Mikrodruk 3D z wykorzystaniem projektora cyfrowego i jego zastosowanie w badaniach nad mechaniką materiałów miękkich

Summary

Pokazujemy kontrolowaną transformację wzoru pęczniejących rurek żelowych przez niestabilność sprężystości. Prosty zestaw do projekcji mikrostereolitografii jest zbudowany przy użyciu gotowego cyfrowego projektora danych do wytwarzania trójwymiarowych struktur polimerowych warstwa po warstwie. Pęczniejące rurki hydrożelowe pod obciążeniem mechanicznym wykazują różne tryby wyboczenia obwodowego w zależności od wymiaru.

Abstract

Wyboczenie to klasyczny temat w mechanice. Podczas gdy wyboczenie od dawna jest badane jako jeden z głównych trybów zniszczenia strukturalnego¹, ostatnio przyciągnęło nową uwagę jako unikalny mechanizm transformacji wzoru. Natura jest pełna takich przykładów, w których bogactwo egzotycznych wzorów powstaje w wyniku niestabilności mechanicznej^2-5. Zainspirowani tym eleganckim mechanizmem, wiele badań wykazało tworzenie i przekształcanie wzorów przy użyciu miękkich materiałów, takich jak elastomery i hydrożele^6-11. Szczególnie interesujące są żele pęczniejące, ponieważ mogą spontanicznie wywoływać niestabilność mechaniczną, tworząc różne wzory bez potrzeby działania siły zewnętrznej^6-10. Niedawno informowaliśmy o demonstracji pełnej kontroli nad wzorem wyboczenia mikroskalowanych żeli rurkowych przy użyciu mikrostereolitografii projekcyjnej (PμSL), trójwymiarowej (3D) technologii produkcyjnej zdolnej do szybkiej konwersji generowanych komputerowo modeli 3D na obiekty fizyczne w wysokiej rozdzielczości^12,13. Poniżej przedstawiamy prostą metodę budowy uproszczonego systemu PμSL przy użyciu dostępnego na rynku cyfrowego projektora danych do badania niestabilności wyboczenia wywołanej pęcznieniem w celu kontrolowanej transformacji wzoru.

Prosta stacjonarna drukarka 3D zbudowana jest przy użyciu gotowego cyfrowego projektora danych i prostych elementów optycznych, takich jak wypukła soczewka i lustro¹⁴. Obrazy przekroju poprzecznego wyodrębnione z modelu bryłowego 3D są kolejno rzutowane na powierzchnię żywicy światłoczułej, polimeryzując płynną żywicę w pożądaną stałą strukturę 3D warstwa po warstwie. Nawet przy tak prostej konfiguracji i łatwym procesie, dowolne obiekty 3D mogą być łatwo wytwarzane w rozdzielczości poniżej 100 μm.

Ta desktopowa drukarka 3D ma potencjał w badaniu mechaniki miękkich materiałów, oferując doskonałą okazję do eksploracji różnych geometrii 3D. Używamy tego systemu do wytwarzania rurkowatej struktury hydrożelowej o różnych wymiarach. Przymocowany od dołu do podłoża żel rurkowy wytwarza niejednorodne naprężenia podczas pęcznienia, co powoduje niestabilność wyboczenia. Na obwodzie rurki pojawiają się różne faliste wzory, gdy struktury żelowe ulegają wyboczeniu. Doświadczenie pokazuje, że wyboczenie obwodowe pożądanego trybu można uzyskać w sposób kontrolowany. Transformacja wzoru trójwymiarowych żeli rurkowych ma znaczące implikacje nie tylko w mechanice i materiałoznawstwie, ale także w wielu innych rozwijających się dziedzinach, takich jak przestrajalne materiały matowe.

