Micro 3D-печати с использованием цифрового проектора и его применение при исследовании мягких механика материалов

Общей целью данного видео является демонстрация создания простого 3D-инструмента для микропроизводства геля и его использования для преобразования рисунка набухающих гелевых трубок за счет упругой нестабильности. Простой микро-3D-принтер создается с использованием готового цифрового проектора данных для изготовления трубчатых гелевых образцов различных размеров. Изготовление трубчатых гелевых образцов достигается путем проецирования спроектированного изображения на держатель образца, который погружают в ванну со смолой, содержащую раствор предварительного полимера с фотоинициатором и фотопоглотителем.

После того, как слой формируется в результате фотополимеризации, держатель образца опускается, и следующий слой изготавливается поверх предыдущего. Таким образом, 3D-образец изготавливается слой за слоем. Затем каждый образец вступает в контакт с водой, чтобы вызвать трансформацию формы за счет упругой нестабильности, вызванной набуханием.

Результаты показывают, что круглые трубки преобразуются в различные волнистые узоры с различными волновыми числами в зависимости от геометрии геля с изгибом. Основное преимущество этой техники изготовления по сравнению с существующими методами, такими как фототерапия, заключается в том, что она предлагает быстрый инструмент 3D-микропроизводства для мягких материалов, таких как гели. В результате, различные интересные геометрии трех раскопок, которые трудно создать, теперь могут быть легко реализованы в физических объектах для экспериментального изучения.

Чтобы начать эту процедуру, приготовьте предполимерный раствор, содержащий фотоинициатор и фотопоглотитель, как описано в письменном протоколе. После подготовки решения поместите цифровой проектор в ровное и устойчивое положение и подключите его к компьютеру с установленным Microsoft PowerPoint. Поместите выпуклую линзу прямо перед линзой выходного луча цифрового проектора.

Выбирайте выпуклую линзу так, чтобы фокальная плоскость находилась на расстоянии около 10 сантиметров от проектора. Оптическое разрешение становится меньше для объектива с меньшим фокусным расстоянием, но нужно оставить место для оптических компонентов. Поместите зеркало после выпуклой линзы на пути луча под углом 45 градусов, чтобы направить луч прямо вниз.

Затем поместите держатель образца в фокальной плоскости проецируемого луча. Держатель образца должен быть прикреплен к линейному столику, с помощью которого контролируется вертикальное положение держателя образца. Наконец, поместите ванну со смолой под держатель образца, чтобы разработать проект гелевой пробирки, изображение с известными номерами пикселей на держателе образца для измерения коэффициента преобразования от пикселя к физической длине.

В данном конкретном случае изображение размером 135 пикселей имело размер 5,8 миллиметра, что соответствует 43 микронам на пиксель. На основе этой информации преобразуйте физические размеры гелевой пробирки в диаметр, толщину стенки и высоту изготовления в пиксели. Далее нарисуйте изображения поперечного сечения для гелевого тюбика.

Изображения должны быть выполнены в белом цвете на черном фоне. Вставьте эти изображения в слайды Microsoft PowerPoint. Запустите слайд-шоу в Microsoft PowerPoint и спроецируйте любое изображение.

Поместите держатель образца в фокальную плоскость, отрегулировав вертикальное положение с помощью прикрепленного переключателя предметного стекла на фиктивное черное изображение, чтобы не было нежелательной полимеризации при добавлении раствора предварительного полимера. Вылейте предварительно полимерный раствор в ванну со смолой. Наполните ванну до тех пор, пока раствор слегка покроет держатель образца с помощью пипетки.

Теперь он готов к печати 3D-объекта. Переключитесь на слайд, содержащий изображение первого поперечного сечения гелевой трубки, чтобы полимеризовать первый слой. Продолжайте проецировать изображение в течение восьми секунд, а затем переключитесь обратно на затемненный слайд.

Поверните ручку на линейном столике на одну четверть оборота примерно на 160 микрон, чтобы опустить держатель образца. Теперь свежая смола стекает внутрь, чтобы покрыть полимеризованный первый слой на случай, если жидкая смола слишком вязкая для стекания. Переместите предметный столик ниже, чтобы полностью погрузить изготовленный слой в смолу, и переместите предметный столик обратно на глубину 160 микрон под поверхностью.

Спроецируйте изображение поперечного сечения еще раз, чтобы полимеризовать второй слой поверх предыдущего. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будет изготовлена гелевая трубка нужной высоты. Когда все слои будут готовы, извлеките держатель образца из раствора предварительного полимера и извлеките изготовленный образец.

Осторожно используя лезвие бритвы, промойте образец в ацетоне в течение примерно трех часов, а затем дайте ему высохнуть в течение примерно одного часа. Чтобы провести эксперимент по набуханию, приготовьте двухслойную жидкость с водяным маслом в прозрачной чашке Петри. Найдите границу раздела водяного масла в фокальной плоскости камеры Регулируя положение чашки Петри, прикрепите сухой образец к держателю образца с помощью суперклея.

Переверните держатель для образцов так, чтобы он оказался вверх дном. Погрузите образец в жидкостную ванну с водяным маслом. Подойдите к границе раздела водного масла от слоя масла.

Образец начинает набухать при касании образца поверхности воды, в то время как базовая подложка, на которой закреплена гелевая трубка, остается в верхнем слое масла. Таким образом, вода может диффундировать в стенку пробирки, позволяя образцу набухнуть, прежде чем ограничивающее основание расслабится под воздействием влаги. Продолжайте следить за изменением рисунка по мере набухания гелевой трубки.

Здесь показана простая проекционная микростереолитографическая система с использованием готового цифрового проектора данных. Выпуклая линза с фокусным расстоянием 75 миллиметров концентрирует луч в небольшой зоне освещения два сантиметра на два сантиметра, в результате чего обычное оптическое разрешение составляет около 45 микрон. Вертикальное разрешение определяется уровнем точности слоя линейной сцены.

Толщина конструкций, изготовленных для данного исследования, составляет 160 мкм. Каждый слой полимеризовали с помощью восьмисекундного светового освещения. Показана репрезентативная 3D-структура, изготовленная системой.

Этот объект состоит из 58 слоев peg da. Набор фотоотверждаемых гидрогелевых трубок peg da был разработан и изготовлен для достижения низкой сшивки и, следовательно, большого отека, как описано в письменном протоколе, образец был помещен вверх ногами в водяную масляную баню. Как показано на видео, в зависимости от размерных параметров круглые трубки либо оставались стабильными, либо трансформировались в волнистый узор.

Размер гелевой трубки определяет количество волн, возникающих во время набухания. Большое разнообразие рисунков набухания различных образцов было зафиксировано цифровой камерой. Вертикальная ось указывает на устойчивость как отношение толщины к высоте или T над H, а горизонтальная ось указывает на степень потери устойчивости как высота над диаметром, или H над D. Белые цифры указывают на число формы потери устойчивости, которое представляет собой количество волн вдоль окружности, как показано здесь.

Величина потери устойчивости неустойчивых образцов зависит только от ГД, где экспериментальный результат хорошо согласуется с теоретическим прогнозом. В этом видео мы используем этот метод в качестве полезного экспериментального инструмента для механики мягких материалов, но мы также найдем множество применений в других областях науки и техники, включая мягкую робототехнику и биомедицинскую инженерию. Кроме того, это очень просто и доступно.

Любой желающий может создать свой собственный микро-3D-принтер в лаборатории, следуя протоколу, представленному в этом видео.