Micro 3D Stampa con un proiettore digitale e la sua applicazione nello studio della meccanica dei materiali morbidi

L'obiettivo generale del seguente video è dimostrare la costruzione di un semplice strumento di microfabbricazione di gel 3D e il suo utilizzo nella trasformazione del modello di tubi di gel rigonfi mediante instabilità elastica. Una semplice micro stampante 3D viene costruita utilizzando un proiettore di dati digitale standard per fabbricare campioni di gel tubolari con dimensioni diverse. La fabbricazione dei campioni tubolari di gel si ottiene proiettando un'immagine progettata sul supporto del campione, che viene immerso in un bagno di resina, contenente una soluzione prepolimerica con fotoiniziatore e fotoassorbitore.

Una volta che uno strato è formato dalla fotopolimerizzazione, il supporto del campione cade e lo strato successivo viene fabbricato sopra il precedente. In questo modo, un campione 3D viene fabbricato strato per strato. Successivamente, ogni campione viene portato a contatto con l'acqua per innescare la trasformazione della forma a causa dell'instabilità elastica indotta dal rigonfiamento.

I risultati mostrano che i tubi circolari si trasformano in vari modelli ondulati con numeri d'onda diversi a seconda della geometria del gel di instabilità. Il vantaggio principale di questa tecnica di fabbricazione rispetto ai metodi esistenti come la fototerapia è che offre uno strumento di microfabbricazione 3D rapido per materiali morbidi come i gel. Di conseguenza, varie interessanti geometrie di scavo che sono difficili da realizzare possono ora essere facilmente realizzate in oggetti fisici per lo studio sperimentale.

Per iniziare questa procedura, preparare la soluzione prepolimerica contenente il fotoiniziatore e il fotoassorbitore come descritto nel protocollo scritto. Dopo la preparazione della soluzione, posizionare un proiettore di dati digitali in una posizione piana e stabile e collegarlo a un computer con installato Microsoft PowerPoint. Posizionare una lente convessa proprio davanti alla lente di uscita del raggio del proiettore digitale.

Scegliere una lente convessa per rendere il piano focale a circa 10 centimetri di distanza dal proiettore. La risoluzione ottica diventa più piccola per un obiettivo con lunghezza focale più corta, ma è necessario riservare un po' di spazio per i componenti ottici. Posizionare uno specchio dopo la lente convessa sul percorso del raggio con un angolo di 45 gradi per dirigere il raggio verso il basso.

Quindi posizionare un portacampioni sul piano focale del raggio proiettato. Il portacampione deve essere fissato a un tavolino lineare mediante il quale viene controllata la posizione verticale del portacampioni. Infine, posiziona un bagno di resina sotto il portacampioni per progettare il progetto di tubi in gel, un'immagine con numeri di pixel noti sul supporto del campione per misurare il rapporto di conversione da un pixel alla lunghezza fisica.

In questo caso particolare, un'immagine di 135 pixel misurava 5,8 millimetri, che corrispondono a 43 micron per pixel. Sulla base di queste informazioni, convertire le dimensioni fisiche del tubo di gel per fabbricare diametro, spessore della parete e altezza in pixel. Quindi, disegna le immagini della sezione trasversale per il tubo di gel.

Le immagini devono essere in bianco con sfondo nero. Inserisci queste immagini nelle diapositive di Microsoft PowerPoint. Avvia la presentazione in Microsoft PowerPoint e proietta qualsiasi immagine.

Posizionare il portacampione sul piano focale regolando la posizione verticale utilizzando l'interruttore del tavolino collegato su un'immagine nera fittizia in modo che non vi siano polimerizzazioni indesiderate durante l'aggiunta della soluzione prepolimerica. Versare la soluzione di prepolimero nel bagno di resina. Riempire il bagno fino a quando la soluzione copre leggermente il portacampione utilizzando una pipetta.

Ora è pronto per stampare l'oggetto 3D. Passare al vetrino contenente la prima immagine in sezione trasversale del tubo di gel per polimerizzare il primo strato. Continua a proiettare l'immagine per otto secondi, quindi torna a una diapositiva oscurante.

