Name: Mikrodruk 3D z wykorzystaniem projektora cyfrowego i jego zastosowanie w badaniach nad mechaniką materiałów miękkich (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 24 s
Description: Poznaj mikrodruk 3D z projektorem cyfrowym do badania transformacji wzorów w pęczniejących rurkach żelowych poprzez niestabilność sprężystą. Ta metoda umożliwia szybką mikrofabrykację materiałów miękkich.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Autorzy chcieliby podziękować Josephowi Muskinowi i Matthewowi Ragusie z University of Illinois w Urbana-Champaign za udostępnienie obrazów przekrojowych dla struktur 3D przedstawionych na Rysunku 1D.

1. Przygotowanie roztworu prepolimeru
<ol>
	<li>Wymieszać diakrylan poli(glikolu etylenowego) (PEG-DA) (średnia masa cząsteczkowa ~575, Sigma-Aldrich) oraz poli(glikol etylenowy) (PEG) (średnia masa cząsteczkowa ~200, Sigma-Aldrich) w stosunku masowym 1:2.</li>
	<li>Dodać 0,67 %mas. fotoinicjatora (tlenek fenylbis(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfinowy, Sigma-Aldrich). Od tego momentu roztwór należy przechowywać w ciemności.</li>
	<li>Dodać 0,05 %mas. fotoabsorbera (Sudan I, Sigma-Aldrich).</li>
	<li>Mieszać roztwór przez 24 h w temperaturze pokojowej przy użyciu mieszadła magnetycznego.</li>
</ol>
2. Konfiguracja drukarki 3D do użytku domowego z wykorzystaniem cyfrowego projektora danych
<ol>
	<li>Ustaw cyfrowy projektor danych w płaskiej i stabilnej pozycji i podłącz go do komputera z zainstalowanym programem Microsoft PowerPoint.</li>
	<li>Umieść soczewkę skupiającą bezpośrednio przed soczewką wyjściową wiązki projektora cyfrowego. Wybierz taką soczewkę skupiającą, aby płaszczyzna ogniskowa znajdowała się około 10 cm od projektora. (Rozdzielczość optyczna jest mniejsza dla soczewki o krótszej ogniskowej, jednak należy zachować pewną przestrzeń na komponenty optyczne).</li>
	<li>Umieść lustro za soczewką skupiającą na drodze wiązki pod kątem 45°, aby skierować wiązkę pionowo w dół.</li>
	<li>Umieść uchwyt na próbkę w płaszczyźnie ogniskowej rzutowanej wiązki. Uchwyt na próbkę powinien być przymocowany do prowadnicy liniowej, za pomocą której kontrolowana jest jego pozycja pionowa.</li>
	<li>Umieść kąpiel żywiczną pod uchwytem na próbkę.</li>
</ol>
3. Projektowanie i wytwarzanie rurek żelowych
<ol>
	<li>Określ średnicę, grubość ścianek i wysokość rurki żelowej, która ma zostać wykonana.</li>
	<li>Przygotuj obrazy przekrojów poprzecznych rurki żelowej. Obrazy powinny być białe na czarnym tle. Wstaw te obrazy do slajdów w programie Microsoft PowerPoint.</li>
	<li>Uruchom pokaz slajdów w programie Microsoft PowerPoint i wyświetl dowolny obraz. Umieść uchwyt próbki w płaszczyźnie ogniskowania, regulując pozycję pionową za pomocą dołączonego stolika.</li>
	<li>Przełącz na "pozorny" czarny obraz, aby zapobiec niepożądanej polimeryzacji podczas wprowadzania roztworu prepolimeru.</li>
	<li>Wlej roztwór prepolimeru do kąpieli żywicznej. Napełnij kąpiel tak, aby roztwór lekko przykrywał uchwyt próbki. Układ jest teraz gotowy do druku 3D obiektu.</li>
	<li>Przełącz na slajd zawierający pierwszy obraz przekroju poprzecznego rurki żelowej, aby spolimeryzować pierwszą warstwę. Wyświetlaj obraz przez 8 sec, a następnie wróć do slajdu "blackout".</li>
	<li>Obróć pokrętło stolika liniowego o ¼ obrotu (~160 μm), aby obniżyć uchwyt próbki. Wówczas świeża żywica napływa, aby przykryć spolimeryzowaną pierwszą warstwę.</li>
	<li>Ponownie wyświetl obraz przekroju poprzecznego, aby spolimeryzować drugą warstwę na poprzedniej. Powtarzaj kroki 3.6-3.8, aż do momentu wykonania rurki żelowej o żądanej wysokości.</li>
	<li>Po ukończeniu wszystkich warstw wyjmij uchwyt próbki z roztworu prepolimeru i ostrożnie wyjmij wykonaną próbkę za pomocą żyletki.</li>
	<li>Przepłucz próbkę w acetonie przez ~3 hr, a następnie pozostaw do wyschnięcia przez ~1 hr.</li>
</ol>
4. Eksperyment pęcznienia w celu uzyskania zaprogramowanego wzorca poprzez niestabilność sprężystą
<ol>
	<li>Przygotuj dwuwarstwową ciecz woda-olej w przezroczystym szklanym naczyniu.</li>
	<li>Przymocuj suchą próbkę do uchwytu na próbkę za pomocą superkleju.</li>
	<li>Obróć uchwyt tak, aby próbka znajdowała się do góry nogami. Zanurz próbkę w kąpieli z cieczy woda-olej. Przesuwaj próbkę w stronę granicy faz woda-olej z poziomu warstwy oleju. Próbka zacznie pęcznieć w momencie zetknięcia z powierzchnią wody, podczas gdy część podstawy, na której zamocowano rurkę żelową, pozostanie w górnej warstwie oleju. W ten sposób woda może dyfundować do ścianki rurki, umożliwiając pęcznienie próbki, zanim ograniczająca ją podstawa rozluźni się w wyniku zwilżania. Monitoruj zmianę wzorca podczas pęcznienia rurki żelowej za pomocą kamery cyfrowej.</li>
</ol>

