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Engineering

デジタルプロジェクターとソフトマテリアル力学の研究への応用を用いたマイクロ3Dプリント

Published: November 27, 2012 doi: 10.3791/4457

Summary

我々は、弾性不安定性による膨潤ゲルチューブの制御パターン変換を示しています。単純な投影マイクロステレオリソグラフィーのセットアップは層ごとの方式で3次元ポリマー構造を作製するために、既製のデジタルデータプロジェクターを使用して構築されています。機械的な制約の下でハイドロゲルチューブの膨潤は、ディメンションに応じて様々な周方向の座屈モードを表示します。

Abstract

座屈は、力学における古典的なトピックです。座屈が長い主要な構造故障モード1の一つとして研究されてきたが、それは最近のパターン変換のためのユニークな機構として新たな注目を集めている。自然は、エキゾチックなパターンの富は機械的不安定性2-5貫通して形成されているような例がいっぱいです。このエレガントなメカニズムに触発され、多くの研究は、このようなエラストマーおよびヒドロゲル6月11日のような柔らかい素材を使用してパターンの作成 ​​と変換を実証している。彼らは自発的に外力6月10日を必要とせずに様々なパターンを作成するために機械的不安定性を引き起こすことができますので、腫れゲルは特に興味がある。最近、我々は投射マイクロ光造形(PμSL)、急速にコンピュータ生成3Dモデルiを変換することが可能な3次元(3D)の製造技術を用いたマイクロスケールの筒状のゲルのパターンを座屈に対するフルコントロールのデモを報告している高解像度12,13でNTO物理オブジェクト。ここでは、制御されたパターン変換のための腫れ誘起不安定座屈を研究するために、市販のデジタルデータプロジェクターを使用して簡略化されたPμSLシステムを構築するための簡単​​な方法を提示する。

シンプルなデスクトップ3Dプリンタは、既製のデジタルデータプロジェクターや凸レンズとミラー14のような単純な光学部品を使用して構築されています。 3Dソリッドモデルから抽出した断面画像を層ごとのやり方で所望の3Dソリッド構造に液状樹脂を重合し、シーケンス内の感光性樹脂表面上に投影される。でも、このシンプルな構成と簡単なプロセスで、任意の3Dオブジェクトが容易にサブ100μmの分解能で作製することができる。

このデスクトップ3Dプリンタは、さまざまな3D形状を探索するための絶好の機会を提供することにより、ソフトな材料力学の研究の可能性を秘めている。我々は、ファブリカにこのシステムを使用する異なる寸法のteの筒状のハイドロゲル構造。基板への底に固定され、管状のゲルは不安定座屈を生じる腫れ、中に不均一な応力を開発しています。ゲル構造の座屈受けるときに様々な波状のパターンは、チューブの円周に沿って表示されます。実験では、目的のモードの座屈円周が制御された方法で作成することができることを示しています。 3次元構造の管状のゲルのパターンの変換は、力学と材料科学でなく、そのようなチューナブルmatamaterialsのような他の多くの新たな分野だけでなく、重要な意義を持っています。

Protocol

1。プレポリマー溶液の調製

  1. ミックスポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEG-DA)(平均分子量575〜、Sigma-Aldrich)を1:2の重量比でポリ(エチレングリコール)(PEG)(平均分子量約200、Sigma-Aldrich)を。
  2. 0.67%重量を追加します。光開始剤(フェニルビス(2,4,6 - トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド、Sigma-Aldrich)を。溶液は、この時点から暗い環境で保たれるべきである。
  3. 0.05%の重量を追加します。光吸収体(スーダンI、Sigma-Aldrich)を。
  4. マグネチックスターラーを用いて室温で24時間撹拌溶液を混ぜて。

