Method Article

Yumuşak Malzemelerin Mekaniği Çalışması Dijital Projektör ve Uygulama Kullanarak Mikro 3D Baskı

DOI:

10.3791/4457

⸱

November 27th, 2012

 , 
1Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biz elastik istikrarsızlık şişme jel tüpler kontrollü model dönüşüm gösterir. Basit bir projeksiyon mikro stereo litografi kurulum bir katman-by-katman moda üç boyutlu polimerik yapılar imal etmek bir off-the-raf dijital veri projektörü kullanılarak inşa edilmiştir. Mekanik kısıtı altında hidrojel tüpleri şişmesi boyuta bağlı olarak çeşitli çevresel çökertme ekran modları.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burkulma mekaniği klasik bir konudur. Burkulma uzun büyük yapısal göçme modları 1 biri olarak çalışılmış olsa da, son zamanlarda model dönüşümü için benzersiz bir mekanizma olarak yeni bir dikkat çekmiştir. Egzotik desen zenginliği mekanik instabilite 2-5 yoluyla oluştuğu yer Doğa tür örneklerle doludur. Bu zarif mekanizması esinlenerek, birçok çalışma gibi elastomer ve hidrojeller 6-11 gibi yumuşak malzemeler kullanılarak desen oluşturma ve dönüşüm göstermiştir. Kendiliğinden dış kuvvet 6-10 gerek kalmadan çeşitli desenleri oluşturmak için mekanik instabilite tetikleyebilir çünkü şişme jeller özellikle ilgisini çekmektedir. Son zamanlarda, biz projeksiyon mikro-stereolitografi (PμSL), hızlı bilgisayar oluşturulan 3D modeller i dönüştürme yeteneğine sahip bir üç boyutlu (3D) üretim teknolojisini kullanarak mikro ölçekli tübüler jellerin desen burkulma üzerinde tam kontrol gösterilmesi bildirdinyüksek çözünürlüklü 12,13 azından nto fiziksel nesneler. Burada kontrollü model dönüşümü için şişme indüklenen burkulma istikrarsızlık okumak için piyasada bulunan dijital veri projektörü ile basitleştirilmiş PμSL sistemi kurmak için basit bir yöntem sunar.

Basit bir masaüstü 3D yazıcı bir off-the-raf dijital veri projektörü ve böyle bir dışbükey lens ve ayna 14 gibi basit optik bileşenler kullanılarak inşa edilmiştir. 3D katı model elde kesit görüntüleri bir katman-by-katman moda istenen 3D katı yapısı içine sıvı reçine polimerize sırayla ışığa reçine yüzeyinde yansıtılır. Hatta bu basit yapılandırma ve kolay bir süreç ile, keyfi 3D nesneler kolayca alt-100 mikron çözünürlük ile imal edilebilir.

Bu masaüstü 3D yazıcı çeşitli 3D geometriler keşfetmek için büyük bir fırsat sunarak yumuşak malzeme mekaniği çalışmada potansiyele sahiptir. Biz fabrica için bu sistemi kullanmakfarklı boyutlarıyla te tübüler şekilli hidrojel yapısı. Alt tabaka ile alt olarak sabit boru şeklindeki jel kararsızlık burulma yol açmaktadır şişmesi sırasında homojen olmayan bir gerilme geliştirir. Jel yapıları burkulma geçmesi sırasında çeşitli dalgalı desenleri tüp çevresi boyunca görünür. Deney istenilen mod burkulması çevresel kontrollü bir şekilde oluşturulabilir göstermektedir. Üç boyutlu yapılandırılmıştır tübüler jellerin Desen dönüşüm mekaniği ve malzeme bilimi değil sadece önemli anlamı vardır, ama aynı zamanda ayarlanabilir matamaterials gibi diğer birçok gelişmekte olan alanlarda.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Prepolymer Çözüm hazırlanması

  1. Karışım poli (etilen glikol) diakrilat (PEG-DA) (ortalama molekül ağırlığı ~ 575, Sigma-Aldrich) ve 1:2 ağırlık oranında poli (etilen glikol) (PEG), (ortalama molekül ağırlığı ~ 200, Sigma-Aldrich).
  2. % 0.67 wt ekleyin. Foto-başlatıcı (Phenylbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfin oksit, Sigma-Aldrich). Çözümü bu noktada gelen karanlık bir ortamda muhafaza edilmelidir.
  3. % 0.05 wt ekleyin. foto-emici (Sudan I, Sigma-Aldrich).
  4. Bir manyetik karıştırıcı kullanılarak oda sıcaklığında 24 saat boyunca çözelti karıştırılır.

