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Engineering

소프트 재료 역학의 연구에서 디지털 프로젝터와 응용 프로그램을 사용하여 마이크로 3D 인쇄

doi: 10.3791/4457 Published: November 27, 2012

Summary

우리는 탄성 불안정에 의해 팽창 겔 튜브의 제어 패턴 변환을 보여줍니다. 간단한 프로젝션 마이크로 스테레오 - 리소그래피 설정은 레이어 별 레이어 방식으로 입체 고분자 구조를 조작하는 오프 - 더 - 선반 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 만들어졌습니다. 기계 제약 히드로 겔 튜브를 팽창하는 차원에 따라 다양한 주변 좌굴 모드를 표시합니다.

Abstract

좌굴이 기계의 고전 주제입니다. 좌굴이 오랜 주요 구조 실패 모드 1 중 하나로서 연구되어 있지만, 최근 패턴 변화에 대한 고유 한 메커니즘으로 새로운 관심을 모으고있다. 이국적인 패턴의 풍부한이 기계 불안정 2-5을 통해 형성되는 곳 자연은 예제 가득합니다. 이 우아한 메커니즘에 의해 영감을, 많은 연구는 탄성체와 hydrogels 6-11와 같은 부드러운 재료를 사용하여 패턴 생성 및 변화를 증명하고있다. 사람들이 자발적으로 외부 힘 6-10의 필요없이 다양한 패턴을 만들 기계적 불안정을 일으킬 수 있기 때문에 부종이 젤은 특히 관심이 있습니다. 최근, 우리는 프로젝션 마이크로 stereolit​​hography (PμSL), 빠른 속도로 컴퓨터 생성 3D 모델에게 내가 변환 할 수있는 3 차원 (3D) 제조 기술을 사용하여 마이크로 스케일 관 젤의 패턴을 변형에 대한 모든 권한의 시범을보고고해상도 12,13에서 n 인물 물리적 인 물체 야. 여기 제어 패턴 변화에 대한 팽창 유발 좌굴 불안정을 공부하기 위해 상업적으로 이용 가능한 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 단순화 PμSL 시스템을 구축 할 수있는 간단한 방법을 제시한다.

간단한 바탕 화면 3D 프린터는 오프 - 더 - 선반 디지털 데이터 프로젝터와 같은 볼록 렌즈와 거울 14 간단 광학 구성 요소를 사용 내장되어 있습니다. 3D 솔리드 모델에서 추출 단면 이미지는 레이어로 레이어 방식으로 원하는 3D 솔리드 구조로 액체 수지 polymerizing, 순서대로 감광성 수지 표면에 투영되어 있습니다. 이 간단한 구성과 쉬운 프로세스를 임의의 3D 개체를 쉽게 하위-100 μm의 해상도로 제조 될 수있다.

이 데스크탑 3D 프린터는 다양한 3D 형상을 탐험 할 수있는 좋은 기회를 제공하여 부드러운 재료 역학의 연구 잠재력을 보유하고 있습니다. 우리는 fabrica이 시스템을 사용다른 크기와 테 관 모양의 히드로 겔 구조. 기판 바닥에 고정, 관 젤이 불안정 변형을 야기 할 수 있습니다 붓기, 동안 inhomogeneous 스트레스를 개발하고 있습니다. 겔 구조 변형 받아야 할 때 다양한 물결 모양의 패턴은 튜브의 원주를 따라 나타납니다. 실험 원하는 모드의 좌굴 주변이 통제 된 방식으로 생성 할 수 있습니다 것으로 나타났습니다. 세 치수 구조 관 젤의 패턴 변화는 기계 및 재료 과학뿐만 아니라 중요한 의미를 가지고 있지만, 또한 조정할 수 matamaterials 많은 다른 새로운 분야 인치

Protocol

1. 성 예비 중합체 솔루션의 준비

  1. 믹스 폴리 (에틸렌 글리콜) diacrylate (PEG-DA) (평균 분자량 ~ 575, 시그마 - 알드리치)과 1시 2분 체중의 비율로 폴리 (에틸렌 글리콜) (PEG) (평균 분자량 ~ 200, 시그마 - 알드리치).
  2. 0.67 %의 중량을 추가합니다. 사진 기자 (Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine 산화물, 시그마 - 알드리치). 솔루션은이 시점부터 어두운 환경에서 보관해야합니다.
  3. 0.05 % 중량을 추가합니다. 사진 흡수 (수단 I, 시그마 - 알드리치).
  4. 자기 교반기를 사용하여 실온에서 24 시간 동안 솔루션을 섞는다.

