Method Article

הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות

DOI:

10.3791/4457

⸱

November 27th, 2012

 , 
1Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology

In This Article

Summary

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

אנחנו מדגימים שינוי דפוס מבוקר של צינורות ג'ל נפיחות בחוסר יציבות אלסטי. התקנה פשוטה סטריאו מייקר היטל ליטוגרפיה נבנתה באמצעות נתונים דיגיטלי מקרן ה-off-מדף לפברק מבנים פולימריים תלת ממדים בצורת שכבה אחר שכבה. נפיחות צינורות הידרוג תחת אילוץ מכאני תציג את מצבי קריסה היקפיים שונים בהתאם לממד.

Abstract

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

קריסה היא נושא קלסי במכניקה. למרות קריסה כבר זמן רב למדה כאחד ממצבי הכשל המבניים העיקריים 1, כך הוא מושך את תשומת לב חדשה לאחרונה כמנגנון ייחודי לשינוי דפוס. טבע מלא בדוגמאות כאלה שבי עושר של דפוסים אקזוטיים נוצרים דרך 2-5 חוסר יציבות מכאניות. בהשראת מנגנון אלגנטי זו, מחקרים רבים הדגימו יצירה ושינוי של דפוסי שימוש בחומרים רכים כגון אלסטומרים והידרוג 6-11. ג'לי נפיחות הם בעלי עניין מיוחד משום שהם יכולים לגרום לחוסר יציבות באופן ספונטני מכאני כדי ליצור דפוסים שונים ללא צורך בכח חיצוני 6-10. לאחרונה, יש לנו דיווח הפגנה של שליטה מלאה על קריסת דפוס של ג'לי צינורי מייקרו קשקשים באמצעות הקרנת המייקר Stereolithography (PμSL), טכנולוגיית תלת ממדי (3D) ייצור מסוגלת להמיר מודלי 3D מחשב שנוצרו לי במהירותאובייקטים פיסיים Nto ברזולוציה גבוהה 12,13. כאן אנו מציגים שיטה פשוטה כדי לבנות את מערכת PμSL פשוטה באמצעות מקרן נתונים דיגיטלי זמין מסחרי ללמוד חוסר יציבות קריסת נפיחות הנגרם לשינוי דפוס מבוקר.

מדפסת 3D שולחן עבודה פשוטה נבנתה באמצעות נתונים דיגיטליים מקרן ה-off-מדף ורכיבים אופטיים פשוטים כגון עדשה קמורה וראי 14. תמונות חתך המופקות ממודל מוצק 3D מוקרנת על המשטח הרגיש לשרף ברצף, polymerizing שרף נוזלי לתוך מבנה מוצק 3D רצוי בצורת שכבה אחר שכבה. אפילו בתצורה זו פשוטה ותהליך קל, 3D אובייקטים שרירותיים יכולים להיות מפוברקים בקלות עם רזולוצית מיקרומטר תת-100.

מדפסת 3D שולחן עבודה זה טומן בחובו פוטנציאל בחקר מכניקת חומרים רכה על ידי מתן הזדמנות מצוינת לחקור גיאומטריות 3D שונות. אנו משתמשים במערכת זו כדי Fabricaמבנה צינורי te צורת הידרוג עם ממדים שונים. קבוע בתחתית למצע, ג'ל צינורי מתפתח מתח הומוגניות בנפיחות, אשר מולידים את קריסת חוסר יציבות. דפוסים גליים שונים מופיעים לאורך ההיקף של הצינור כאשר מבני ג'ל לעבור קריסה. ניסוי מראה כי קריסה היקפית של מצב רצוי ניתן ליצור באופן מבוקר. שינוי דפוס בתלת ממד ג'לי מובנה צינורי יש השלכות משמעותיות לא רק במכניקה ומדע חומרים, אך גם בתחומים רבים אחרים המתעוררים כגון matamaterials המתכונן.