<ol><li>Timoshenko, S. P., Gere, J. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTimoshenko%2C+SP+%22Theory+of+Elastic+Stability%22">Theory of Elastic Stability</a>. , McGraw-Hill. (1961).</li>
<li>Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leaves+Flowers+and+Garbage+Bags%3A+Making+Waves%5BTitle%5D)+AND+%22American+Scientist%22%5BJournal%5D)">Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves.</a> American Scientist. 92, 254-261 (2004).</li>
<li>Kücken, M., Newell, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fingerprint+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Theoretical+Biology%22%5BJournal%5D)">Fingerprint formation.</a> Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).</li>
<li>Liang, H., Mahadevan, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+shape+of+a+long+leaf%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The shape of a long leaf.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).</li>
<li>Bayer, S. A., Altman, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBayer%2C+SA+%22The+human+brain+during+the+second+trimester%22">The human brain during the second trimester</a>. , Taylor & Francis. (2005).</li>
<li>Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creasing+instability+of+surface-attached+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Creasing instability of surface-attached hydrogels.</a> Soft Matter. 4, 564(2008).</li>
<li>Breid, D., Crosby, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+stress+state+on+wrinkle+morphology%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Effect of stress state on wrinkle morphology.</a> Soft Matter. 7, 4490(2011).</li>
<li>Mora, T., Boudaoud, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Buckling+of+swelling+gels%5BTitle%5D)+AND+%22The+European+Physical+Journal+E%22%5BJournal%5D)">Buckling of swelling gels.</a> The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).</li>
<li>DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Swelling-induced+instabilities+in+microscale%2C+surface-confined+poly%28N-isopropylacryamide%29+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels.</a> Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).</li>
<li>Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+Transition+in+Artificial+Tumors%3A+From+Smooth+Buckles+to+Singular+Creases%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases.</a> Physical Review Letters. 107, 018103(2011).</li>
<li>Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+Pattern+Instability+and+Shape-Memory+Hysteresis+for+Phononic+Switching%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching.</a> Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).</li>
<li>Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prescribed+Pattern+Transformation+in+Swelling+Gel+Tubes+by+Elastic+Instability%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability.</a> Physical Review Letters. 108, 214304(2012).</li>
<li>Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Projection+micro-stereolithography+using+digital+micro-mirror+dynamic+mask%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).</li>
<li>Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Printing+Using+a+Photoinitiated+Polymer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer.</a> Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

