소프트 재료 역학의 연구에서 디지털 프로젝터와 응용 프로그램을 사용하여 마이크로 3D 인쇄

다음 비디오의 전반적인 목표는 간단한 3D 젤 미세 가공 도구의 구성과 탄성 불안정성에 의한 팽창 겔 튜브의 패턴 변형에 사용하는 방법을 보여주는 것입니다. 간단한 마이크로 3D 프린터는 다양한 치수의 관형 젤 샘플을 제작하기 위해 기성품 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 제작됩니다. 관형 겔 샘플의 제작은 광 개시제 및 광 흡수제가 있는 프리 폴리머 용액을 포함하는 수지 수조에 잠긴 샘플 홀더에 설계된 이미지를 투사하여 이루어집니다.

광 중합에 의해 층이 형성되면 샘플 홀더가 떨어지고 다음 층이 이전 층 위에 제작됩니다. 이러한 방식으로 3D 샘플은 레이어 별로 제작됩니다. 다음으로, 팽창으로 인한 탄성 불안정성에 의한 형태 변형을 유발하기 위해 각 샘플을 물과 접촉시킵니다.

결과는 원형 튜브가 좌굴 젤의 형상에 따라 다른 파수를 가진 다양한 물결 패턴으로 변형되는 것을 보여줍니다. 광선 요법과 같은 기존 방법에 비해 이 제조 기술의 주요 장점은 젤과 같은 부드러운 재료에 대한 신속한 3D 미세 가공 도구를 제공한다는 것입니다. 그 결과, 만들기 어려운 다양하고 흥미로운 3개의 발굴 형상을 이제 실험 연구를 위한 물리적 물체로 쉽게 구현할 수 있습니다.

이 절차를 시작하려면 서면 프로토콜에 설명된 대로 광 개시제와 광 흡수제가 포함된 프리 폴리머 용액을 준비합니다. 솔루션 준비 후 디지털 데이터 프로젝터를 평평하고 안정적인 위치에 놓고 Microsoft PowerPoint가 설치된 컴퓨터에 연결합니다. 디지털 프로젝터의 빔 출력 렌즈 바로 앞에 볼록 렌즈를 놓습니다.

볼록 렌즈를 선택하여 초점면이 프로젝터에서 약 10cm 떨어지도록 합니다. focal length가 짧은 렌즈의 경우 optical resolution이 작아지지만 광학 부품을 위한 공간을 확보해야 합니다. 빔 경로의 볼록 렌즈 뒤에 45도 각도로 거울을 놓아 빔을 똑바로 아래로 향하게 합니다.

그런 다음 샘플 홀더를 투사된 빔의 초점면에 놓습니다. 샘플 홀더는 샘플 홀더의 수직 위치가 제어되는 선형 스테이지에 부착되어야 합니다. 마지막으로, 샘플 홀더 아래에 수지 수조를 배치하여 젤 튜브 프로젝트를 설계하고, 알려진 픽셀 번호가 있는 이미지를 샘플 홀더에 올려 픽셀에서 물리적 길이로의 변환 비율을 측정합니다.

이 특별한 경우, 135픽셀의 이미지는 5.8mm로 측정되었으며, 이는 픽셀당 43미크론에 해당합니다. 이 정보를 기반으로 겔 튜브의 물리적 치수를 변환하여 직경, 벽 두께 및 높이를 픽셀로 제작합니다. 다음으로 겔 튜브의 단면 이미지를 그립니다.

이미지는 검은색 배경에 흰색이어야 합니다. 이러한 이미지를 Microsoft PowerPoint 슬라이드에 삽입합니다. Microsoft PowerPoint에서 슬라이드쇼를 시작하고 이미지를 투사합니다.

부착된 스테이지 스위치를 사용하여 수직 위치를 조정하여 초점면에 샘플 홀더를 배치하여 프리 폴리머 용액을 추가하는 동안 원치 않는 중합이 없도록 합니다. 프리 폴리머 용액을 수지 수조에 붓습니다. 용액이 피펫을 사용하여 샘플 홀더를 약간 덮을 때까지 수조를 채웁니다.

이제 3D 개체를 인쇄할 준비가 되었습니다. 첫 번째 층을 중합하기 위해 겔 튜브의 첫 번째 단면 이미지가 포함된 슬라이드로 전환합니다. 8초 동안 이미지를 계속 투사한 다음 다시 블랙아웃 슬라이드로 전환합니다.