2. Dijital Data Projektör Kullanarak Masaüstü 3D Yazıcı Kurma

  1. Düz ve sabit bir konumda bir dijital veri projektörü yerleştirin ve Microsoft PowerPoint yüklü bir bilgisayara bağlayın.
  2. Dijital projektör ışını çıkış objektifin önünde bir dışbükey lens sağ yerleştirin. Yanlısı yaklaşık 10 cm uzakta odak düzlemi yapmak için bir dışbükey lens seçinprojektörün. (Optik çözünürlük kısa odak uzunluğu, ancak optik bileşenleri için biraz boşluk ayırtmak için bir ihtiyaç olan bir lens için küçülür.)
  3. Düz aşağı ışını yönlendirmek için 45 ° 'lik açıyla ışın yolu üzerinde dışbükey lens sonra bir ayna yerleştirin.
  4. Yansıtılan ışının odak düzlemi bir numune tutucu yerleştirin. Numune tutucu numune tutucusunun dikey konumunu kontrol edildiği bir doğrusal aşama eklenmesi gerekmektedir.
  5. Numune tutucu altına bir reçine banyosu yerleştirin.

3. Jel Tüpler Tasarım ve İmalat

  1. Çapı, duvar kalınlığı ve imal edilmesi için jel tüp yüksekliği belirler.
  2. Jel tüp için kesitsel görüntüler çizin. Görüntüler siyah arka plan ile beyaz olmalıdır. Microsoft PowerPoint slaytları bu görüntüyü yerleştirin.
  3. Microsoft PowerPoint'te slayt gösterisi başlatın ve herhangi bir görüntü yansıtabilir. Att kullanarak dikey konumunu ayarlayarak odak düzlemi de numune tutucu yerleştirinsahne ağrıyordu.
  4. Prepolimer çözüm koyarken hiç istenmeyen polimerizasyon olacak, böylece bir "kukla" siyah görüntü geçin.
  5. Reçine banyosuna prepolimer çözüm dökün. Çözümü biraz numune tutucu örtecek banyo doldurun. Şimdi baskı 3B nesne için hazır hale gelir.
  6. Birinci tabaka polimerize etmek jel tüpün birinci kesit görüntüsü içeren slaytı geçin. 8 sn için görüntü yansıtırken tutun ve "karartma" slayt geri dönün.
  7. ¼ dönüş tarafından lineer sahnede düğmeyi çevirin numune tutucu düşürmek için (~ 160 mikron). Şimdi taze reçine polimerize ilk katman kapsayacak şekilde akar.
  8. Işlem bir üst tabaka ikinci polimerleştirmek için tekrar kesitsel görüntüsü yansıtılır. İstenilen yükseklik jel tüp fabrikasyon kadar tekrarlayın 3,6-3,8 adımları.
  9. Tüm katmanları tamamlandıktan sonra, bir ustura blad kullanılarak dikkatlice fabrikasyon örnek prepolimer çözüm numune tutucu dışarı kaldırın ve almake.
  10. ~ 3 saat için aseton içinde örnek durulayın ve daha sonra ~ 1 saat boyunca kurumaya bırakılır.