W przypadku pęcznienia rurkowatego hydrożelu ograniczonego na podłożu stabilność zależy wyłącznie od t/h, a tryb wyboczenia zależy wyłącznie od h/D12. Wykonano cztery grupy próbek (I-IV) o różnych poziomach znormalizowanej grubości t/h, przy czym grupa I była najgrubsza, a grupa IV najcieńsza. Każda grupa składa się z czterech próbek (i-iv) o różnych poziomach znormalizowanej wysokości h/D, gdzie próbka i była najniższa, a próbka iv najwyższa. Wymiary wykonanych próbek przedstawiono w Tabeli 1. Grupy I i II zostały zaprojektowane tak, aby pozostawały stabilne podczas pęcznienia, natomiast grupy III i IV mają ulegać wyboczeniu i transformacji podczas pęcznienia. W przypadku próbek ulegających wyboczeniu tryb wyboczenia powinien maleć wraz z wysokością próbki. Rysunek 3A przedstawia wyniki eksperymentalne. Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi, próbki z grup I i II były stabilne i zachowały kształt okrągły podczas pęcznienia, natomiast wszystkie próbki z grup III i IV przeszły przez niestabilność sprężystą i uległy wyboczeniu. Ponadto próbki o tym samym h/D wykazały podobny tryb wyboczenia. Rysunek 3B porównuje eksperymentalnie zaobserwowane tryby wyboczenia próbek z grup III i IV z przewidywaniami teoretycznymi. Widać, że próbki o tym samym h/D wykazują ten sam wzór powyboczeniowy niezależnie od grubości i że wyniki eksperymentalne są zgodne z teorią.
Przedstawiamy sposób budowy prostego systemu druku 3D na biurko z wykorzystaniem komercyjnie dostępnego cyfrowego projektora danych. Proponowane podejście opiera się na fotoutwardzaniu polimeru w celu tworzenia struktur 3D, w związku z czym można stosować dowolne polimery fotoutwardzalne, pod warunkiem, że fotoinicjator wykazuje odpowiednią absorbancję w zakresie widzialnym. Należy zauważyć, że wiele dostępnych komercyjnie fotoinicjatorów jest przeznaczonych do fal ultrafioletowych (UV), natomiast fotoinicjator użyty w niniejszym opracowaniu wykazuje stosunkowo wyższą absorbancję przy długościach fal powyżej 400 nm. Metoda ta, oferując łatwy i szybki sposób wytwarzania obiektów 3D, znajdzie wiele zastosowań w różnych dziedzinach, w tym w mechanice materiałów miękkich, co zostało tutaj zademonstrowane.

<table><tbody><tr><td>Diakrylan glikolu polietylenowego</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>437441</td><td>Mw~575</td></tr><tr><td>Glikol polietylenowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3015</td><td>Mw~200</td></tr><tr><td>tlenek fenylbis(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfinowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>511447</td><td>Fotoinicjator</td></tr><tr><td>Sudan I</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>103624</td><td>Fotoabsorber</td></tr><tr><td>Cyfrowy projektor danych</td><td>Viewsonic</td><td>PJD6221</td><td></td></tr><tr><td>Soczewka skupiająca</td><td>Thorlabs</td><td>LA1145</td><td>f = 75.0 mm</td></tr><tr><td>Lustro</td><td></td><td></td><td>4&quot; wafel krzemowy</td></tr><tr><td>Stolik manualny</td><td>Velmex</td><td>A2506DE-S2.5</td><td></td></tr></tbody></table>

mikrodruk 3d z wykorzystaniem projektora cyfrowego i jego zastosowanie w badaniu mechaniki materiałów miękkich