Protocol

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

1. הכנת פתרון Prepolymer

  1. המיקס פולי (אתילן גליקול) diacrylate (PEG-DA) (משקל מולקולרי ממוצע ~ 575, סיגמה אולדריץ) ופולי (אתילן גליקול) (PEG) (משקל מולקולרי ממוצע ~ 200, סיגמה אולדריץ) במשקל היחס 1:2.
  2. הוסף wt 0.67%. צילום יוזם (Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine התחמוצת, סיגמה אולדריץ). הפתרון צריך להיות כל הזמן בסביבה חשוכה מנקודה זו ואילך.
  3. הוסף wt 0.05%. צילום בולם (סודאן, סיגמה אולדריץ).
  4. מערבב את הפתרון ל24 שעות בטמפרטורת חדר באמצעות stirrer מגנטי.

2. הגדרת מדפסת 3D שולחן עבודה באמצעות נתונים דיגיטלי של מקרן

  1. הנח מקרן נתונים דיגיטלי במצב שטוח ויציב, ולחבר אותו למחשב עם Microsoft PowerPoint מותקן.
  2. הנח ימין עדשה קמור בחזית עדשת פלט הקורה של המקרן הדיגיטלי. בחר עדשה קמורה כדי להפוך מוקד המטוס במרחק של כ 10 סנטימטרים מפרוjector. (רזולוציה אופטית הופכת להיות קטנה יותר לעדשה עם אורך מוקד קצר יותר, אבל אחד צריך לשריין קצת מקום לרכיבים אופטיים).
  3. הנח מראה אחרי העדשה הקמורה בדרך הקורה בזווית ° 45 לכוון האלומה ישר למטה.
  4. הנח בעל מדגם במישור המוקד של הקרן הצפויה. בעל המדגם צריך להיות מחובר לבמה ליניארי שבו המיקום האנכי של בעל המדגם נשלט.
  5. הנח אמבטית שרף מתחת לבעל המדגם.

3. עיצוב וייצור של צינורות ג'ל

  1. קבע קוטר, עובי קיר, וגובה של צינור ג'ל להיות מפוברקים.
  2. לצייר תמונות חתך לצינור ג'ל. התמונות צריכות להיות בצבע לבן עם רקע שחור. הכנס תמונה אלה בשקופיות של Microsoft PowerPoint.
  3. התחל מצגת ב-Microsoft PowerPoint ולהקרין את כל תמונה. הנח את בעל המדגם במישור המוקד על ידי התאמת המיקום האנכי באמצעות עו"דכאב במה.
  4. מעבר לתמונה "דמה" שחורה כדי שלא יהיה פילמור לא רצוי תוך שימת פתרון prepolymer.
  5. יוצק פתרון prepolymer לאמבטית שרף. מלא את האמבט עד שהתמיסה מעט מכסה את בעל המדגם. עכשיו הוא מוכן לאובייקט 3D הדפסה.
  6. מעבר לשקופית המכילה את תמונת החתך הראשונה של צינור ג'ל לפלמר את השכבה הראשונה. שמור מקרין תמונה ל8 שניות ולחזור לשקופית "איפול".
  7. סובב את הכפתור על הבמה ליניארי על ידי תור ¼ (~ 160 מיקרומטר) כדי להאט את בעל המדגם. עכשיו שרף טרי זורם בלכסות את השכבה הראשונה polymerized.
  8. פרויקט תמונת החתך שוב לפלמר את השכבה השנייה על גבי הליך אחד. חזור על שלבים 3.6-3.8 עד הצינור של ג'ל לגובה הרצוי הוא מפוברק.
  9. ברגע שכל השכבות שלמות, להרים את בעל המדגם מתוך פתרון prepolymer, ולאחזר את המדגם המפוברק בזהירות בעזרת סכין הגילוח bladדואר.
  10. שטוף את המדגם באצטון ל~ 3 שעות, ולאחר מכן לאפשר לו להתייבש במשך שעות ~ 1.

4. נפיחות ניסוי להיווצרות דפוס שנקבע על ידי חוסר יציבות אלסטיים

  1. הכן נוזל שכבה כפולה מי שמן בכלי זכוכית שקופים.
  2. צרף המדגם היבש על בעל מדגם באמצעות דבק סופר.
  3. להעיף את בעל המדגם, כך שהמדגם הוא הפוך. לטבול את המדגם באמבט נוזל מי שמן. ניגש למדגם ממשק מי נפט משכבת ​​הנפט. המדגם מתחיל להתנפח כאשר הדגימה נוגעת פני מים ואילו חלק מצע הבסיס בי צינור ג'ל נקבע נשאר בשכבת השמן העליונה. בדרך זו, יכולים לפזר מים לתוך קיר הצינור המאפשר הדגימה להתנפח לפני הבסיס מגביל מרגיע על ידי הרטבה. לפקח על שינוי הדפוס כמו גלי צינור ג'ל באמצעות מצלמה דיגיטלית.