2. 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 데스크탑 3D 프린터 설정

  1. 평면 안정적인 위치에 디지털 데이터 프로젝터를 배치 및 Microsoft PowerPoint가 설치되어있는 컴퓨터에 연결합니다.
  2. 디지털 프로젝터의 빔 출력 렌즈 앞에 볼록 렌즈를 오른쪽으로 놓습니다. 프로에서 약 10cm 떨어진 곳에 초점 비행기를 만들기 위해 볼록 렌즈를 선택jector. (광 해상도가 짧은 초점 길이 있지만, 광학 구성 요소에 대한 여유 공간을 예약 한 요구에 렌즈에 대한 작아집니다.)
  3. 곧장 빔을 직접하기 위해 45 ° 각도에서 빔 경로에있는 볼록 렌즈 후에 거울을 배치합니다.
  4. 예상 빔의 초점 평면에서 샘플 홀더를 놓으십시오. 샘플 홀더는 샘플 홀더의 수직 위치를 제어하는​​하여 선형 단계에 부착해야합니다.
  5. 샘플 홀더 아래에 수지 욕조를 배치합니다.

3. 젤 튜브의 설계 및 제작

  1. 직경, 벽 두께, 제조 될 수있는 젤 튜브의 높이를 확인합니다.
  2. 겔 튜브에 대한 단면 이미지를 그립니다. 이미지는 검은 색 배경과 흰색에 있어야합니다. 마이크로 소프트 파워 포인트 슬라이드에서 이러한 이미지를 삽입합니다.
  3. Microsoft PowerPoint에서 슬라이드 쇼를 시작하고 영상을 투사합니다. AT & T를 사용하여 수직 위치를 조정하여 초점 평면에서 샘플 홀더를 배치단계를 ached.
  4. 성 예비 중합체 솔루션을 넣어 동안 더 원치 않는 중합가 없습니다 있도록 "더미"검정 이미지로 전환합니다.
  5. 수지 목욕탕 성 예비 중합체 솔루션을 넣어. 솔루션은 약간의 샘플 홀더를 포함 할 때까지 목욕탕을 입력합니다. 이제 인쇄 3D 개체에 대한 준비가되었습니다.
  6. 첫 번째 층을 중합 할 수있는 젤 튜브의 첫 번째 단면 이미지가 포함 된 슬라이드로 전환합니다. 8 초 동안 이미지를 투영 유지하고 "정전"슬라이드로 전환합니다.
  7. ¼ 회전하여 선형 무대에서 노브를 회전 샘플 홀더를 낮추 (~ 160 μm). 지금 신선한 수지 polymerized 첫 번째 층을 커버하기에 흐른다.
  8. 절차 하나의 상단에 두 번째 층을 중합 다시 단면 영상을 투사합니다. 원하는 높이의 겔 튜브 제조 될 때까지 반복 3.6-3.8 단계를 반복합니다.
  9. 모든 레이어가 완료되면, 레이저 blad를 사용하여주의 깊게 가공 샘플을 예비 중합체 솔루션의 샘플 홀더를 들어, 그리고 검색5.
  10. ~ 3 시간에 아세톤에있는 샘플을 헹구고, 그때는 ~ 1 시간에 건조 할 수 있습니다.