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Wyboczenie jest klasycznym zagadnieniem w mechanice. Choć wyboczenie od dawna badano jako jeden z głównych trybów awarii konstrukcyjnych1, ostatnio zwrócono na nie nową uwagę jako na unikalny mechanizm transformacji wzorców. Natura obfituje w przykłady, w których bogactwo egzotycznych wzorców powstaje w wyniku niestabilności mechanicznej2-5. Zainspirowane tym eleganckim mechanizmem liczne badania wykazały możliwość tworzenia i przekształcania wzorców przy użyciu materiałów miękkich, takich jak elastomery i hydrożele6-11. Szczególne zainteresowanie budzą żele pęczniejące, ponieważ mogą one spontanicznie wywoływać niestabilność mechaniczną w celu tworzenia różnych wzorców bez potrzeby przykładania siły zewnętrznej6-10. Niedawno zgłosiliśmy demonstrację pełnej kontroli nad wzorcem wyboczenia mikrostrukturalnych żeli rurkowych przy użyciu projekcyjnej mikrostereolitografii (PμSL), trójwymiarowej (3D) technologii wytwarzania zdolnej do szybkiego konwertowania generowanych komputerowo modeli 3D w obiekty fizyczne o wysokiej rozdzielczości12,13. W niniejszej pracy przedstawiamy prostą metodę budowy uproszczonego systemu PμSL z wykorzystaniem dostępnego w handlu cyfrowego projektora danych, aby badać niestabilność wyboczenia indukowaną pęcznieniem w celu kontrolowanej transformacji wzorców.
Prosta nadblatowa drukarka 3D została zbudowana przy użyciu standardowego cyfrowego projektora danych oraz prostych komponentów optycznych, takich jak soczewka skupiająca i lustro14. Obrazy przekrojów wyodrębnione z trójwymiarowego modelu bryły są sekwencyjnie projektowane na powierzchnię światłoczułej żywicy, co prowadzi do polimeryzacji ciekłej żywicy w pożądaną strukturę 3D w sposób warstwowy. Nawet przy tak prostej konfiguracji i łatwym procesie możliwe jest szybkie wytwarzanie dowolnych obiektów 3D z rozdzielczością poniżej 100 μm.
Ta nadbiurkowa drukarka 3D wykazuje potencjał w badaniach nad mechaniką materiałów miękkich, oferując doskonałą możliwość eksploracji różnorodnych geometrii 3D. Wykorzystujemy ten system do wytwarzania rurkowych struktur hydrożelowych o różnych wymiarach. Dzięki przymocowaniu do podłoża w dolnej części, rurkowy żel wykazuje niejednorodne naprężenia podczas pęcznienia, co prowadzi do niestabilności związanej z wyboczeniem. Gdy struktury żelowe ulegają wyboczeniu, wzdłuż obwodu rurki pojawiają się różne wzory faliste. Eksperymenty wykazują, że obwodowe wyboczenie w pożądanym trybie można wywołać w sposób kontrolowany. Transformacja wzorców w trójwymiarowych strukturach rurkowych żeli ma istotne znaczenie nie tylko w mechanice i nauce o materiałach, ale także w wielu innych rozwijających się dziedzinach, takich jak regulowalne metamateriały.

Prosty system PμSL wykorzystujący standardowy cyfrowy projektor danych przedstawiono na Rysunku 1. Soczewka skupiająca o ogniskowej 75 mm koncentruje wiązkę w niewielkim obszarze oświetlenia o wymiarach 2 cm na 2 cm. Wynikowa rozdzielczość optyczna w płaszczyźnie wynosi około 45 μm. Rozdzielczość pionowa jest określona przez poziom precyzji stolika liniowego. Grubość warstwy struktur wykonanych w badaniu wynosi 160 μm. Każda warstwa była polimeryzowana przez 8 s naświetlania. Reprezentatywna struktura 3D wykonana za pomocą tego systemu przedstawiona jest na Rysunku 1D. Obiekt ten składa się z 58 warstw PEGDA.
Przygotowaliśmy fotoutwardzalny hydrożel PEGDA. Niski stopień sieciowania, a w konsekwencji duże pęcznienie hydrożelu PEGDA, uzyskano poprzez dodanie niesieciującego PEG do roztworu prepolimeru. Współczynnik pęcznienia wzdłużnego otrzymanego hydrożelu PEGDA wynosi 1,5, co odpowiada ekspansji objętościowej przekraczającej 300%.
Zestaw rurek z hydrożelu PEGDA został zaprojektowany i wykonany w oparciu o naszą teorię12. Próbkę umieściliśmy do góry nogami i zanurzyliśmy w kąpieli wodnej przykrytej warstwą oleju, zgodnie z ilustracją na Ryc. 2A. W zależności od parametrów wymiarowych, rurki okrągłe pozostawały stabilne lub przekształcały się w strukturę pofalowaną, co pokazano na Ryc. 2B. Szeroki zakres wzorów pęcznienia różnych próbek został zarejestrowany za pomocą aparatu cyfrowego i przedstawiony na Ryc. 3A.