4. Elastik İstikrarsızlık tarafından Öngörülen Desen Oluşumu için Deneme şişmesi

  1. Saydam bir cam tabak içinde su-yağ çift katmanlı sıvı hazırlayın.
  2. Süper yapıştırıcı kullanarak bir örnek tutucu üzerindeki kuru numune takın.
  3. Örnek ters böylece numune tutucu çevirir. Su-yağ sıvı banyosunda örnek daldırın. Yağ tabaka su-yağ arabirimi örnek Yaklaşım. Örnek jel tüpü sabit edildiği baz tabaka kısım üst tabaka yağ kaldı ise numune su yüzeyine temas ettiğinde şişmeye başlar. Bu şekilde, su kısıtlayıcı baz ıslatma rahatlatır önce numune şişmesine izin tüp duvarı içine nüfuz edebilir. Bir dijital kamera kullanıyorsanız jel tüpü şişer olarak desen değişimi izleyin.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bir off-the-shelf dijital veri projektör kullanılarak basit bir PμSL sistemi Şekil 1 'de gösterilmiştir. 75 mm odak uzaklığına sahip bir dışbükey lens 2 cm 2 cm küçük aydınlatma alana ışın yoğunlaşmaktadır. Optik çözünürlük-düzlem Sonuçlanan yaklaşık 45 mikron. Dikey çözünürlük doğrusal aşamasının hassasiyet düzeyi tarafından belirlenir. Bu çalışma için yapılan yapıların kat kalınlığı 160 mikron. Her katman 8 sn ışık aydınlatma için polimerize edildi. Sistem tarafından üretilmiş bir temsilcisi, 3D yapısı Şekil 1B 'de gösterilmiştir. Bu nesneler PEGDA 58 tabakadan oluşur.

Biz fotoğraf-kurutmalı PEGDA hidrojel hazırlanmıştır. PEGDA hidrojel düşük çapraz bağlama, bu nedenle büyük şişme, prepolimer çözelti içine olmayan çapraz bağ PEG ilave edilerek elde edildi. Çıkan PEGDA hidrojel Boy-bilge şişme oranı daha yüksek% 300 hacimsel genleşme tekabül eden 1.5 olduğunu.

> PEGDA hidrojel tüpler bir dizi tasarlanmış ve bizim teorisi 12 yoruma göre hazırlandı. Bu ters bir örnek yerleştirilir ve Şekil 2A'da gösterildiği gibi, üst tabaka ile kaplı yağ su banyosu içinde koydu. Boyutlu parametrelerine bağlı olarak, dairesel borular ya sabit kaldığı ya da Şekil 2B'de gösterildiği gibi, bir dalgalı model dönüştürülmüştür. Farklı numunelerin desen şişme çeşitli bir dijital kamera ile çekilen ve Şekil 3A sunuldu.

figure-results-1
Şekil 1. Bir masaüstü projeksiyon mikro-stereolitografi sistemi (a) şematik gösterimi (b) gerçek sistem bileşenlerinin (c) yakın görünümü (d) temsilcisi 3D yapıları. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .

çadır "fo: keep-together.within-page =" always "> figure-results-2
Şekil 2.. (B) kısıtlı hidrojel tüp farklı desenler dönüşür şişlik hidrojel tüp için (a) Deneysel kurulum. Ölçek çubuğu 5 mm gösterir.

figure-results-3
Şekil 3. (A) Desenler deneyde şişlik oluşmuş. Dikey eksen t / h (böylece stabilite) gösterir ve yatay eksen saat / D (böylece modu çökertme) gösterir. Ölçek çubuğu 5 mm gösterir. (B) modu Burkulma sadece h / D bağlıdır. Deneysel sonuç teorik öngörü ile de aynı fikirde. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .

Örnek </ Strong> D (mikron) t (mikron) h (mikron)
Ben ben 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 ben 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 ben 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 ben 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

