Mikrodruk 3D z wykorzystaniem projektora cyfrowego i jego zastosowanie w badaniach nad mechaniką materiałów miękkich
27 listopada 2012
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.
Ogólnym celem poniższego filmu jest zademonstrowanie budowy prostego narzędzia do mikrowytwarzania żelu 3D i jego zastosowania w transformacji wzoru pęczniejących rurek żelowych przez niestabilność sprężystości. Prosta mikro drukarka 3D jest zbudowana przy użyciu gotowego cyfrowego projektora danych w celu wytworzenia próbek żelu rurkowego o różnych wymiarach. Wytwarzanie próbek żelu rurkowego odbywa się poprzez projekcję zaprojektowanego obrazu na uchwyt próbki, który jest zanurzony w kąpieli żywicznej, zawierającej roztwór prepolimeru z fotoinicjatorem i fotoabsorberem.
Gdy warstwa zostanie utworzona przez fotopolimeryzację, uchwyt próbki opada, a następna warstwa jest wytwarzana na poprzedniej. W ten sposób próbka 3D jest wytwarzana warstwa po warstwie. Następnie każda próbka jest stykana z wodą w celu wywołania transformacji kształtu poprzez pęcznienie wywołane niestabilność sprężystości.
Wyniki pokazują, że okrągłe rury przekształcają się w różne faliste wzory o różnej liczbie fal w zależności od geometrii żelu wyboczeniowego. Główną zaletą tej techniki wytwarzania w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak fototerapia, jest to, że oferuje szybkie narzędzie do mikroprodukcji 3D dla miękkich materiałów, takich jak żele. W rezultacie, różne interesujące geometrie trzech wykopów, które są trudne do wykonania, mogą być teraz łatwo zrealizowane w obiekty fizyczne do badań eksperymentalnych.
Aby rozpocząć tę procedurę, należy przygotować wstępny roztwór polimerowy zawierający fotoinicjator i fotoabsorber zgodnie z opisem w pisemnym protokole. Po przygotowaniu roztworu umieść cyfrowy projektor danych w płaskiej i stabilnej pozycji i podłącz go do komputera z zainstalowanym programem Microsoft PowerPoint. Umieść wypukłą soczewkę bezpośrednio przed soczewką wyprowadzającą wiązkę projektora cyfrowego.
Wybierz wypukły obiektyw, aby płaszczyzna ogniskowej znajdowała się około 10 centymetrów od projektora. Rozdzielczość optyczna staje się mniejsza w przypadku obiektywu o krótszej ogniskowej, ale trzeba zarezerwować trochę miejsca na elementy optyczne. Umieść lustro za soczewką wypukłą na ścieżce wiązki pod kątem 45 stopni, aby skierować wiązkę prosto w dół.
Następnie 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. Na koniec umieść kąpiel żywiczną pod uchwytem próbki, aby zaprojektować probówki żelowe Project, obraz ze znanymi numerami pikseli na uchwycie próbki, aby zmierzyć współczynnik konwersji z piksela na długość fizyczną.
W tym konkretnym przypadku obraz składający się ze 135 pikseli mierzył 5,8 milimetra, co odpowiada 43 mikronom na piksel. Na podstawie tych informacji przekształć fizyczne wymiary rurki żelowej, aby wytworzyć średnicę, grubość ścianki i wysokość w pikselach. Następnie narysuj obrazy przekroju poprzecznego tubki żelowej.
Obrazy powinny być w kolorze białym z czarnym tłem. Wstaw te obrazy do slajdów programu Microsoft PowerPoint. Rozpocznij pokaz slajdów w programie Microsoft PowerPoint i wyświetl dowolny obraz.
Umieść uchwyt próbki w płaszczyźnie ogniskowej, dostosowując pozycję pionową za pomocą dołączonego przełącznika stopnia do fikcyjnego czarnego obrazu, aby nie było niepożądanej polimeryzacji podczas dodawania roztworu wstępnego polimeru. Wlej wstępny roztwór polimeru do kąpieli żywicznej. Napełniać wannę pipetą do momentu, gdy roztwór lekko przykryje uchwyt próbki.
Teraz jest gotowy do wydrukowania obiektu 3D. Przełącz się na szkiełko zawierające pierwszy obraz przekroju poprzecznego rurki żelowej w celu polimeryzacji pierwszej warstwy. Kontynuuj projekcję obrazu przez osiem sekund, a następnie przełącz się z powrotem na slajd zaciemniający.