<img alt="Schemat zestawu do druku 3D w technologii projekcyjnej i eksperyment z użyciem żywicy polimerowej; obrazowanie w przekroju." src="/files/ftp_upload/4457/4457fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
 Rysunek 1. Pulpitowy system mikrostereolitografii projekcyjnej (a) schemat reprezentatywny (b) rzeczywisty system (c) widok zbliżony komponentów (d) reprezentatywne struktury 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig1large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy rysunek</a>.
<img alt="Równowaga statyczna w mieszaninie olejowo-wodnej, schemat przedstawiający stabilizację próbki i proces wyboczenia." src="/files/ftp_upload/4457/4457fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
 Rysunek 2. (a) Układ eksperymentalny do pęcznienia rurki z hydrożelu (b) ograniczona rurka z hydrożelu przekształca się w różne wzory. Pasek skali wskazuje 5 mm.
<img alt="Analiza równowagi statycznej, tryby wyboczenia; schemat ze strukturami okrągłymi, wykres trybów wyboczenia." src="/files/ftp_upload/4457/4457fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
 Rysunek 3. (a) Wzory powstałe w eksperymencie pęcznienia. Oś pionowa wskazuje t/h (zatem stabilność), a oś pozioma wskazuje h/D (zatem tryb wyboczenia). Pasek skali wskazuje 5 mm. (b) Tryb wyboczenia zależy wyłącznie od h/D. Wynik eksperymentalny jest zgodny z przewidywaniami teoretycznymi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig3large.jpg" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek</a>.
<table border="1">
	<tbody >
		<tr >
			<td colspan="2">Próbka</td>
			<td>D (μm) </td>
			<td>t (μm) </td>
			<td>h (μm) </td>
		</tr >
		<tr >
			<td rowspan="4">I</td>
			<td>i</td>
			<td>9300 ± 420</td>
			<td>760 ± 40</td>
			<td>840 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>ii</td>
			<td>9700 ± 420</td>
			<td>1040 ± 40</td>
			<td>1060 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iii</td>
			<td>9700 ± 420</td>
			<td>1210 ± 40</td>
			<td>1340 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iv</td>
			<td>9700 ± 420</td>
			<td>1660 ± 40</td>
			<td>1680 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td rowspan="4">II</td>
			<td>i</td>
			<td>9000 ± 420</td>
			<td>480 ± 40</td>
			<td>880 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>ii</td>
			<td>9000 ± 420</td>
			<td>660 ± 40</td>
			<td>1060 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iii</td>
			<td>9500 ± 420</td>
			<td>740 ± 40</td>
			<td>1350 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iv</td>
			<td>9200 ± 420</td>
			<td>970 ± 40</td>
			<td>1650 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td rowspan="4">III</td>
			<td>i</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>160 ± 40</td>
			<td>790 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>ii</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>300 ± 40</td>
			<td>1020 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iii</td>
			<td>9100 ± 420</td>
			<td>380 ± 40</td>
			<td>1330 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iv</td>
			<td>9000 ± 420</td>
			<td>490 ± 40</td>
			<td>1630 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td rowspan="4">IV</td>
			<td>i</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>140 ± 40</td>
			<td>780 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>ii</td>
			<td>8800 ± 420</td>
			<td>190 ± 40</td>
			<td>1010 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iii</td>
			<td>9300 ± 420</td>
			<td>230 ± 40</td>
			<td>1340 ± 40</td>
		</tr >
		<tr >
			<td>iv</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>290 ± 40</td>
			<td>1650 ± 40</td>
		</tr >
	</tbody>
</table>
Tabela 1. Wymiary próbek zmierzone za pomocą mikroskopu optycznego. Błędy wskazują niepewność pomiaru.