4. 탄성 불안정에 의해 소정 패턴 형성 실험을 붓게

  1. 투명한 유리 접시에 물 기름 듀얼 레이어 액체를 준비합니다.
  2. 슈퍼 접착제를 사용하여 샘​​플 홀더에 건조 샘플을 첨부합니다.
  3. 샘플이 뒤집어 져 있는데요 있도록 샘플 홀더를 뒤집기. 물 기름 액체 목욕탕에서 샘플을 빠져. 오일 층에서 물 기름 인터페이스에 샘플을 접근한다. 샘플 젤 튜브는 고정 된베이스 기판 부분은 상단 기름 층에 체재하는 동안 샘플이 물 표면에 닿을 때 팽창하기 시작한다. 이러한 방법으로, 물은 자제베이스 으러으로 완화하기 전에 샘플 팽창 수 있도록 튜브 벽에 확산 할 수 있습니다. 디지털 카메라를 사용하여 겔 튜브가 불 같은 패턴의 변화를 모니터링합니다.

Representative Results

재고품의 디지털 데이터 프로젝터를 사용하는 간단한 PμSL 시스템은 그림 1에 표시됩니다. 75mm의 초점 거리와 볼록 렌즈가 2cm로 2cm의 작은 조명 영역에 빔을 집중하고 있습니다. 광학 해상도 - 비행기의 결과는 45 μm이다. 수직 해상도는 선형 단계의 정밀 수준에 의해 결정됩니다. 이 연구를 위해 만든 구조물의 층의 두께는 160 μm이다. 각 층은 8 초 빛 조명에 대한 polymerized되었습니다. 시스템에 의해 제조 된 대표적인 3D 구조는 그림 1D에 표시됩니다. 이 객체는 PEGDA 58 층으로 구성되어 있습니다.

우리는 사진 경화 PEGDA의 히드로 겔을 준비했습니다. PEGDA의 히드로 겔의 낮은 crosslinking 따라서 큰 붓기는 성 예비 중합체 솔루션에 비 crosslinking의 PEG를 추가하여 달성되었다. 그 결과 PEGDA의 히드로 겔의 길이 - 현명한 붓기 비율이 높은 300 %의 용적 확장에 해당하는 1.5입니다.

> PEGDA의 히드로 겔 튜브의 집합은 설계 및 이론 (12)에 따라 조작했다. 우리는 거꾸로 샘플을 배치하고 그림 2A에 도시 된 바와 같이 상단에 기름 층으로 덮여 물을 욕조에 넣어. 차원 매개 변수에 따라 원형 튜브도 안정적으로 유지 또는 그림 2B와 같이 물결 모양 패턴으로 변환. 다른 샘플 패턴을 붓게의 다양한 종류의 디지털 카메라에 의해 캡처도 3a에 수여되었습니다.

그림 1
그림 1. 바탕 화면 프로젝션 마이크로 stereolithography 시스템 () 도식 표현 (B) 실제 시스템 구성 요소 (C) 근접 전망 (D) 대표 3D 구조를. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

십t "강한 : 유지 - together.within 페이지 ="항상 "> 그림 2
그림 2. (b)는 제약 히드로 겔 튜브가 서로 다른 패턴으로 변환 붓기 히드로 겔 튜브 (A) 실험 설정. 스케일 바는 5mm를 나타냅니다.

그림 3
그림 3. () 패턴 실험을 부기 형성. 수직 축 t / H을 (따라서 안정성)을 나타냅니다, 그리고 수평 축 H / D를 (따라서 모드 좌굴) 나타냅니다. 스케일 바는 5mm를 나타냅니다. (B) 모드를 좌굴 것은 H / D에 따라 달라집니다. 실험 결과는 이론적 인 예측과 잘 동의합니다. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .

샘플 </ strong>을 D (μm) t (μm) H (μm)
나는 나는 9300 ± 420 760 ± 40 840 ± 40
II 9700 ± 420 1040 ± 40 1060 ± 40
III 9700 ± 420 1210 ± 40 1340 ± 40
IV 9700 ± 420 1660 ± 40 1680 ± 40
II 나는 9000 ± 420 480 ± 40 880 ± 40
II 9000 ± 420 1060 ± 40
III 9500 ± 420 740 ± 40 1350 ± 40
IV 9200 ± 420 970 ± 40 1650 ± 40
III 나는 8900 ± 420 160 ± 40 790 ± 40
II 8900 ± 420 300 ± 40 1020 ± 40
III 9100 ± 420 380 ± 40 1330 ± 40
IV 9000 ± 420 490 ± 40 1630 ± 40
IV 나는 8900 ± 420 140 ± 40 780 ± 40
II 8800 ± 420 190 ± 40 1010 ± 40
III 9300 ± 420 230 ± 40 1340 ± 40
IV 8900 ± 420 290 ± 40 1650 ± 40

표 1. 샘플 크기는 광학 현미경으로 측정. 오류가 측정 불확실성을 나타냅니다.

