ± 5,42 um </td></tr></tbody></table> Tableau 1. diamètres moyens de support et de branchement de fibres en suspension illustrés sur les figures 6-8 pour une solution de PMMA de 24%. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% de PMMA </td></tr><tr><td> Viscosité (Pa * s) </td><td> 35.19 </td></tr><tr><td> Surface Tension (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; Coefficient de transfert de masse (m / sec) </td><td> 8,59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tableau 2. Paramètres de polymère de la solution de 24% de PMMA qui ont été utilisés pour fabriquer les structures de fibres dans le présent travail.

Ici, nous présentons un protocole pour fabriquer librement suspendus, micron / submicroniques fibres de polymère d&#39;échelle et des structures &quot;web-like&quot; générés via automatisé procédure d&#39;écriture directe au moyen d&#39;un système de distribution à 3 axes.

Prescrit 3-D Direct Rédaction de Micron / Sous-micron Structures Échelle de fibres en suspension par l&#39;intermédiaire d&#39;un système de distribution robotique

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

L'objectif général de cette procédure est de fabriquer des fibres polymères libres suspendues, de l'échelle micrométrique à l'échelle submicrométrique, ainsi que des structures en forme de réseau, à l'aide d'une méthode automatisée de dépôt direct réalisée par un système de distribution à trois axes. Cela est réalisé en configurant d'abord l'équipement automatisé avec le contrôleur de valve et le système de distribution. Après la mise en place mécanique, les sources de polymère liquide sont synthétisées et un contrôle qualité est effectué en analysant des paramètres rhéologiques réels tels que la tension superficielle et la viscosité.Ensuite, les structures sont conçues à l'aide d'un logiciel de CAO. Puis, les coordonnées spatiales des structures conçues sont transférées vers le logiciel du contrôleur robotique. Ensuite, le robot déplacera l'aiguille de distribution vers les emplacements prédéterminés afin de fabriquer des fibres polymériques libres suspendues à l'échelle micrométrique et submicrométrique, ainsi que des motifs en forme de réseau.L'avantage principal de cette technique par rapport aux autres, telles que le filage humide, sec et électrofilage, est que nous pouvons contrôler précisément le diamètre des fibres ainsi que leur orientation et leurs dimensions dans les trois dimensions spatiales. Généralement, les personnes novices dans cette technologie éprouveront des difficultés, car la synergie entre la tension superficielle, le faible taux d'évaporation et le débit d'alimentation est essentielle pour réussir la production de fibres sur une large gamme de diamètres. Han Yon, étudiant diplômé dans mon laboratoire, démontrera la procédure aujourd'hui. Pour installer l'appareil robotique, commencez par monter le système de distribution sur le plan de travail du laboratoire.Les quatre composants pneumatiques à relier pendant ce processus sont la source de pression, le régulateur qui contrôle la pression de la source, le contrôleur de vanne en aval et le corps principal de la seringue. Une fois les composants pneumatiques assemblés, régler le régulateur principal à 15 psi. Cela permettra de délivrer la solution polymère depuis l'extrémité de l'aiguille à un débit de 2,45 microlitres par minute.Ensuite, placez la base robotique à trois axes dans une enceinte thermique dédiée et montez l'ensemble du système de distribution ainsi que le contrôleur de valve sur le dessus de la base robotique. L'enceinte climatisée fournira un environnement stable pour la solution polymère et pour l'électronique sensible pendant la phase suivante du processus d'assemblage robotisé. Commencez par établir une connexion en port série entre la base robotique et un ordinateur.Ensuite, installez le logiciel contrôleur dédié sur l'ordinateur et testez la communication entre le logiciel et le matériel avant de poursuivre. Nivelez ensuite la platine robotisée en platine. Selon les directives du fabricant, cela garantit que la pointe de distribution sera globalement orthogonale à la platine robotisée lors des activations latérales.En outre, cela garantira également un déplacement précis le long de l'axe Z lors des activations verticales de l'aiguille. Pour préparer une solution polymère à une concentration particulière d'intérêt, commencez par calculer la quantité de poudre de polymère et de solvant nécessaire afin de satisfaire deux critères simultanés. Leur rapport pondéral doit être égal au pourcentage de concentration souhaité, et la masse totale des deux composants doit s'élever exactement à trois grammes.Par exemple, si une solution de 24 % d'acrylique doit être utilisée pour le traitement des fibres, le mélange peut être préparé en pesant d'abord 0,72 gramme de polyméthacrylate de méthyle ou PMMA, puis en ajoutant 2,28 grammes de chlorobenzène. Ensuite, placer un flacon en verre vide sur la microbalance. Après avoir effectué la mise à zéro de la balance, ajouter la poudre de PMMA dans le flacon.Ensuite, à l’aide d’une pipette en verre, distribuez du chlorobenzène dans le flacon jusqu’à ce que la masse totale des deux produits chimiques atteigne trois grammes. Pour faciliter l’opération, pliez