Prezentujemy kontrolowaną transformację wzorców pęczniejących rurek żelowych poprzez niestabilność sprężystą. Prosty układ projekcyjnej mikrolitografii stereolitycznej został zbudowany przy użyciu standardowego cyfrowego projektora danych w celu wytwarzania trójwymiarowych struktur polimerowych metodą warstwową. Pęczniejące rurki hydrożelowe poddane ograniczeniom mechanicznym wykazują różne tryby wyboczenia obwodowego w zależności od wymiarów.

Mikrodruk 3D z wykorzystaniem projektora cyfrowego i jego zastosowanie w badaniu mechaniki materiałów miękkich

Wyboczenie jest klasycznym zagadnieniem w mechanice. Choć wyboczenie od dawna badano jako jeden z głównych mechanizmów zniszczenia konstrukcji1, w ostatnim czasie wzbudziło ono nowe...

Ogólnym celem poniższego filmu jest zademonstrowanie konstrukcji prostego narzędzia do mikrofabrykacji żeli 3D oraz jego zastosowania w transformacji wzorców pęczniejących rurek żelowych poprzez niestabilność sprężystą. Prosta mikro drukarka 3D została zbudowana z wykorzystaniem standardowego cyfrowego projektora danych w celu wytworzenia rurek żelowych o różnych wymiarach. Fabrykacja rurek żelowych odbywa się poprzez projekcję zaprojektowanego obrazu na uchwyt próbki, który jest zanurzony w kąpieli z żywicy zawierającej roztwór prepolimeru z fotoinicjatorem i fotoabsorberem.Gdy warstwa zostanie utworzona poprzez fotopolimeryzację, uchwyt próbki opada i kolejna warstwa jest wytwarzana na wierzchu poprzedniej. W ten sposób próbka 3D jest wytwarzana warstwa po warstwie. Następnie każdą próbkę doprowadza się do kontaktu z wodą, aby wywołać transformację kształtu poprzez niestabilność sprężystą indukowaną pęcznieniem.Wyniki pokazują, że rurki okrągłe przekształcają się w różne wzory faliste o różnych liczbach falowych, w zależności od geometrii wybaczającego żelu. Główną zaletą tej techniki wytwarzania w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak fototerapia, jest fakt, że oferuje ona szybkie narzędzie do mikrofabrykacji 3D materiałów miękkich, takich jak żele. W rezultacie możliwe jest teraz łatwe urzeczywistnienie w formie obiektów fizycznych do badań eksperymentalnych różnych interesujących geometrii trójwymiarowych, których wykonanie było dotąd trudne.Aby rozpocząć tę procedurę, przygotuj roztwór prepolimeru zawierający fotoinicjator i fotoabsorber zgodnie z opisem w protokole pisemnym. Po przygotowaniu roztworu ustaw cyfrowy projektor danych w płaskiej i stabilnej pozycji i podłącz go do komputera z zainstalowanym programem Microsoft PowerPoint. Umieść soczewkę wypukłą bezpośrednio przed soczewką wyjściową wiązki projektora cyfrowego.Wybierz soczewkę skupiającą tak, aby płaszczyzna ogniskowej znajdowała się w odległości około 10 cm od projektora. Rozdzielczość optyczna jest wyższa w przypadku soczewki o krótszej ogniskowej, jednak należy pozostawić pewną przestrzeń na komponenty optyczne. Umieść lustro za soczewką skupiającą na drodze wiązki pod kątem 45 stopni, aby skierować wiązkę pionowo w dół.Następnie umieść uchwyt próbki w płaszczyźnie ogniskowej rzutowanej wiązki. Uchwyt próbki powinien być przymocowany do prowadnicy liniowej, za pomocą której sterowana jest jego pozycja pionowa. Na koniec umieść pod uchwytem próbki kąpiel z żywicą, aby zaprojektować rurki żelowe. Rzutuj obraz o znanej liczbie pikseli na uchwyt próbki, aby zmierzyć przelicznik z piksela na długość fizyczną.W tym konkretnym przypadku obraz o szerokości 135 pikseli odpowiadał pomiarowi 5,8 milimetra, co daje 43 mikrony na piksel. Na podstawie tych informacji przelicz wymiary fizyczne rurki żelowej — średnicę, grubość ścianki i wysokość — na piksele. Następnie narysuj obrazy przekroju poprzecznego rurki żelowej.Obrazy powinny być białe na czarnym tle. Wstaw te obrazy do slajdów programu Microsoft PowerPoint. Uruchom pokaz slajdów w programie Microsoft PowerPoint i wyświetl dowolny obraz.Umieść uchwyt próbki w płaszczyźnie ogniskowej, regulując pozycję pionową za pomocą dołączonego przełącznika stolika, tak aby uzyskać czarny obraz tła i zapobiec niepożądanej polimeryzacji podczas dodawania roztworu prepolimerycznego. Wlej roztwór prepolimeryczny do kąpieli z żywicą. Za pomocą pipety napełnij kąpiel