Protocol

1. Przygotowanie roztworu prepolimeru

1. Wymieszać diakrylan poli(glikolu etylenowego) (PEG-DA) (średnia masa cząsteczkowa ~575, Sigma-Aldrich) i poli(glikol etylenowy) (PEG) (średnia masa cząsteczkowa ~200, Sigma-Aldrich) w stosunku wagowym 1:2.
2. Dodać 0,67 % wag. fotoinicjatora (tlenek fenylobis(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfiny, Sigma-Aldrich). Od tego momentu roztwór powinien być przechowywany w ciemnym otoczeniu.
3. Dodać 0,05 % wag. fotoabsorbera (Sudan I, Sigma-Aldrich).
4. Mieszaj roztwór przez 24 godziny w temperaturze pokojowej za pomocą mieszadła magnetycznego.

2. Konfiguracja biurkowej drukarki 3D za pomocą cyfrowego projektora danych

1. Umieść cyfrowy projektor danych w płaskiej i stabilnej pozycji i podłącz go do komputera z zainstalowanym programem Microsoft PowerPoint.
2. Umieść wypukłą soczewkę bezpośrednio przed soczewką wyprowadzającą wiązkę projektora cyfrowego. Wybierz wypukły obiektyw, aby płaszczyzna ogniskowej znajdowała się w odległości około 10 cm od projektora. (Rozdzielczość optyczna staje się mniejsza w przypadku obiektywu o krótszej ogniskowej, ale trzeba zarezerwować trochę miejsca na elementy optyczne).
3. Umieść lustro za soczewką wypukłą na ścieżce wiązki pod kątem 45°, aby skierować wiązkę prosto w dół.
4. Umieść uchwyt na próbkę w płaszczyźnie ogniskowej rzutowanej wiązki. Uchwyt na próbkę powinien być przymocowany do stolika liniowego, za pomocą którego kontrolowane jest pionowe położenie uchwytu próbki.
5. Umieścić kąpiel żywiczną pod uchwytem na próbkę.

3. Projektowanie i produkcja tubek żelowych

1. Określ średnicę, grubość ścianki i wysokość rurki żelowej, która ma być wyprodukowana.
2. Narysuj obrazy przekroju poprzecznego tubki żelowej. Obrazy powinny być w kolorze białym z czarnym tłem. Wstaw ten obraz do slajdów programu Microsoft PowerPoint.
3. Rozpocznij pokaz slajdów w programie Microsoft PowerPoint i wyświetl dowolny obraz. Umieść uchwyt próbki na płaszczyźnie ogniskowej, regulując pozycję pionową za pomocą dołączonego stolika.
4. Przełącz się na "fikcyjny" obraz, aby nie było niepożądanej polimeryzacji podczas umieszczania roztworu prepolimerowego.
5. Wlać roztwór prepolimeru do kąpieli żywicznej. Napełniać wannę do momentu, gdy roztwór nieznacznie przykryje uchwyt na próbkę. Teraz jest gotowy do wydruku obiektu 3D.
6. Przełącz się na szkiełko zawierające pierwszy obraz przekroju poprzecznego rurki żelowej w celu polimeryzacji pierwszej warstwy. Kontynuuj wyświetlanie obrazu przez 8 sekund i przełącz się z powrotem na slajd "zaciemnienia".
7. Obróć pokrętło na stoliku liniowym o 1/4 obrotu (~160 μm), aby opuścić uchwyt próbki. Teraz wpływa świeża żywica, która pokrywa spolimeryzowaną pierwszą warstwę.
8. Ponownie wyświetl obraz przekroju poprzecznego, aby spolimeryzować drugą warstwę na wierzchu poprzedniej. Powtarzaj kroki 3.6-3.8, aż rurka żelowa o żądanej wysokości zostanie wyprodukowana.
9. Gdy wszystkie warstwy są gotowe, wyjmij uchwyt próbki z roztworu prepolimeru i ostrożnie wyjmij wyprodukowaną próbkę za pomocą żyletki.
10. Płucz próbkę w acetonie przez ~3 godziny, a następnie pozostaw do wyschnięcia na ~1 godzinę.