Tablo 1. Numune boyutları optik mikroskop ile ölçülür. Hatalar ölçüm belirsizliği göstermektedir.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yüzeydeki kısıtlı tübüler hidrojel şişmesi, istikrar sadece t / h ve mod burkulma sadece h / D 12 bağlıdır bağlıdır. Normalize kalınlığı t / h farklı düzeylerde ile numunelerin dört grup (I-IV) grup I kalın olmak ve grup IV daha ince olması ile, fabrikasyon edildi. Her grup numune i kısa ve örnek iv boylu olmanın olmanın normalize yüksekliği h / D farklı düzeylerde dört örnekler (i-iv) oluşur. Fabrikasyon örneklerinin boyutları Tablo 1 'de gösterilmiştir. Grup III ve IV toka ve şişlik üzerine dönüştürmek için tasarlanmış ise Grup I ve II, şişme sırasında sabit kalacak şekilde tasarlanmıştır. Burkulma örnekleri, Bucklin içing modunda örnek yüksekliği ile düşmelidir. Şekil 3A deney sonucunu göstermektedir. Teorisinin öngördüğü gibi, grup I ve II'de örnekleri stabil, grup III ve IV örnekleri bütün elastik kararsızlığı geçti ve buckled ise, şişme dairesel kalmıştır. Ayrıca, aynı h / D ile numuneler benzer burkulma modu gösterilir. Şekil 3B teorik öngörü ile grup III ve IV numunelerin deneysel olarak gözlenen burkulma modları karşılaştırır. Biz aynı h / D ile örnekleri görmek bakılmaksızın kalınlığı aynı post-burkulma desen poz ve deneysel sonuçlar teorisi ile de görüşebilirsiniz.

Biz piyasada bulunan dijital veri projektörü kullanarak basit bir masaüstü 3D baskı sistemi kurmak için nasıl sunmak. Önerilen yaklaşım con polimer photocuring dayanır3 boyutlu yapısına bir yapı ve bu nedenle, herhangi bir photocurable polimerler de kadar foto başlatıcı görünür dalga boyu aralığı içinde uygun absorbansı gibi, genel olarak kullanılabilir. Birçok ticari fotobaşlatıcılardan ultra viyole (UV) dalga boyu için tasarlanmış olduğunu unutmayın, ancak burada kullanılan photoinitiator 400 nm'den daha uzun dalga boylarında nispeten yüksek absorbans sahiptir. 3D nesneler imal etmek kolay ve hızlı bir şekilde sunan, bu yöntemi burada gösterildiği gibi yumuşak malzemeler mekaniği olmak üzere çeşitli alanlarda birçok uygulama bulabilirsiniz.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar Şekil 1D gösterilen 3D yapılar için kesitsel görüntüler sağlamak için Urbana-Champaign Illinois Üniversitesi Joseph Muskin ve Matthew Ragusa teşekkür etmek istiyorum.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Reaktif Adı Şirket Katalog numarası Yorumlar (isteğe bağlı)
Poli (etilen glikol) diakrilat Sigma-Aldrich 437441 Mw ~ 575
Poli (etilen glikol) Sigma-Aldrich P3015 Mw 200 ~
phenylbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfin oksit Sigma-Aldrich 511447 Foto-başlatıcı
Sudan I Sigma-Aldrich 103624 Foto-emici
Dijital veri projektörü Viewsonic PJD6221
Konveks objektif Thorlabs LA1145 f = 75.0 mm
Mirrveya 4 "silikon gofret
Manuel sahne Velmex A2506DE-S2.5

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Theory of Elastic Stability. , McGraw-Hill. (1961).">Timoshenko, S. P., Gere, J. M. Theory of Elastic Stability. , McGraw-Hill. (1961).
  2. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).">Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).
  3. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).">Kücken, M., Newell, A. C. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).
  4. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).">Liang, H., Mahadevan, L. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).
  5. The human brain during the second trimester. , Taylor & Francis. (2005).">Bayer, S. A., Altman, J. The human brain during the second trimester. , Taylor & Francis. (2005).
  6. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564(2008).">Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564(2008).
  7. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490(2011).">Breid, D., Crosby, A. J. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490(2011).
  8. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).">Mora, T., Boudaoud, A. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).
  9. Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels. Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).">DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels. Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).
  10. Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases. Physical Review Letters. 107, 018103(2011).">Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases. Physical Review Letters. 107, 018103(2011).
  11. Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching. Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).">Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching. Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).
  12. Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability. Physical Review Letters. 108, 214304(2012).">Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability. Physical Review Letters. 108, 214304(2012).
  13. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).">Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).
  14. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).">Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Micro 3D PrintingDigital ProjectorProjection Micro StereolithographySoft Materials MechanicsSwelling Induced BucklingHydrogel Tube FabricationPattern TransformationOptical Resolution MeasurementLinear Stage ControlWater Oil Interface

Related Articles