tak, aby roztwór lekko przykrywał uchwyt próbki.Obiekt 3D jest teraz gotowy do wydruku. Przełącz na slajd zawierający pierwszy obraz przekroju rurki żelowej, aby spolimeryzować pierwszą warstwę. Projektuj obraz przez osiem sekund, a następnie powróć do slajdu całkowicie czarnego.Obróć pokrętło platformy liniowej o jedną czwartą obrotu, około 160 mikronów, aby obniżyć uchwyt próbki. Pozwoli to na dopływ świeżej żywicy, która pokryje spolimeryzowaną pierwszą warstwę w przypadku, gdyby żywica w stanie ciekłym była zbyt lepka, by dopłynąć samoistnie. Przesuń platformę dalej w dół, aby całkowicie zanurzyć wytworzoną warstwę w żywicy, a następnie ustaw platformę ponownie na wysokość 160 mikronów poniżej powierzchni.Ponownie wyświetl obraz przekroju, aby spolimeryzować drugą warstwę na poprzedniej. Powtarzaj ten proces, aż zostanie wykonana probówka żelowa o pożądanej wysokości. Po ukończeniu wszystkich warstw wyjmij uchwyt próbki z roztworu prepolimeryzacyjnego i odbierz wykonaną próbkę.Używając ostrożnie żyletki, płucz próbkę w acetonie przez około trzy godziny, a następnie pozostaw ją do wyschnięcia na około jedną godzinę. Aby przeprowadzić eksperyment pęcznienia, przygotuj w przezroczystej szalce Petri dwuwarstwową ciecz składającą się z wody i oleju. Ustaw granicę faz wody i oleju w płaszczyźnie ogniskowej kamery, regulując położenie szalki Petri, a następnie przymocuj suchą próbkę do uchwytu na próbki za pomocą superglue.Odwróć uchwyt próbki tak, aby znajdował się do góry nogami. Zanurz próbkę w kąpieli cieczowej z wody i oleju. Przesuń próbkę w stronę granicy fazy woda-olej od strony warstwy olejowej.Próbka zaczyna pęcznieć w momencie kontaktu z powierzchnią wody, podczas gdy podłoże, na którym zamocowana jest rurka żelowa, pozostaje w górnej warstwie oleju. W ten sposób woda może dyfundować do ścianki rurki, umożliwiając pęcznienie próbki przed rozluźnieniem ograniczającej podstawy wskutek namoczenia. Następnie należy monitorować zmiany wzorca podczas pęcznienia rurki żelowej.Przedstawiono tutaj prosty system projekcyjnej mikrostereolitografii cyfrowej z wykorzystaniem dostępnego w sprzedaży projektora danych cyfrowych. Soczewka zbiorna o ogniskowej 75 milimetrów skupia wiązkę na niewielkim obszarze naświetlania o wymiarach dwóch centymetrów na dwa centymetry, co przekłada się na rozdzielczość optyczną w płaszczyźnie poziomej wynoszącą około 45 mikronów. Rozdzielczość pionowa jest określona przez poziom precyzji stołu liniowego.Grubość struktur wykonanych na potrzeby niniejszego badania wynosi 160 mikronów. Każda warstwa została spolimeryzowana poprzez ośmiosekundową ekspozycję na światło. Przedstawiono reprezentatywną strukturę 3D wykonaną za pomocą systemu.Obiekt ten składa się z 58 warstw PEG DA. Zestaw fotoutwardzalnych rurek z hydrożelu PEG DA został zaprojektowany i wykonany w celu uzyskania niskiego stopnia usieciowania, a tym samym dużego pęcznienia, zgodnie z opisem w protokole pisemnym; próbkę umieszczono dnem do góry w kąpieli wodno-olejowej. Jak pokazano na filmie, w zależności od parametrów wymiarowych, rurki okrągłe albo pozostały stabilne, albo przekształciły się w strukturę falistą.Wymiary probówki z żelem determinują liczbę fal powstających podczas pęcznienia. Szeroka gama wzorów pęcznienia różnych próbek została zarejestrowana za pomocą kamery cyfrowej. Oś pionowa wskazuje stabilność jako stosunek grubości do wysokości (T do H), a oś pozioma wskazuje tryb wyboczenia jako stosunek wysokości do średnicy (H do D). Białe cyfry oznaczają numer trybu wyboczenia, który odpowiada liczbie fal wzdłuż obwodu, jak pokazano tutaj.Tryb wyboczenia niestabilnych próbek zależy wyłącznie od HD, a wyniki eksperymentalne są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. W niniejszym filmie wykorzystujemy tę metodę jako przydatne narzędzie eksperymentalne w mechanice materiałów miękkich, jednak znajdzie ona również wiele zastosowań w innych dziedzinach nauki i inżynierii, w tym w miękkiej robotyce oraz inżynierii biomedycznej. Ponadto metoda ta jest bardzo prosta i przystępna kosztowo.Każdy może zbudować własną mikro drukarkę 3D w laboratorium, postępując zgodnie z protokołem przedstawionym w tym filmie.