4. Eksperyment pęcznienia dla formowania zalecanego wzoru przez niestabilność sprężystą

1. Przygotuj dwuwarstwowy płyn wodno-olejowy w przezroczystym szklanym naczyniu.
2. Przymocuj suchą próbkę do uchwytu na próbkę za pomocą super kleju.
3. Odwróć uchwyt próbki tak, aby próbka była odwrócona do góry nogami. Zanurzyć próbkę w kąpieli wodno-olejowej. Zbliżyć próbkę do granicy faz woda-olej z warstwy oleju. Próbka zaczyna pęcznieć, gdy próbka dotyka powierzchni wody, podczas gdy podstawowa część podłoża, na której zamocowano rurkę żelową, pozostaje w wierzchniej warstwie oleju. W ten sposób woda może dyfundować do ścianki rury, umożliwiając pęcznienie próbki, zanim ograniczająca podstawa rozluźni się przez zwilżenie. Monitoruj zmianę wzoru w miarę pęcznienia rurki żelowej za pomocą kamery cyfrowej.

Results

Prosty system PμSL wykorzystujący gotowy cyfrowy projektor danych jest pokazany na rysunku 1. Wypukła soczewka o ogniskowej 75 mm skupia wiązkę światła na małym obszarze oświetlenia o wymiarach 2 cm na 2 cm. Wynikowa rozdzielczość optyczna w płaszczyźnie wynosi około 45 μm. Rozdzielczość pionowa jest określana przez poziom precyzji stolika liniowego. Grubość warstw struktur wykonanych na potrzeby tego badania wynosi 160 μm. Każda warstwa została spolimeryzowana w celu uzyskania 8-sekundowego oświetlenia świetlnego. Reprezentatywna struktura 3D wytworzona przez system jest pokazana na rysunku 1D. Obiekt ten składa się z 58 warstw PEGDA.

Przygotowaliśmy fotoutwardzalny hydrożel PEGDA. Niskie usieciowanie, a co za tym idzie duże pęcznienie hydrożelu PEGDA uzyskano poprzez dodanie niesieciującego PEG do roztworu prepolimeru. Wzdłużny współczynnik pęcznienia powstałego hydrożelu PEGDA wynosi 1,5, co odpowiada większej niż 300% rozszerzalności objętościowej.

Zestaw tubek hydrożelowych PEGDA został zaprojektowany i wyprodukowany w oparciu o naszą teorię¹². Umieściliśmy próbkę do góry nogami i włożyliśmy do kąpieli z wodą pokrytą warstwą oleju na wierzchu, jak pokazano na rysunku 2A. W zależności od parametrów wymiarowych, okrągłe rury albo pozostawały stabilne, albo przekształcały się w falisty wzór, jak pokazano na rysunku 2B. Szeroka gama wzorów pęcznienia różnych próbek została uchwycona przez kamerę cyfrową i przedstawiona na rysunku 3A.

Rysunek 1. System mikrostereolitografii z projekcją na pulpicie: (a) przedstawienie schematyczne, (b) rzeczywisty system, (c) zbliżenie komponentów, (d) reprezentatywne struktury 3D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 2. (a) Układ doświadczalny do pęcznienia rurki hydrożelowej (b) rurka hydrożelowa z ograniczeniami przekształca się w różne wzory. Podziałka wskazuje 5 mm.

Rysunek 3. (a) Wzorce powstałe w eksperymencie pęcznienia. Oś pionowa wskazuje t/h (a więc stabilność), a oś pozioma wskazuje h/D (a więc tryb wyboczenia). Podziałka liniowa wskazuje 5 mm. (b) Tryb wyboczenia zależy tylko od h/D. Wynik eksperymentu zgadza się z przewidywaniami teoretycznymi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Próbka D (μm) t (μm) h (μm) I ja od 9300 ± 420 760 ± 40 840 ± 40 Ii od 9700 ± 420 1040 ± 40 1060 ± 40 Iii od 9700 ± 420 1210 ± 40 1340 ± 40 Iv od 9700 ± 420 1660 ± 40 1680 ± 40 II ja od 9000 ± 420 480 ± 40 880 ± 40 Ii od 9000 ± 420 od 660 ± 40 1060 ± 40 Iii od 9500 ± 420 740 ± 40 1350 ± 40 Iv 9200 ± 420 970 ± 40 1650 ± 40 III ja 8900 ± 420 od 160 ± 40 790 ± 40 Ii 8900 ± 420 300 ± 40 1020 ± 40 Iii od 9100 ± 420 380 ± 40 1330 ± 40 Iv od 9000 ± 420 490 ± 40 1630 ± 40 IV ja 8900 ± 420 od 140 ± 40 780 ± 40 Ii 8800 ± 420 od 190 ± 40 1010 ± 40 Iii od 9300 ± 420 230 ± 40 1340 ± 40 Iv 8900 ± 420 290 ± 40 1650 ± 40