la solution des pastilles de polymère. Agitez le flacon au vortex pendant une minute, puis placez-le dans un bain ultrasonique pendant environ cinq heures.Vérifiez la transparence de la solution obtenue si elle est encore opaque. Répétez l'étape d'agitation ultrasonique jusqu'à ce que la solution devienne parfaitement transparente. Afin de concevoir un motif de fibre à l'aide d'un logiciel de CAO, une relation entre les coordonnées positionnelles physiques de l'origine de la platine et l'origine du dessin CAO est nécessaire pour établir cette relation de référence d'origine.Commencez par fixer un microscope USB sur le support de montage adjacent à la vanne de distribution. Ensuite, placez un substrat préfabriqué sur la platine robotisée et effectuez un déplacement approximatif de la platine afin que la région souhaitée pour le dépôt du polymère entre dans le champ de vision du microscope. Ajustez manuellement le microscope jusqu’à ce que l’aiguille du distributeur soit nette.À l'aide du logiciel de commande, appliquez des réglages fins supplémentaires sur les axes X, Y et Z de manière à ce que la position physique de l'aiguille corresponde à l'origine structurelle correspondante dans le dessin CAO. Ensuite, enregistrez les coordonnées actuelles de la platine XY dans l'ordinateur en utilisant les coordonnées de la platine comme code d'origine du dessin, ainsi que les coordonnées de départ et d'arrivée de chaque segment de droite du tracé de la fibre polymère. Enfin, sélectionnez la commande de données c et t sous le menu du robot et transférez le fichier CAO depuis l'ordinateur vers le robot.Le robot est désormais prêt à être préparé pour le chargement de la solution polymère et l'écriture directe du réseau de fibres. En évitant la formation de bulles, charger soigneusement trois millilitres de la solution polymère clarifiée dans le corps de la seringue. Insérer ensuite le piston dans le corps de la seringue.Cela éliminera une distribution inégale de la pression pneumatique au cours des étapes suivantes. Ensuite, vissez l'adaptateur de la ligne d'entrée sur le corps de la seringue afin de faciliter une connexion directe entre le corps et la ligne de source d'air. Passez à l'autre extrémité du corps de la seringue.Choisissez une pointe d'aiguille de la taille de jauge souhaitée et fixez l'aiguille de précision sur la vanne de distribution. Une fois l'aiguille installée, localisez le panneau de commande de distribution et passez l'état en purge, puis cliquez sur le bouton de cycle pour remplir la vanne de distribution avec la solution polymère. Lorsque la solution polymère commence à goutter de l'aiguille de précision, essuyez tout excès de polymère sortant de l'aiguille.Enfin, chargez les paramètres de distribution nécessaires dans la valve de distribution et dans le contrôleur du robot, puis démarrez la routine d'écriture directe en sélectionnant l'option d'exécution du test depuis le menu principal du robot. Une microscopie optique en lumière est utilisée pour visualiser qualitativement les structures, et une microscopie électronique à balayage est utilisée pour obtenir des données dimensionnelles quantitatives sur les fibres et les structures. Ces images montrent une structure formée à partir d'une solution de PMMA à 24 %.Comme illustré, le procédé d'écriture directe a permis de synthétiser une matrice de fibres tridimensionnelle dans laquelle le motif de position relative et les diamètres des fibres de soutien ainsi que des fibres secondaires peuvent être ajustés indépendamment afin de tisser un motif de réseau donné. La platine robotisée est programmée pour se déplacer selon des directions séquentielles pendant que le polymère liquide est simultanément dispensé. En abaissant la concentration de PMMA à 20 % et en modifiant le débit d'alimentation, la plage dynamique du diamètre des fibres polymériques peut varier de l'ordre de dizaines de micromètres jusqu'à des niveaux submicroniques.Une fois maîtrisée, cette technique conjointe peut être réalisée en 30 minutes si elle est effectuée correctement. Toutefois, en incluant la préparation des solutions de PMA, la conception de la structure dans le logiciel de la machine de distribution, le chargement du système avec la solution de PMA et une phase de 30 minutes pour le tirage des fibres, l'ensemble du processus prendra environ six heures. Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de noter les compromis entre la formation des fibres et le débit d'alimentation.Par exemple, si les forces d'inertie générées par le débit d'alimentation sont supérieures à la tension superficielle et au taux d'évaporation du matériau fluide particulier avec lequel nous travaillons, nous aurons une rupture capillaire et les fils ne se formeront pas. Inversement, si notre débit d'alimentation est trop lent, nous perdrons le contrôle du diamètre de ce fil particulier après son développement. Cette technique nous a permis, ainsi qu'à d'autres chercheurs de la communauté de la microfabrication et de la nanofabrication, de concevoir de nouveaux dispositifs et plateformes microfluidiques, tant tridimensionnels que traditionnels, ainsi que de nouveaux supports et plateformes biologiques dans le domaine du génie biologique.

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