Obróć pokrętło na stoliku liniowym o jedną czwartą, obróć o około 160 mikronów, aby obniżyć uchwyt próbki. Teraz świeża żywica napływa, aby pokryć spolimeryzowaną pierwszą warstwę na wypadek, gdyby płynna żywica była zbyt lepka, aby wpłynąć. Przesuń stolik niżej, aby całkowicie zanurzyć wytworzone warstwy w żywicy i umieść stolik z powrotem na głębokości 160 mikronów pod powierzchnią.
Ponownie wyświetl obraz przekroju poprzecznego, aby spolimeryzować drugą warstwę na poprzedniej. Powtarzaj ten proces, aż zostanie wyprodukowana tubka żelowa o żądanej wysokości. Gdy wszystkie warstwy są gotowe, wyjmij uchwyt próbki z roztworu prepolimeru i pobierz wyprodukowaną próbkę.
Ostrożnie za pomocą żyletki opłucz próbkę acetonem przez około trzy godziny, a następnie pozostaw do wyschnięcia na około godzinę. Aby przeprowadzić eksperyment z pęcznieniem, przygotuj dwuwarstwową ciecz z olejem wodnym na przezroczystej szalce Petriego. Zlokalizuj interfejs oleju wodnego w płaszczyźnie ogniskowej aparatu Regulując położenie szalki Petriego, przymocuj suchą próbkę do uchwytu na próbkę za pomocą super kleju.
Odwróć uchwyt próbki tak, aby był odwrócony do góry nogami. Zanurzyć próbkę w kąpieli wodno-olejowej w cieczy. Zbliżyć próbkę do granicy faz wodno-olejowych od warstwy oleju.
Próbka zaczyna pęcznieć, gdy dotknie powierzchni wody, podczas gdy podłoże podstawowe, na którym zamocowana jest rurka żelowa, pozostaje w wierzchniej warstwie oleju. W ten sposób woda może dyfundować do ścianki rurki, umożliwiając pęcznienie próbki, zanim ograniczająca podstawa rozluźni się pod wpływem wilgoci. Kontynuuj monitorowanie zmiany wzoru w miarę pęcznienia rurki żelu.
Za pomocą aparatu cyfrowego pokazano prosty system mikrostereolitografii projekcyjnej wykorzystujący gotowy cyfrowy projektor danych. Wypukła soczewka o ogniskowej 75 milimetrów skupia wiązkę w małym obszarze oświetlenia o wymiarach dwa centymetry na dwa centymetry, dzięki czemu zwykła rozdzielczość optyczna wynosi około 45 mikronów. Rozdzielczość pionowa jest określana przez poziom precyzji warstwy stołu montażowego liniowego.
Grubość struktur wykonanych na potrzeby tego badania wynosi 160 mikronów. Każda warstwa została spolimeryzowana przy ośmiosekundowym oświetleniu światłem. Pokazana jest reprezentatywna struktura 3D wykonana przez system.
Obiekt ten składa się z 58 warstw kołków da. Zestaw fotoutwardzalnych tubek hydrożelowych peg da został zaprojektowany i wyprodukowany w celu uzyskania niskiego usieciowania, a tym samym dużego obrzęku, jak opisano w pisemnym protokole, próbkę umieszczono do góry nogami w kąpieli wodnej olejowej. Jak pokazano na filmie, w zależności od parametrów wymiarowych, okrągłe rurki albo pozostawały stabilne, albo przekształcały się w falisty wzór.
Wymiar rurki żelowej określa liczbę fal powstających podczas pęcznienia. Szeroka gama wzorów pęcznienia różnych próbek została uchwycona przez kamerę cyfrową. Oś pionowa wskazuje stabilność jako grubość nad wysokością lub T nad H, a oś pozioma wskazuje tryb wyboczenia jako wysokość nad średnicą lub H nad D. Białe liczby wskazują numer postaci wyboczenia, który jest liczbą fal wzdłuż obwodu, jak pokazano tutaj.
Tryb wyboczenia próbek niestabilnych zależy tylko od HD, gdzie wynik eksperymentalny zgadza się z przewidywaniami teoretycznymi. Używamy tej metody w tym filmie jako użytecznego narzędzia eksperymentalnego dla mechaniki miękkich materiałów, ale znajdziemy również wiele zastosowań w innych dziedzinach nauki i inżynierii, w tym w miękkiej robotyce i inżynierii biomedycznej. Ponadto jest to bardzo proste i niedrogie.
Każdy może zbudować własną mikro drukarkę 3D w laboratorium, postępując zgodnie z protokołem przedstawionym w tym filmie.