Discussion

기판에 제약 관 히드로 겔의 팽창에 안정성은 t / H와 모드를 변형하는 것은 H / D 12에 따라 달라집니다에 따라 달라집니다. 정규화 된 두께 t / H의 다른 수준이 샘플 네 그룹 (I-IV)는 그룹 두꺼운 것 및 그룹 IV 더 슬림거든요, 가공되었습니다. 각 그룹은 샘플을 제가 짧게하고 샘플 IV 키도 크게되는 것과 정규화 된 높이 H / D의 다른 수준의 4 개의 샘플 (I-IV)로 구성되어 있습니다. 가공 샘플의 크기는 표 1에 표시됩니다. 그룹 IIIIV는 버클과 팽창에 따라 변화하도록 설계되었습니다 반면, 그룹 I과 II는 붓기 동안 안정적으로 유지하도록 설계되어 있습니다. 좌굴 샘플, 버 클린 (Bucklin)에게 들어g 모드는 샘플 높이 감소한다. 그림 3A는 실험 결과를 보여줍니다. 이론은 예측에 따라, 그룹 I과 II의 샘플은 안정적 이었어요 및 그룹 IIIIV의 샘플이 모든 탄성 불안정으로 가서 buckled 반면, 붓기에 원형 있었다. 또한, 동일한 H / D와 샘플 유사한 좌굴 모드를 표시. 그림 3B는 이론적 예측과 그룹 IIIIV에 샘플 실험적으로 관찰 좌굴 모드를 비교합니다. 우리는 같은 H / D와 그 샘플을 볼 수에 관계없이 두께의 동일한 후 좌굴 패턴을 포즈, 그리고 그 실험 결과는 이론과 잘 동의 할 수 있습니다.

우리는 상업적으로 이용 가능한 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 간단한 데스크톱 3D 인쇄 시스템을 구축하는 방법을 제시한다. 제안 된 방법은 사기꾼으로 폴리머의 photocuring에 의존3D 구조를 구조체, 따라서, 모든 photocurable 폴리머는 또한까지 photoinitiator이 표시 파장 범위에 해당하는 흡광도가 같은 일반적으로 사용할 수 있습니다. 많은 상업적으로 이용 가능한 photoinitiators는 자외선 (UV) 파장을 위해 설계되었습니다 있습니다,하지만 사용 photoinitiator는 400 nm의 파장 이상에서 상대적으로 높은 흡광도가 있습니다. 3D 객체를 조작 할 수있는 쉽고 빠른 방법을 제공하는이 방법은 여기를 증명 등의 부드러운 재료 역학 등 다양한 분야에서 많은 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다.

Disclosures

관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

Acknowledgments

저자는 그림 1D에 표시된 3D 구조에 대한 단면 이미지를 제공하기 위해 어 바나 - 샴페인 일리노이 대학에서 요셉 Muskin와 매튜 라 구사 감사드립니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Poly(ethylene glycol) diacrylate Sigma-Aldrich 437441 Mw~575
Poly(ethylene glycol) Sigma-Aldrich P3015 Mw~200
phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide Sigma-Aldrich 511447 Photo-initiator
Sudan I Sigma-Aldrich 103624 Photo-absorber
Digital data projector Viewsonic PJD6221
Convex lens Thorlabs LA1145 f = 75.0 mm
Mirror 4" silicon wafer
Manual stage Velmex A2506DE-S2.5

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References

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Lee, H., Fang, N. X. Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics. J. Vis. Exp. (69), e4457, doi:10.3791/4457 (2012).More

Lee, H., Fang, N. X. Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics. J. Vis. Exp. (69), e4457, doi:10.3791/4457 (2012).

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