Ruotare la manopola sul tavolino lineare di un quarto di giro di circa 160 micron per abbassare il supporto del campione. Ora la resina fresca fluisce per coprire il primo strato polimerizzato nel caso in cui la resina liquida sia troppo viscosa per fluire. Sposta il tavolino più in basso per immergere completamente lo strato fabbricato nella resina e riposizionare il tavolino a 160 micron sotto la superficie.

Proiettare nuovamente l'immagine della sezione trasversale per polimerizzare il secondo strato sopra il precedente. Ripetere questo processo fino a quando il tubo di gel dell'altezza desiderata non è fabbricato. Una volta completati tutti gli strati, sollevare il supporto del campione dalla soluzione prepolimerica e recuperare il campione fabbricato.

Con l'aiuto di una lametta, sciacquare accuratamente il campione con acetone per circa tre ore e poi lasciarlo asciugare per circa un'ora. Per eseguire un esperimento di rigonfiamento, preparare un liquido a doppio strato di acqua e olio in una capsula di Petri trasparente. Individuare l'interfaccia acqua-olio sul piano focale della fotocamera Regolando la posizione della capsula di Petri, fissare il campione secco su un portacampioni utilizzando la super colla.

Capovolgere il portacampioni in modo che sia capovolto. Immergere il campione nel bagno di acqua, olio, liquido. Avvicinare il campione all'interfaccia acqua-olio dallo strato d'olio.

Il campione inizia a gonfiarsi quando tocca la superficie dell'acqua, mentre il substrato di base su cui è fissato il tubo di gel rimane nello strato superiore dell'olio. In questo modo, l'acqua può diffondersi nella parete del tubo, permettendo al campione di gonfiarsi prima che la base vincolante si rilassi bagnandosi. Procedere con il monitoraggio del cambiamento del modello mentre il tubo di gel si gonfia.

Utilizzando una fotocamera digitale, viene mostrato un semplice sistema di microstereolitografia a proiezione che utilizza un proiettore di dati digitali standard. Una lente convessa con una lunghezza focale di 75 millimetri concentra il fascio in una piccola area di illuminazione di due centimetri per due centimetri, con una risoluzione ottica semplice di circa 45 micron. La risoluzione verticale è determinata dal livello di precisione del livello scenico lineare.

Lo spessore delle strutture realizzate per questo studio è di 160 micron. Ogni strato è stato polimerizzato con un'illuminazione luminosa di otto secondi. Viene mostrata una struttura 3D rappresentativa fabbricata dal sistema.

Questo oggetto è composto da 58 strati di peg da. Una serie di tubi di idrogel fotopolimerizzabili è stata progettata e fabbricata per ottenere una bassa reticolazione e quindi un grande rigonfiamento come descritto nel protocollo scritto, un campione è stato posto a testa in giù in un bagno d'acqua e olio. Come dimostrato nel video, a seconda dei parametri dimensionali, i tubi circolari sono rimasti stabili o si sono trasformati in un modello ondulato.

La dimensione del tubo di gel determina il numero di onde che emergono durante il rigonfiamento. L'ampia varietà di modelli di rigonfiamento di diversi campioni è stata catturata da una fotocamera digitale. L'asse verticale indica la stabilità come spessore rispetto all'altezza o T rispetto a H, e l'asse orizzontale indica la modalità di instabilità come altezza rispetto al diametro, o H rispetto a D.I numeri bianchi indicano il numero della modalità di instabilità, che è il numero di onde lungo la circonferenza come mostrato qui.

La modalità di instabilità dei campioni instabili dipende solo dalla HD, dove il risultato sperimentale concorda bene con la previsione teorica. In questo video utilizziamo questo metodo come utile strumento sperimentale per la meccanica dei materiali morbidi, ma troveremo anche molte applicazioni in altri campi della scienza e dell'ingegneria, tra cui la robotica morbida e l'ingegneria biomedica. Inoltre, è molto semplice e conveniente.

Chiunque può costruire la propria micro stampante 3D in laboratorio seguendo il protocollo presentato in questo video.