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

המטרה הכוללת של הסרטון הבא היא להדגים בנייה של כלי מיקרו-ייצור ג'ל תלת מימדי פשוט והשימוש בו בשינוי דפוס של צינורות ג'ל מתנפחים על ידי חוסר יציבות אלסטית. מדפסת מיקרו תלת מימד פשוטה בנויה באמצעות מקרן נתונים דיגיטלי מהמדף על מנת לייצר דגימות ג'ל צינוריות במידות שונות. ייצור דגימות הג'ל הצינוריות מושג על ידי הקרנת תמונה מעוצבת על מחזיק הדגימה, הטבול באמבט שרף, המכיל תמיסת קדם פולימר עם יוזם צילום ובולם תמונות.

לאחר שנוצרת שכבה על ידי פילמור צילום, מחזיק המדגם יורד והשכבה הבאה מיוצרת על גבי הקודמת. באופן זה, מדגם תלת מימד מיוצר בצורה שכבה אחר שכבה. לאחר מכן, כל דגימה מובאת במגע עם מים על מנת לעורר שינוי צורה על ידי חוסר יציבות אלסטית הנגרמת על ידי נפיחות.

התוצאות מראות שצינורות עגולים הופכים לדפוסים גליים שונים עם מספרי גלים שונים בהתאם לגיאומטריה של ג'ל האבזם. היתרון העיקרי של טכניקת ייצור זו על פני שיטות קיימות כמו פוטותרפיה הוא שהיא מציעה כלי מיקרו-ייצור תלת מימדי מהיר לחומרים רכים כגון ג'לים. כתוצאה מכך, ניתן כעת לממש בקלות שלוש גיאומטריות מעניינות של שלוש חפירות שקשה ליצור לאובייקטים פיזיים למחקר ניסיוני.

כדי להתחיל בהליך זה, הכינו את תמיסת הקדם-פולימר המכילה יוזם פוטו ובולם צילום כמתואר בפרוטוקול הכתוב. לאחר הכנת הפתרון, הנח מקרן נתונים דיגיטלי במצב שטוח ויציב וחבר אותו למחשב שבו מותקן Microsoft PowerPoint. הנח עדשה קמורה ממש מול עדשת פלט הקרן של המקרן הדיגיטלי.

בחר עדשה קמורה כדי להפוך את מישור המוקד למרחק של כ-10 סנטימטרים מהמקרן. הרזולוציה האופטית הופכת קטנה יותר עבור עדשה עם אורך מוקד קצר יותר, אך יש לשמור מקום לרכיבים אופטיים. הנח מראה אחרי העדשה הקמורה על נתיב האלומה בזווית של 45 מעלות כדי לכוון את הקרן ישר כלפי מטה.

לאחר מכן הנח מחזיק דגימה במישור המוקד של הקרן המוקרנת. יש לחבר את מחזיק המדגם לבמה ליניארית שבאמצעותה נשלט המיקום האנכי של מחזיק המדגם. לבסוף, הנח אמבט שרף מתחת למחזיק המדגם כדי לעצב את פרויקט צינורות הג'ל, תמונה עם מספרי פיקסלים ידועים על מחזיק המדגם כדי למדוד את יחס ההמרה מפיקסל לאורך פיזי.

במקרה הספציפי הזה, תמונה של 135 פיקסלים נמדדה 5.8 מילימטרים, המקבילים ל-43 מיקרון לפיקסל. על סמך מידע זה, המר את הממדים הפיזיים של צינור הג'ל כדי לייצר קוטר, עובי דופן וגובה לפיקסלים. לאחר מכן, צייר תמונות חתך עבור צינור הג'ל.

התמונות צריכות להיות בלבן עם רקע שחור. הוסף תמונות אלה לשקופיות של Microsoft PowerPoint. התחל מצגת ב-Microsoft PowerPoint והקרן כל תמונה.

הנח את מחזיק המדגם במישור המוקד על ידי התאמת המיקום האנכי באמצעות המצורףtagמתג לתמונה שחורה דמה כך שלא תהיה פילמור לא רצוי בזמן הוספת תמיסת הטרום פולימר. שופכים את תמיסת הפולימר הקדם-פולימרי לאמבט השרף. מלאו את האמבטיה עד שהתמיסה מכסה מעט את מחזיק המדגם באמצעות פיפטה.

כעת הוא מוכן להדפיס את האובייקט התלת-ממדי. עבור לשקופית המכילה את תמונת החתך הראשונה של צינור הג'ל כדי לפלמר את השכבה הראשונה. המשך להקרין את התמונה למשך שמונה שניות ולאחר מכן חזור לשקופית האפלה.