Results

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

מערכת PμSL פשוטה באמצעות נתונים דיגיטלי מקרן ה-off-מדף מוצגת באיור 1. עדשה קמורה עם אורך מוקד של 75 מ"מ מרכזת את הקרן לתוך אזור הארה קטנה של 2 סנטימטר על 2 סנטימטר. וכתוצאה מכך מטוס רזולוציה אופטית היא בערך 45 מיקרומטר. רזולוציה אנכית נקבעת לפי רמת הדיוק של השלב ליניארי. עובי שכבה של המבנים שנעשו לצורך מחקר זה הוא 160 מיקרומטר. כל שכבה הייתה מפולמר לאור תאורה 8 שניות. מבנה 3D נציג המפוברק על ידי המערכת מוצג באיור 1D. אובייקטים זה מורכב משכבות של 58 PEGDA.

הכנו הידרוג PEGDA תמונה לריפוי. crosslinking הנמוך, נפיחות ולכן גדולות של הידרוג PEGDA הושג על ידי הוספת PEG אינו crosslinking לפתרון prepolymer. יחס אורך נפיחות חכם של הידרוג PEGDA המתקבל הוא 1.5, שמתאים להרחבת נפח גבוה מ 300%.

> מערכת של צינורות הידרוג PEGDA תוכננה ומיוצרת על בסיס התאוריה שלנו 12. הנחנו מדגם הפוך ולשים באמבטיה עם מים מכוסים בשכבת שמן על גבי כפי שמודגם באיור 2 א. בהתאם לפרמטרים הממדיים, צינורות עגולים או נותרים יציבים או הופכים לדפוס גלי כפי שמוצגים באיור 2 ב. המגוון הרחב של נפיחות דפוס של מדגמים שונים נתפס על ידי מצלמה דיגיטלית ומוצג באיור 3 א.

figure-results-1
איור 1. מערכת הקרנת שולחן עבודה של מייקרו-Stereolithography (א) ייצוג סכמטי (ב) מערכת בפועל (ג) תצוגת תקריב של רכיבים (ד) 3D מבנים מייצגים. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

אוהל "fo: לשמור-together.within עמודים =" תמיד "> figure-results-2
איור 2. (א) התקנה ניסיונית לצינור הידרוג נפיחות (ב) צינור הידרוג מוגבל הופך לדפוסים שונים. סרגל קנה מידה מציין 5 מ"מ.

figure-results-3
איור 3. (א) דפוסים נוצרו בנפיחות ניסוי. ציר אנכי מציין t / שעה (ובכך יציבות), וציר אופקי מציין h / D (ובכך קריסת מצב). סרגל קנה מידה מציין 5 מ"מ. (ב) קריסת מצב תלוי רק בשעות / ד. תוצאה ניסיונית מסכימה גם עם חיזוי תיאורטי. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

דוגמה </ Strong> D (מיקרומטר) t (מיקרומטר) שעות (מיקרומטר)
אני אני 9300 ± 420 760 ± 40 840 ± 40
ii 9700 ± 420 1040 ± 40 1060 ± 40
ג 9700 ± 420 1210 ± 40 1340 ± 40
iv 9700 ± 420 1660 ± 40 1680 ± 40
השני אני 9000 ± 420 480 ± 40 880 ± 40
ii 9000 ± 420 1060 ± 40
ג 9500 ± 420 740 ± 40 1350 ± 40
iv 9200 ± 420 970 ± 40 1650 ± 40
ג אני 8900 ± 420 160 ± 40 790 ± 40
ii 8900 ± 420 300 ± 40 1020 ± 40
ג 9100 ± 420 380 ± 40 1330 ± 40
iv 9000 ± 420 490 ± 40 1630 ± 40
IV אני 8900 ± 420 140 ± 40 780 ± 40
ii 8800 ± 420 190 ± 40 1010 ± 40
ג 9300 ± 420 230 ± 40 1340 ± 40
iv 8900 ± 420 290 ± 40 1650 ± 40

לוח 1. ממדים לדוגמה נמדדו באמצעות מיקרוסקופ אופטי. שגיאות מצביעות על חוסר ודאות במדידה.