micro-3d-printing-using-digital-projector-its-application-study-soft

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

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

Korzystając z nowoczesnych technologii wytłaczania i drukowania tworzyw sztucznych, teraz można szybko i tanio produkować fizyczne modele danych z tomografii komputerowej wykonanej w laboratorium.  Trójwymiarowe drukowanie danych tomograficznych jest potężnym narzędziem do wizualizacji, badań i edukacji, do którego może teraz uzyskać dostęp społeczność zajmująca się obrazowaniem przedklinicznym.

Druk 3D przedklinicznych zestawów danych tomografii komputerowej rentgenowskiej

Nowy system obliczeniowy z akcelerowaną przez GPU symulacją dynamiki molekularnej oraz wizualizacją 3D/VR, analizą i manipulacją nanostruktur został zaimplementowany, reprezentując nowatorskie podejście do zaawansowanych badań materiałowych i promowania innowacyjnych badań i alternatywnych metod uczenia się o strukturach materialnych o wymiarach niewidocznych dla ludzkiego oka.

Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD

Ten artykuł przedstawia strategię mikroprodukcji 3D addytywnej (określanej jako 'mikromurarstwo') do elastycznego wytwarzania struktur i urządzeń systemów mikroelektromechanicznych (MEMS). Podejście to obejmuje montaż materiałów w mikro i nanoskali w oparciu o druk transferowy w połączeniu z technikami szybkiego łączenia materiałów z wykorzystaniem wyżarzania termicznego.

Mikromurarstwo do mikroprodukcji addytywnej 3D

Fizyczne modele biomolekuł mogą ułatwić badaczowi zrozumienie ich struktury-funkcji, pomóc w komunikacji między badaczami i służyć jako narzędzie edukacyjne w przedsięwzięciach pedagogicznych. Tutaj przedstawiamy szczegółowe wskazówki dotyczące drukowania 3D dokładnych modeli biomolekuł przy użyciu stacjonarnych drukarek 3D do produkcji topionych włókien.

Druk 3D modeli biomolekularnych do badań i pedagogiki

Ta praca przedstawia czujnik pomiaru odkształcenia składający się z mechanizmu wzmacniającego i mikroskopu polidimetylosiloksanowego, wykonany przy użyciu ulepszonej drukarki 3D.

Produkcja urządzenia do pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D

Fizyczne modelowanie systemów mikroskopijnych pomaga uzyskać wgląd, który jest trudny do uzyskania w inny sposób. Aby ułatwić budowę fizycznych modeli molekularnych, pokazujemy, w jaki sposób druk 3D może być wykorzystany do składania funkcjonalnych modeli makroskopowych, które w sposób dotykowy oddają cechy układów molekularnych.

Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D

Ten projekt pozwala małym laboratoriom na opracowanie łatwej w użyciu platformy do produkcji precyzyjnych wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych. Platforma składa się z wydrukowanego w trzech wymiarach adaptera do ustawiania maski mikroskopowej, za pomocą którego uzyskano wielowarstwowe urządzenia mikroprzepływowe z błędami wyrównania &lt;10 μm.

Projekt i opracowanie trójwymiarowo drukowanego adaptera do wyrównywania maski mikroskopowej do wytwarzania wielowarstwowych urządzeń mikroprzepływowych

Ta metoda demonstruje przepływ pracy druku 3D oparty na wokselach, który drukuje bezpośrednio z obrazów medycznych z dokładną wiernością przestrzenną i rozdzielczością przestrzenną/kontrastową. Umożliwia to precyzyjną, stopniowaną kontrolę rozkładu materiałów za pomocą morfologicznie złożonych, stopniowanych materiałów skorelowanych z gęstością promieniotwórczą bez utraty lub zmiany danych.

Anatomia drukowania wokselowego: projektowanie i wytwarzanie realistycznych, przedchirurgicznych modeli planistycznych za pomocą drukowania bitmapowego

Obecny protokół opisuje cyfrowy druk 3D materiałów polimerowych oparty na przetwarzaniu światła przy użyciu fotoinicjowanej odwracalnej polimeryzacji łańcuchowej addycyjno-fragmentacyjnej typu I i późniejszej post-funkcjonalizacji materiału in situ poprzez polimeryzację za pośrednictwem powierzchni. Fotoindukowany druk 3D zapewnia materiałom niezależnie dopasowane i kontrolowane przestrzennie właściwości sypkie i międzyfazowe.

Druk 3D i modyfikacja powierzchni in situ za pomocą fotoinicjowanej odwracalnej polimeryzacji łańcuchowej addycyjno-fragmentacyjnej typu I

Druk 3D w skali mikrometrycznej umożliwia szybkie prototypowanie urządzeń polimerowych do hodowli komórek neuronalnych. Jako dowód słuszności zasady, połączenia strukturalne między neuronami były ograniczane przez tworzenie barier i kanałów wpływających na rozrost neurytów, podczas gdy funkcjonalne konsekwencje takiej manipulacji zaobserwowano za pomocą elektrofizjologii zewnątrzkomórkowej.

Polimeryzacja dwufotonowa: druk 3D urządzeń do hodowli komórek neuronalnych w mikroskali

Poznaj mikrodruk 3D z projektorem cyfrowym do badania transformacji wzorów w pęczniejących rurkach żelowych poprzez niestabilność sprężystą. Ta metoda umożliwia szybką mikrofabrykację materiałów miękkich.

Mikrodruk 3D z wykorzystaniem projektora cyfrowego i jego zastosowanie w badaniu mechaniki materiałów miękkich

Przeglądaj więcej filmów