2。デジタルデータプロジェクターを使用したデスクトップ3Dプリンタの設定

  1. 平らで安定した位置にデジタルデータプロジェクタを置き、およびMicrosoft PowerPointがインストールされたコンピュータに接続します。
  2. デジタルプロジェクターの光出力レンズの前に凸レンズを右に置きます。プロから約10cm離れて焦点面を作るために凸レンズを選択してくださいプロジェクタ。 (光学解像度は、より短い焦点距離のレンズのため小さくなるが、一方は光学部品のためにいくつかのスペースを確保する必要があります。)
  3. まっすぐにビームを向けるために45°の角度でビーム経路上に凸レンズ後にミラーを配置します。
  4. 投影されたビームの焦点面に試料ホルダーを配置します。試料ホルダーを試料ホルダの垂直位置が制御されることにより、リニアステージに取り付けなければならない。
  5. 試料ホルダーの下に樹脂浴を置きます。

3。ゲルチューブの設計と製作

  1. 直径、壁の厚さ、そして製作するゲルチューブの高さを決定する。
  2. ゲルチューブ用の断面画像を描画します。画像は、背景が黒の白であるべきである。 Microsoft PowerPointのスライドにこれらの画像を挿入します。
  3. Microsoft PowerPointのスライドショーを起動し、任意の画像を投影する。 attを使用して垂直方向の位置を調整することにより、焦点面に試料ホルダーを配置ステージに痛んだ。
  4. プレポリマー溶液を入れながら不要な重合は行われませんように "ダミー"ブラックの画像に切り替えます。
  5. 樹脂浴にプレポリマー溶液を注ぐ。解決策は少し試料ホルダーをカバーするまで風呂を埋める。今では、印刷、3Dオブジェクトの準備ができています。
  6. 第一層を重合ゲルチューブの最初の断面画像を含むスライドに切り替えます。秒8のために画像を投影したまま、 "ブラックアウト"のスライドに切り替える。
  7. ¼ターンリニアステージのノブを回して試料ホルダーを下げるために(〜160μm)である。今、新鮮な樹脂は、重合第一層を覆うように流れる。
  8. 手続1の上に第2層を重合させるために再び断面像を投影する。希望の高さのゲルチューブが製造されるまで繰り返し3.6から3.8を繰り返します。
  9. すべての層が完了したら、プレポリマー溶液の試料ホルダを持ち上げて、カミソリの宣伝ちらしを使用して慎重に製造されたサンプルを取り出す電子。
  10. 〜3時間アセトンでサンプルをリンスした後、それは〜1時間乾燥することができます。

4。弾性不安定性により、所定のパターン形成のための腫れ実験

  1. 透明なガラス皿に水 - 油二層液を準備します。
  2. スーパー接着剤を使用して、サンプルホルダーに乾燥試料を取り付けます。
  3. サンプルが逆さまになるように試料ホルダーを反転させます。水 - 油液槽に試料を浸す。油層から水 - 油界面にサンプルに近づく。サンプルはゲルチューブが固定されたベース基板部分は上部オイル層に滞在しながら、サンプルが水面に触れたときに膨潤し始める。この方法では、水は制約ベースが濡れ緩和する前に、サンプルを膨潤可能管壁内に拡散することができます。デジタルカメラを使用してゲルチューブのうねりのようなパターンの変化を監視します。

Representative Results

既製のデジタルデータプロジェクターを使用して簡単なPμSLシステムを図1に示します。 75mmの焦点距離を持つ凸レンズは2cm​​で2cmの小さな照明領域に光を集中させる。その結果、面内の光学分解能は約45μmである。垂直解像度はリニアステージの精度レベルによって決定されます。この研究のために作られた構造物の層の厚さは160μmである。各層は8秒光照射重合させた。システムによって製造された代表的な3次元構造を図1Dに示されています。このオブジェクトは、PEGDAの58層から構成されています。

我々は、光硬化性PEGDAハイドロゲルを調製した。 PEGDAハイドロゲルの架橋低く、従って大きな腫れは、プレポリマー溶液中に非架橋PEGを添加することによって達成されました。結果としてPEGDAハイドロゲルの長さ方向の膨潤率は高く、300%の体積膨張に対応する、1.5です。

> PEGDAハイドロゲルチューブのセットが設計されており、我々の理論の12に基づいて作製した。我々は、逆さまにサンプルを配置し、 図2Aに示すように、上部にオイル層で覆われて水と一緒にお風呂に入れ。次元のパラメータに応じて、円形のチューブはどちら横ばいまたは、図2Bに示すように、波状のパターンに変換されます。異なるサンプルのパターンを膨潤させる多種多様なデジタルカメラで撮影し、 図3Aに示された。