Discussion

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

בנפיחות של הידרוג צינורי המוגבל במצע, יציבות תלויה רק בt / h וקריסת מצב תלוי רק בשעות / 12 ד. ארבע קבוצות של דגימות (I-IV) עם רמות שונות של עובי לא מנורמלים / שעה היו מפוברקות, עם קבוצה ואני אמור להיות עבה יותר והקבוצה הרביעית להיות יותר רזה. כל קבוצה מורכבת מארבע דגימות (I-IV) עם רמות שונות של גובה מנורמל h / D, עם המדגם היה קצר יותר וiv המדגם להיראות גבוה יותר. מידות של הדגימות המפוברקות מוצגות בטבלת 1. הקבוצה הראשונה והשני נועדו להישאר יציב במהלך נפיחות, ואילו קבוצה שלישית והרביעי מתוכננים לקרוס ולהפוך על נפיחות. לקבלת דוגמיות מעוקמת, Bucklinגרם מצב צריך להקטין בגובה מדגם. 3A האיור מראה תוצאה ניסיונית. כתאוריה מנבאת, דגימות בקבוצה הראשונה והשני היו יציבות ונשארו עגול על נפיחות, בעוד דגימות בקבוצה שלישית והרביעי כולם עברו בחוסר יציבות אלסטי וקרסו. כמו כן, דגימות עם אותו h / D מוצגות מצב קריסה דומה. 3B האיור משווה מצבי קריסה נצפו בניסוי של דגימות בקבוצה שלישית והרביעי עם חיזוי תיאורטי. אנו יכולים לראות כי דגימות עם אותו h / D להוות את אותו דפוס תגובת קריסה-ללא תלות בעובי וכי תוצאות ניסוי מסכימות גם עם התאוריה.

אנו מציגים כיצד לבנות מערכת פשוטה של ​​שולחן עבודת 3D באמצעות הדפסה דיגיטלית זמין מסחרי נתוני מקרן. הגישה המוצעת מסתמכת על photocuring של פולימר לקוןstruct 3D מבנים, ולכן, כל פולימרי photocurable יכולים לשמש גם באופן כללי, ככל שיש photoinitiator ספיגה מתאימה בטווח אורכי גל. שים לב שphotoinitiators רב הזמין מסחרי מיועד לאולטרה סגול (UV) אורכי גל, אבל photoinitiator משמש כאן יש ספיגה גבוהה יחסית באורכי גל ארוכים יותר מ 400 ננומטר. מציע דרך קלה ומהירה כדי לפברק 3D אובייקטים, שיטה זו תמצא יישומים רבים בתחומים שונים, כולל מכניקת חומרים רכה כפי שמודגמים כאן.

Disclosures

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

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgements

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

המחברים מבקשים להודות ליוסף Muskin ומתיו רגוזה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-Champaign למתן תמונות חתך ל3D מבנים המוצגים באיור 1D.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
שם המגיב חברה מספר קטלוגים תגובות (אופציונלי)
פולי (אתילן גליקול) diacrylate סיגמה אולדריץ 437441 Mw ~ 575
פולי (אתילן גליקול) סיגמה אולדריץ P3015 Mw ~ 200
phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) תחמוצת phosphine סיגמה אולדריץ 511447 תמונה-יוזם
אני סודאן סיגמה אולדריץ 103624 תמונת בולם
מקרן נתונים דיגיטליים Viewsonic PJD6221
קמורה עדשה Thorlabs LA1145 f = 75.0 מ"מ
המו"ראו 4 "פרוסות סיליקון
שלב ידני Velmex A2506DE-S2.5

References

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

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Micro 3D PrintingDigital ProjectorProjection Micro StereolithographySoft Materials MechanicsSwelling Induced BucklingHydrogel Tube FabricationPattern TransformationOptical Resolution MeasurementLinear Stage ControlWater Oil Interface

Related Articles