선형 스테이지의 손잡이를 약 1/4 바퀴 약 160미크론 돌려 샘플 홀더를 내립니다. 이제 액체 수지가 너무 점성이 있어 유입되지 않는 경우 중합된 첫 번째 층을 덮기 위해 새로운 수지가 유입됩니다. 스테이지를 더 아래로 이동하여 제작된 층을 수지에 완전히 담그고 스테이지를 표면 아래 160미크론으로 다시 배치합니다.

단면 이미지를 다시 투사하여 이전 레이어 위에 있는 두 번째 레이어를 중합합니다. 원하는 높이의 겔 튜브가 제작될 때까지 이 과정을 반복합니다. 모든 층이 완료되면 프리 폴리머 용액에서 샘플 홀더를 들어 올리고 제작된 샘플을 회수합니다.

면도날을 사용하여 조심스럽게 샘플을 아세톤으로 약 3시간 동안 헹군 다음 약 1시간 동안 건조시킵니다. 팽창 실험을 수행하려면 투명한 페트리 접시에 물기름 이중층 액체를 준비하십시오. 카메라의 초점면에서 물 기름 인터페이스를 찾습니다.페트리 접시의 위치를 조정하여 건조 샘플을 부착합니다.amp슈퍼 접착제를 사용하여 le 홀더에 있습니다.

샘플 홀더를 뒤집어 거꾸로 놓습니다. 샘플을 물 기름 액체 수조에 담그십시오. 오일 층에서 물 오일 계면으로 샘플에 접근합니다.

샘플이 물 표면에 닿으면 샘플이 부풀어 오르기 시작하고, 겔 튜브가 고정된 기본 기질은 상단 오일 층에 남아 있습니다. 이러한 방식으로 물이 튜브 벽으로 확산될 수 있으며, 제약 베이스가 습윤에 의해 이완되기 전에 샘플이 팽창할 수 있습니다. 겔 튜브가 팽창함에 따라 패턴 변화를 계속 모니터링하십시오.

디지털 카메라를 사용하여 기성품 디지털 데이터 프로젝터를 사용하는 간단한 프로젝션 마이크로 광 조형 시스템이 여기에 나와 있습니다. 초점 거리가 75mm인 볼록 렌즈는 빔을 2cm x 2cm의 작은 조명 영역에 집중시켜 약 45미크론의 일반 광학 해상도를 제공합니다. 수직 해상도는 선형 스테이지 레이어의 정밀도 수준에 의해 결정됩니다.

이 연구를 위해 만들어진 구조물의 두께는 160미크론입니다. 각 층은 8 개의 2 차 광 조명으로 중합되었습니다. 시스템에 의해 제작된 대표적인 3D 구조체가 도시되어 있습니다.

이 물체는 58개의 페그 다로 구성되어 있습니다. 사진 경화형 페그 다 하이드로겔 튜브 세트는 서면 프로토콜에 설명된 대로 낮은 가교 결합과 큰 팽창을 달성하도록 설계 및 제작되었으며, 샘플을 물 기름 수조에 거꾸로 놓았습니다. 비디오에서 볼 수 있듯이 치수 매개변수에 따라 원형 튜브는 안정적으로 유지되거나 물결 패턴으로 변형되었습니다.

겔 튜브의 치수는 붓기 중에 발생하는 파동의 수를 결정합니다. 서로 다른 샘플의 다양한 붓기 패턴은 디지털 카메라로 캡처되었습니다. 세로축은 높이에 대한 두께 또는 H에 대한 T로 안정성을 나타내고, 가로축은 직경에 대한 높이 또는 D에 대한 H로 좌굴 모드를 나타내며, 흰색 숫자는 여기에 표시된 것처럼 둘레를 따라 파동의 수인 좌굴 모드 번호를 나타냅니다.

불안정한 샘플의 좌굴 모드는 HD에만 의존하며, 여기서 실험 결과는 이론적 예측과 잘 일치합니다. 이 비디오에서는 이 방법을 연성 재료 역학을 위한 유용한 실험 도구로 사용하지만, 연성 로봇 공학 및 생체 의학 공학을 포함한 다른 과학 및 공학 분야에서도 많은 응용 분야를 찾을 수 있습니다. 또한 매우 간단하고 저렴합니다.

누구나 이 비디오에 제시된 프로토콜에 따라 실험실에서 자신만의 마이크로 3D 프린터를 구축할 수 있습니다.