Tabela 1. Wymiary próbki mierzone za pomocą mikroskopu optycznego. Błędy wskazują na niepewność pomiaru.

Discussion

W przypadku pęcznienia hydrożelu rurkowego ograniczonego na podłożu stateczność zależy tylko od t/h , a tryb wyboczenia zależy tylko od h/D¹². Wyprodukowano cztery grupy próbek (I-IV) o różnych poziomach znormalizowanej grubości t/h , przy czym grupa I była grubsza, a grupa IV bardziej smukła. Każda grupa składa się z czterech próbek (i-iv) o różnych poziomach znormalizowanej wysokości h/D, przy czym próbka i jest krótsza, a próbka iv jest wyższa. Wymiary wytworzonych próbek przedstawiono w tabeli 1. Grupy I i II są zaprojektowane tak, aby pozostawały stabilne podczas obrzęku, podczas gdy grupy III i IV są zaprojektowane tak, aby uginać się i przekształcać po obrzęku. W przypadku próbek wyboczeniowych tryb wyboczenia powinien zmniejszać się wraz z wysokością próbki. Rysunek 3A przedstawia wynik eksperymentu. Zgodnie z teorią, próbki z grupy I i II były stabilne i pozostawały okrągłe po pęcznieniu, podczas gdy próbki w grupie III i IV wszystkie przeszły przez niestabilność sprężystą i wygięły się. Ponadto próbki o tym samym h/D wykazywały podobny tryb wyboczenia. Rysunek 3B porównuje obserwowane eksperymentalnie tryby wyboczenia próbek z grupy III i IV z przewidywaniami teoretycznymi. Widzimy, że próbki o tym samym h/D mają ten sam wzór po wyboczeniu niezależnie od grubości i że wyniki eksperymentalne dobrze zgadzają się z teorią.

Pokazujemy, jak zbudować prosty stacjonarny system druku 3D za pomocą dostępnego na rynku cyfrowego projektora danych. Proponowane podejście opiera się na fotoutwardzaniu polimeru w celu konstruowania struktur 3D, a zatem dowolne polimery fotoutwardzalne mogą być również stosowane ogólnie, o ile fotoinicjator ma odpowiednią absorbancję w zakresie widzialnych długości fal. Należy pamiętać, że wiele dostępnych na rynku fotoinicjatorów jest zaprojektowanych dla długości fal ultrafioletowych (UV), ale zastosowany tutaj fotoinicjator ma stosunkowo wyższą absorbancję przy długościach fal dłuższych niż 400 nm. Oferując łatwy i szybki sposób wytwarzania obiektów 3D, metoda ta znajdzie wiele zastosowań w różnych dziedzinach, w tym w mechanice miękkich materiałów, jak pokazano tutaj.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Diakrylan poli(glikolu etylenowego)	Sigma-Aldrich	437441	Mw~575
Poli(glikol etylenowy)	Sigma-Aldrich	P3015	Mw~200
tlenek fenylobis(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfiny	Sigma-Aldrich	511447	Fotoinicjator
Sudan I	Sigma-Aldrich	103624	Fotoabsorber
	Viewsonic	PJD6221
Soczewka wypukła	Thorlabs	LA1145	f=75.0 mm
Lustro			4" wafel silikonowy
Stolik ręczny	Velmex	A2506DE-S2.5