Micro impressão 3D usando um projetor digital e sua aplicação no estudo de Mecânica dos materiais macios

O objetivo geral do vídeo a seguir é demonstrar a construção de uma ferramenta simples de microfabricação de gel 3D e seu uso na transformação de padrões de tubos de gel inchados por instabilidade elástica. Uma impressora micro 3D simples é construída usando um projetor de dados digital pronto para uso para fabricar amostras de gel tubulares com diferentes dimensões. A fabricação das amostras de gel tubular é obtida projetando uma imagem projetada no suporte da amostra, que é imerso em um banho de resina, contendo uma solução de pré-polímero com fotoiniciador e fotoabsorvedor.

Uma vez que uma camada é formada por fotopolimerização, o porta-amostras cai e a próxima camada é fabricada em cima da anterior. Desta forma, uma amostra 3D é fabricada camada por camada. Em seguida, cada amostra é colocada em contato com a água para desencadear a transformação da forma por inchaço induzido pela instabilidade elástica

Os resultados mostram que os tubos circulares se transformam em vários padrões ondulados com diferentes números de onda, dependendo da geometria do gel de flambagem. A principal vantagem dessa técnica de fabricação em relação aos métodos existentes, como a fototerapia, é que ela oferece uma ferramenta de microfabricação 3D rápida para materiais macios, como géis. Como resultado, várias geometrias de escavação interessantes que são difíceis de fazer agora podem ser facilmente transformadas em objetos físicos para estudo experimental.

Para iniciar este procedimento, prepare a solução de pré-polímero contendo fotoiniciador e fotoabsorvedor conforme descrito no protocolo escrito. Após a preparação da solução, coloque um projetor de dados digital em uma posição plana e estável e conecte-o a um computador com o Microsoft PowerPoint instalado. Coloque uma lente convexa bem na frente da lente de saída do feixe do projetor digital.

Escolha uma lente convexa para fazer o plano focal a cerca de 10 centímetros de distância do projetor. A resolução óptica torna-se menor para uma lente com distância focal mais curta, mas é preciso reservar algum espaço para componentes ópticos. Coloque um espelho após a lente convexa no caminho do feixe em um ângulo de 45 graus para direcionar o feixe diretamente para baixo.

Em seguida, coloque um suporte de amostra no plano focal do feixe projetado. O porta-amostras deve ser fixado a uma fase linear através da qual a posição vertical do porta-amostras é controlada. Por fim, coloque um banho de resina embaixo do porta-amostras para projetar os tubos de gel Projeto, uma imagem com números de pixels conhecidos no porta-amostras para medir a taxa de conversão de um pixel para o comprimento físico.

Neste caso particular, uma imagem de 135 pixels media 5,8 milímetros, o que corresponde a 43 mícrons por pixel. Com base nessas informações, converta as dimensões físicas do tubo de gel para fabricar diâmetro, espessura e altura da parede em pixels. Em seguida, desenhe imagens transversais para o tubo de gel.

As imagens devem estar em branco com fundo preto. Insira essas imagens em slides do Microsoft PowerPoint. Inicie a apresentação de slides no Microsoft PowerPoint e projete qualquer imagem.

Coloque o suporte de amostra no plano focal ajustando a posição vertical usando o interruptor de platina anexado a uma imagem preta fictícia para que não haja polimerização indesejada ao adicionar a solução de pré-polímero. Despeje a solução de pré-polímero no banho de resina. Encher o banho até que a solução cubra ligeiramente o porta-amostras com uma pipeta.

Agora está pronto para imprimir o objeto 3D. Mude para o slide que contém a primeira imagem da seção transversal do tubo de gel para polimerizar a primeira camada. Continue projetando a imagem por oito segundos e depois volte para um slide de blecaute.

Gire o botão no linear stage em um quarto de volta cerca de 160 mícrons para abaixar o suporte de amostra. Agora, a resina fresca flui para cobrir a primeira camada polimerizada, caso a resina líquida seja muito viscosa para fluir. Mova o estágio mais para baixo para mergulhar completamente a camada fabricada na resina e localize o estágio de volta a 160 mícrons abaixo da superfície.

Projete a imagem da seção transversal novamente para polimerizar a segunda camada sobre a anterior. Repita este processo até que o tubo de gel da altura desejada seja fabricado. Quando todas as camadas estiverem completas, levante o porta-amostras da solução pré-polimérica e recupere a amostra fabricada.

Com cuidado, usando uma lâmina de barbear, enxágue a amostra em acetona por aproximadamente três horas e deixe secar por cerca de uma hora. Para realizar um experimento de inchaço, prepare um líquido de camada dupla de óleo de água em uma placa de Petri transparente. Localize a interface água-óleo no plano focal da câmera Ajustando a posição da placa de Petri, prenda a amostra seca em um porta-amostras usando supercola.

Vire o porta-amostras de forma que fique de cabeça para baixo. Mergulhe a amostra no banho líquido de óleo de água. Aproxime a amostra da interface água-óleo da camada de óleo.

A amostra começa a inchar quando toca a superfície da água, enquanto o substrato de base no qual o tubo de gel é fixado permanece na camada superior de óleo. Desta forma, a água pode se difundir na parede do tubo, permitindo que a amostra inche antes que a base restritiva relaxe por meio de umidade. Prossiga para monitorar a mudança de padrão à medida que o tubo de gel incha.

Usando uma câmera digital, um sistema simples de micro estereolitografia de projeção usando um projetor de dados digital pronto para uso é mostrado aqui. Uma lente convexa com uma distância focal de 75 milímetros concentra o feixe em uma pequena área de iluminação de dois centímetros por dois centímetros, resultando em uma resolução óptica simples de cerca de 45 mícrons. A resolução vertical é determinada pelo nível de precisão da camada de platina linear.

A espessura das estruturas feitas para este estudo é de 160 mícrons. Cada camada foi polimerizada com iluminação de luz de oito segundos. Uma estrutura 3D representativa fabricada pelo sistema é mostrada.

Este objeto consiste em 58 camadas de peg da. Um conjunto de tubos de hidrogel peg da fotocuráveis foi projetado e fabricado para obter baixa reticulação e, portanto, grande inchaço, conforme descrito no protocolo escrito, uma amostra foi colocada de cabeça para baixo em um banho de óleo de água. Conforme demonstrado no vídeo, dependendo dos parâmetros dimensionais, os tubos circulares permaneceram estáveis ou se transformaram em um padrão ondulado.

A dimensão do tubo de gel determina o número de ondas que emergem durante o inchaço. A grande variedade de padrões de inchaço de diferentes amostras foi capturada por uma câmera digital. O eixo vertical indica a estabilidade como espessura sobre a altura ou T sobre H, e o eixo horizontal indica o modo de encurvadura como altura sobre o diâmetro, ou H sobre D. Os números brancos indicam o número do modo de encurvadura, que é o número de ondas ao longo da circunferência, como mostrado aqui.

O modo de flambagem das amostras instáveis depende apenas da HD, onde o resultado experimental concorda bem com a previsão teórica. Usamos esse método neste vídeo como uma ferramenta experimental útil para a mecânica de materiais macios, mas também encontraremos muitas aplicações em outros campos da ciência e da engenharia, incluindo robótica leve e engenharia biomédica. Além disso, é muito simples e acessível.

Qualquer pessoa pode construir sua própria impressora micro 3D no laboratório seguindo o protocolo apresentado neste vídeo.