図1
図1デスクトップ投影マイクロ光造形システム()略図(b)は、実際のシステムコンポーネントの(c)のクローズアップ図(d)の代表的な3次元構造を。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください

テント "のfo:キープtogether.withinページ=" always "を> 図2
図2(b)に制約ハイドロゲルチューブは異なるパターンに変身腫れハイドロゲルチューブ用()実験セットアップ。スケールバーは5mmを示しています。

図3
図3(a)のパターンが実験を腫れに形成されている。縦軸は、T / H(したがって安定性)を示し、横軸はH / Dを (したがって、座屈モード)を示します。スケールバーは5mmを示しています。 (b)の座屈モードはH / Dに依存します。実験結果は理論値とよく一致している。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください

サンプル</強い> D(μm) トン (μm)と H(μm)
9300±420 760±40 840±40
9700±420 1040±40 1060±40
3 9700±420 1210±40 1340±40
9700±420 1660±40 1680±40
9000±420 480±40 880±40
9000±420 1060±40
3 9500±420 740±40 1350±40
9200±420 970±40 1650±40
3 8900±420 160±40 790±40
8900±420 300±40 1020±40
3 9100±420 380±40 1330±40
9000±420 490±40 1630±40
8900±420 140±40 780±40
8800±420 190±40 1010±40
3 9300±420 230±40 1340±40
8900±420 290±40 1650±40

表1サンプルの寸法は、光学顕微鏡で測定した。エラーは、測定の不確かさを示す。

Discussion

基板上に拘束管状のハイドロゲルの膨張で、安定性のみT / Hに依存しており、座屈モードにのみH / D 12に依存します。規格化膜厚t / hのレベルの異なるサンプルの4つのグループ(I〜IV)はグループが私はより厚く、より細身であることIV群であることと、作製した。各グループには、 私は短く、背の高いあるサンプルIVあるサンプルと正規化された高さH / Dのレベルが異なる4サンプル(I-IV)で構成されています。作製した試料の寸法は表1に示されている。グループIIIIVはバックルや腫れ、変形するように設計されているのに対し、グループI及びIIは 、腫れの間に安定した滞在に設計されています。座屈サンプル、bucklin用Gモードは、サンプルの高さが減少するはずである。 図3Aは、実験結果を示しています。理論が予測したように、グループIおよびIIのサンプルでは、安定しており、グループIIIIVのサンプルでは、すべての弾性不安定性を介して行って、座屈しながら、腫れ上に円形のままであった。また、同じH / Dを有する試料は類似座屈モードが表示されました。 図3Bは、理論予測とのグループIIIおよびIVでの試料の実験的に観察座屈モードの比較を示します。我々は、同じH / Dでそのサンプルを参照してくださいに関係なく厚さの同じ座屈後パターンを提起し、その実験結果は理論とよく一致することができます。

我々は、市販のデジタルデータプロジェクターを使用して簡単なデスクトップ3Dプリントシステムを構築する方法を述べる。提案されたアプローチは詐欺に対するポリマーの硬化に依存しています3D構造をstruct、およびしたがって、任意の光硬化ポリマーも限り光開始剤は、可視波長範囲内の適切な吸光度を持っているとして、一般的に使用することができます。多くの市販の光開始剤は、紫外線(UV)波長のために設計されることに注意しますが、ここで使わ光開始剤は、400nmよりも長い波長で比較的高い吸光度を持っています。 3Dオブジェクトを製作するための簡単​​かつ迅速な方法を提供し、この方法は、ここで示したような柔らかい材料力学を含め、様々な分野で応用されています。

Disclosures

特別な利害関係は宣言されません。

Acknowledgments

著者らは、 図1Dに示すように3D構造の断面画像を提供するためのイリノイ大学アーバナ·シャンペーン校でジョセフMuskinとマシューラグーザに感謝したいと思います。

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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デジタルプロジェクターとソフトマテリアル力学の研究への応用を用いたマイクロ3Dプリント
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Cite this Article

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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