Wykorzystanie wzoru kleju do budowy urządzeń mikroprzepływowych z papieru 3D

Ogólnym celem tej techniki jest stworzenie płaskich i niepłaskich, trójwymiarowych papierowych urządzeń mikroprzepływowych, które można rozłożyć podczas budowy i po użyciu poprzez wzór kleju w aerozolu. Metoda ta otwiera zupełnie nową przestrzeń projektową dla mikrofluidyki papierowej, usuwając ograniczenia, które wcześniej powstrzymywały badaczy przed wytwarzaniem sieci ze zwykłych kanałów. Głównymi zaletami tej techniki jest to, że znacznie zmniejsza ilość kleju nakładanego podczas wytwarzania papierowych urządzeń mikroprzepływowych oraz umożliwia budowę nieplanarnych trójwymiarowych papierowych obwodów mikroprzepływowych.

Najpierw wydrukuj tablicę każdej warstwy urządzenia na bibule filtracyjnej za pomocą drukarki na stały atrament. Umieść każdą bibułę filtracyjną na płycie grzejnej w temperaturze 170 stopni Celsjusza na dwie minuty, aby stopić tusz na bazie wosku i pozwolić mu całkowicie wniknąć w bibułę, tworząc bariery hydrofobowe. Gdy papier ostygnie, nałóż inny kolor barwnika na każdą z gałęzi warstwy trzeciej za pomocą mikropipety.

Wystarczą cztery mikrolitrowe porcje pięciu milimolowych barwników. Teraz rozpocznij budowę. Najpierw zaciśnij najniższą warstwę między szablonem a sztywnym podłożem, takim jak kawałek szkła płaskiego.

Upewnij się, że szablon przylega płasko do papieru, aby zminimalizować cienie w sprayu. Następnie ustaw metronom na 180 uderzeń na minutę i spryskaj klej z odległości około 24 centymetrów przez cztery uderzenia. Przesuń puszkę po szablonie czterema równymi ruchami.

Jeśli puszka zostanie przesunięta zbyt wolno, klej zgromadzi się na samym szablonie, zatykając szablon. Jeśli puszka zostanie przesunięta zbyt szybko, nie zostanie nałożona wystarczająca ilość kleju. Następnie zdejmij szablon i umieść kolejną warstwę urządzenia na świeżo spryskanej warstwie, ostrożnie wyrównując je na krawędziach.

Mocno dociśnij warstwy do siebie. Następnie ponownie spryskaj klej. Kontynuuj ten proces, aż wszystkie warstwy będą ściśle przylegać.

Na czterowarstwowym stosie przyklej pasek taśmy pakowej w poprzek dolnej warstwy, aby zapobiec wyciekaniu płynu. Następnie poszczególne urządzenia mogą być wycinane ze stosu zgodnie z wydrukowanym wzorem. Podobnie jak w poprzedniej procedurze, wydrukuj urządzenie na bibule filtracyjnej za pomocą drukarki na stały atrament i rozpuść atrament na gorącej płycie w temperaturze 170 stopni Celsjusza przez dwie minuty.

W przypadku tej procedury należy również wydrukować wzór zagnieceń w ten sam sposób, ale na zwykłym papierze do drukarki. Gdy wydruki ostygną, wyrównaj linie wzoru zagnieceń do krawędzi wzorów kanałów. Następnie zabezpiecz je taśmą.

Następnie obrysuj wzór zagniecenia rysikiem. Zastosuj wystarczającą siłę, aby oznaczyć arkusz urządzenia, ale nie rozdzieraj papieru. Jeśli dojdzie do rozdarcia, zacznij od nowa.

Ta technika wstępnego bigowania zwiększa dokładność i precyzję składania. Teraz zacznij składać urządzenie za pomocą fałd górskich i dolinowych zgodnie ze wzorem zagięć. Złożenie przed nałożeniem kleju pomaga przyspieszyć montaż urządzenia.