סובב את הכפתור על הבמה הליניארית ברבע סיבוב כ -160 מיקרון כדי להוריד את מחזיק המדגם. כעת שרף טרי זורם פנימה כדי לכסות את השכבה הראשונה הפולימרית למקרה שהשרף הנוזלי צמיג מכדי לזרום פנימה. הזיזו את השלב למטה כדי לטבול לחלוטין את השכבה המפוברקת בשרף ולאתר את השלב בחזרה ל-160 מיקרון מתחת לפני השטח.

הקרן שוב את תמונת החתך כדי לפלמר את השכבה השנייה על גבי הקודמת. חזור על תהליך זה עד לייצור צינור הג'ל בגובה הרצוי. לאחר השלמת כל השכבות, הרם את מחזיק הדגימה מתמיסת הקדם-פולימר ואחזר את הדגימה המפוברקת.

בעזרת סכין גילוח, שטפו את הדגימה באצטון למשך כשלוש שעות ולאחר מכן הניחו לה להתייבש כשעה. לביצוע ניסוי נפיחות, הכינו נוזל שמן מים דו-שכבתי בצלחת פטרי שקופה. אתר את ממשק שמן המים במישור המוקד של המצלמה על ידי התאמת המיקום של צלחת הפטרי, חבר את הדגימה היבשה על מחזיק דגימה באמצעות דבק סופר.

הפוך את מחזיק המדגם כך שיהיה הפוך. טבלו את הדגימה באמבט נוזלי שמן המים. התקרב לדגימה לממשק שמן המים משכבת השמן.

הדגימה מתחילה להתנפח כאשר הדגימה נוגעת במשטח המים, בעוד שמצע הבסיס שעליו קבוע צינור הג'ל נשאר בשכבת השמן העליונה. בדרך זו, מים יכולים להתפזר לתוך דופן הצינור, ולאפשר לדגימה להתנפח לפני שהבסיס המגביל נרגע על ידי רטוב. המשך לעקוב אחר שינוי הדפוס כאשר צינור הג'ל מתנפח.

באמצעות מצלמה דיגיטלית, מוצגת כאן מערכת מיקרו סטריאוליתוגרפיה פשוטה להקרנה באמצעות מקרן נתונים דיגיטלי מהמדף. עדשה קמורה באורך מוקד של 75 מילימטרים מרכזת את האלומה לאזור תאורה קטן של שני סנטימטרים על שני סנטימטרים, וכתוצאה מכך הרזולוציה האופטית הפשוטה היא כ-45 מיקרון. הרזולוציה האנכית נקבעת על ידי רמת הדיוק של שכבת השלב הליניארית.

עובי המבנים שנעשו למחקר זה הוא 160 מיקרון. כל שכבה עברה פולימור עם תאורת אור של שמונה שניות. מוצג מבנה תלת מימד מייצג המיוצר על ידי המערכת.

אובייקט זה מורכב מ-58 שכבות של יתד דה. סט של צינורות הידרוג'ל הניתנים לריפוי תוכנן ויוצר כדי להשיג קישור צולב נמוך ולכן נפיחות גדולה כמתואר בפרוטוקול הכתוב, דגימה הונחה הפוכה באמבט שמן מים. כפי שמודגם בסרטון, בהתאם לפרמטרים הממדיים, צינורות עגולים נשארו יציבים או הפכו לתבנית גלית.

ממד צינור הג'ל קובע את מספר הגלים היוצאים במהלך הנפיחות. המגוון הרחב של דפוסי הנפיחות של דגימות שונות נלכד על ידי מצלמה דיגיטלית. הציר האנכי מציין יציבות כעובי על פני גובה או T על H, והציר האופקי מציין מצב כיפוף כגובה על קוטר, או H על D.המספרים הלבנים מציינים את מספר מצב הכיפוף, שהוא מספר הגלים לאורך ההיקף כפי שמוצג כאן.

מצב הכיפוף של הדגימות הלא יציבות תלוי רק ב-HD, כאשר תוצאת הניסוי תואמת היטב את החיזוי התיאורטי. אנו משתמשים בשיטה זו בסרטון זה ככלי ניסיוני שימושי למכניקת חומרים רכים, אך נמצא גם יישומים רבים בתחומים אחרים של מדע והנדסה, כולל רובוטיקה רכה והנדסה ביו-רפואית. כמו כן, זה מאוד פשוט ובמחיר סביר.

כל אחד יכול לבנות מדפסת מיקרו תלת מימד משלו במעבדה על ידי ביצוע הפרוטוקול המוצג בסרטון זה.