Przegląd
To badanie demonstruje nową metodę konstruowania narzędzi do mikrofabrykacji żelowej 3D w celu uzyskania kontrolowanej transformacji wzorców rurek żelowych poprzez niestabilność elastyczną. Wykorzystując prosty zestaw mikro-stereolitografii projekcyjnej, obserwuje się różne tryby załamania obwodowego w rurach żelowych pod wpływem ograniczeń mechanicznych.
Kluczowe komponenty badania
Obszar nauki
- Mikrofabrykacja
- Żelki
- Niestałość elastyczna
Tło
- Techniki mikrofabrykacji 3D są niezbędne do tworzenia złożonych struktur.
- Żelki wykazują unikalne właściwości spęczniania, które można wykorzystać do transformacji wzorców.
- Niestałość elastyczna może prowadzić do różnych wzorców odkształceń w ograniczonych materiałach.
- Istniejące metody mogą być ograniczone pod względem szybkości i złożoności produkowanych struktur.
Cel badania
- Opracowanie szybkiego narzędzia do mikrofabrykacji 3D dla materiałów miękkich.
- Zbadanie transformacji wzorców rurek żelowych podczas spęczniania.
- Demonstracja zalet stosowania projektora cyfrowego do produkcji.
Stosowane metody
- Konstrukcja mikrodruku 3D za pomocą cyfrowego projektora danych.
- Fabrykacja warstwowa rurek żelowych z roztworu prepolimeru.
- Indukowanie transformacji kształtu przez zanurzenie próbek w wodzie.
- Monitorowanie powstających wzorców podczas spęczniania rurek żelowych.
Główne wyniki
- Okrągłe rury żelowe przekształciły się w różne faliste wzorce na podstawie geometrii.
- Technika fabrykacji pozwala na tworzenie złożonych struktur 3D.
- Niestałość elastyczna została skutecznie zademonstrowana poprzez kontrolowane spęcznianie.
- Metoda zapewnia szybką alternatywę dla tradycyjnych technik fototerapii.
Wnioski
- Badanie przedstawia wykonalną metodę mikrofabrykacji żelek.
- Niestałość elastyczna może być wykorzystana do innowacyjnych projektów materiałowych.
- To podejście otwiera nowe drogi dla eksperymentalnych badań materiałów miękkich.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Rapid micro 3D printing using digital projection enables precise fabrication of soft material structures, supporting advanced studies in mechanical instability and pattern transformation. This capability is strategically relevant for biopharma R&D teams seeking to model, test, and de-risk soft material mechanics in early discovery and translational research. The approach enhances predictive confidence in material behavior, informing both target validation and preclinical model development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of mechanical hypotheses in soft biomaterials through controlled pattern transformation.
- Supports functional validation of material properties relevant to tissue engineering and biomimetic systems.
- Facilitates mechanistic de-risking by allowing precise manipulation of geometry and instability modes.
Screening & Assay Development
- Prepares reproducible 3D hydrogel constructs for downstream mechanical or biological assays.
- Standardizes fabrication of test structures, improving assay reliability and quantitative output consistency.
- Enables scalable production of complex geometries for high-content screening of material responses.
Translational & Preclinical Research
- Aligns engineered soft material models with disease-relevant mechanical environments.
- Supports continuity from discovery-stage material interrogation to preclinical validation of biomaterial performance.
- Provides predictive insight into material behavior under physiological-like constraints.
Pipeline & Workflow Integration
This micro 3D printing method integrates at the interface of discovery biology and preclinical model development, enabling iterative hypothesis testing and rapid prototyping of soft material systems.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis-driven studies of mechanical instability and pattern formation in soft materials.
- Screening: Delivers reproducible, high-resolution constructs for comparative analysis of material properties.
- Analytics: Provides quantitative outputs on buckling modes and pattern transformation, supporting data-driven decision making.
- Translational Research: Bridges engineered material studies with preclinical model requirements for biomaterial applications.
- Enterprise Reuse: Offers a flexible, accessible platform for repeated use across multiple R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in soft material mechanics and target validation.
- Operational Value: Standardizes fabrication workflows, enhancing reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing uncertainty in material performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates and experimental models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photopolymer chemistry and soft material mechanics.
- Needs access to digital projection equipment and precision optical components.
- Demands cross-team standardization of design files and fabrication parameters.
- Adaptation may be needed for different hydrogel chemistries or geometries.
- Resolution and scalability are limited by projector optics and stage precision.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:43
Setting-up a Desktop 3D Printer Using a Digital Data Projector
2:56
Design and Fabrication of Gel Tubes
5:30
Swelling Experiment for Prescribed Pattern Formation by Elastic Instability
6:36
Results: Micro 3D Printing Using a Digital Projector
8:52
Conclusion