Po złożeniu rozłóż go, aby odsłonić części, które wymagają kleju. Następnie za pomocą ostrza wytnij maski, aby ograniczyć miejsca, w których zostanie nałożony klej. Teraz zaciśnij urządzenie płasko między szablonem z maską a sztywnym podkładem.

Użyj metronomu, aby odczekać 1.3 sekundy i nałóż klej jak poprzednio. Jeśli wilgotność otoczenia jest niska, nałóż klej w miejscu o kontrolowanej wilgotności, aby klej nie wyschł zbyt szybko. Następnie usuń szablon i maskę, a następnie odwróć arkusz.

Następnie spryskaj tylną stronę papieru w ten sam sposób. Natychmiast wyjmij urządzenie z szablonu i rozpocznij składanie urządzenia. Po całkowitym złożeniu urządzenia należy stale naciskać na część zawierającą klej, aż do wyschnięcia.

Aby przeprowadzić test odprowadzania wilgoci na urządzeniach czterowarstwowych, wybierz losowo 20 urządzeń. Umieść urządzenia w miejscu, w którym są osłonięte przed prądami powietrza, aby zminimalizować parowanie. Następnie zdeponuj 40 mikrolitrów wody na wlocie każdego urządzenia.

Zapisz czas potrzebny każdemu urządzeniu na całkowite wypełnienie wszystkich wylotów barwnikiem. W przypadku urządzeń origami porównaj dwa pawie origami, jeden wykonany zgodnie z wcześniejszym opisem, a drugi wykonany bez użycia szablonu podczas nakładania kleju. Następnie włóż jeden koniec małego papierowego ołowiu do ciała pawia.

Przy kontrolowanej wilgotności względnej, powyżej 90%, umieść każdą nogę i papierowy przewód każdego pawia w pojemniku wypełnionym pięciomilimolowym barwnikiem. Porównano średnie czasy knotowania i wskaźniki powodzenia dla urządzeń czterowarstwowych zbudowanych z różnych ilości nałożonego kleju. Równomierne pokrycie klejem skutkowało stosunkowo wysokimi wskaźnikami sukcesu, które zmniejszały się wraz ze wzrostem ilości kleju.

Wskaźniki sukcesu były również znacznie wyższe przy krótszym czasie kanalizacji, gdy wzorzysty klej był nakładany po obu stronach, niż tylko po jednej stronie. Awarie występowały częściej, gdy klej był nakładany tylko z jednej strony. Typowa awaria urządzenia ułożonego w stos charakteryzowała się wylotami, które nie napełniały się całkowicie barwnikiem lub napełnianie trwało dłużej niż pięć minut.

W urządzeniach składanych origami awaria urządzenia charakteryzowała się wylotami, które nie napełniały się żadną ilością barwnika. Wyloty te znajdowały się wyłącznie wzdłuż dwóch krawędzi urządzenia, w których znajdowały się zagięcia. Dzięki podwojeniu rozmiaru obramowania wokół kanałów wzrosły wskaźniki sukcesu zarówno w przypadku klejów jedno-, jak i dwustronnych.

Obie metody nakładania kleju zaowocowały urządzeniami, które z powodzeniem prowadziły ciecz na całej długości swoich kanałów i bez mieszania. Jednak urządzenie z równomiernie nałożonym klejem było zauważalnie wolniejsze. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby zapewnić równomierne i spójne nakładanie kleju.

Należy pamiętać, że klej w aerozolu należy nakładać tylko w dobrze wentylowanych pomieszczeniach. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak nakładać i używać wzorzystych klejów do konstruowania płaskich i nieplanarnych urządzeń mikroprzepływowych z papieru 3D. Technika ta pozwoli naukowcom na zbadanie możliwości wykorzystania struktur nieplanarnych w celu uzyskania funkcjonalności niespotykanej wcześniej w urządzeniach planarnych, takich jak zintegrowane uruchamianie i wykrywanie.