Asma Micron / Sub-mikron Ölçeği Fiber Yapıların 3-D Doğrudan Yazma Robotik Dağıtım Sistemi aracılığıyla Prescribed

Bu prosedürün genel amacı, üç eksenli bir dağıtım sistemi vasıtasıyla otomatik bir doğrudan yazma prosedürü kullanarak serbestçe asılı mikron ila mikron altı ölçekli polimer lifleri ve ağ benzeri yapıları imal etmektir. Bu, önce otomatik ekipmanın valf kontrolörü ve dağıtım sistemi ile kurulmasıyla gerçekleştirilir. Mekanik kurulumdan sonra, sıvı polimer kaynakları sentezlenir ve yüzey gerilimi ve viskozite gibi gerçek mantıksal parametreler için test edilerek kalite kontrol değerlendirilir.

Daha sonra, yapılar bir CAD yazılımı kullanılarak tasarlanır. Daha sonra tasarım yapılarının mekansal koordinatları robotik kontrolör yazılımına aktarılır. Daha sonra robot, serbestçe asılı mikron, mikron altı ölçekli polimer elyaflar ve ağ benzeri tasarımlar üretmek için dağıtım iğnesini önceden belirlenmiş konumlara çevirecektir.

Bu tekniğin ıslak, kuru ve elektro eğirme gibi diğerlerine göre birincil avantajı, her üç uzamsal boyutta da lif çapını ve lif oryantasyonunu ve boyutunu hassas bir şekilde kontrol edebilmemizdir. Genel olarak, bu teknolojiye yeni olan bireyler mücadele edeceklerdir, çünkü yüzey gerilimi ile kıtlık buharlaşma oranı ve besleme hızı arasındaki sinerji, elyafları bir uzay yangını çap aralığında başarılı bir şekilde üretmenin başarısı için uygun olacaktır. Bugün prosedürü gösteren, laboratuvarımda yüksek lisans öğrencisi olan Han Yon olacak Robotik cihazı kurmak için, dağıtıcı sistemini laboratuvar tezgahına monte ederek başlayın.

Bu işlem sırasında bağlanacak dört pnömatik bileşen, basınç kaynağı, kaynak basıncını kontrol eden regülatör, aşağı akış valf kontrolörü ve ana şırınga haznesidir. Pnömatik bileşenler monte edildikten sonra ana regülatörü 15 PSI'ye ayarlayın. Bu, polimer çözeltisinin iğne ucundan dakikada 2.45 mikrolitrelik bir akış hızında dağıtılmasına izin verecektir.

Ardından, üç eksenli robotik tabanı özel bir termal muhafazaya yerleştirin ve tüm dağıtım sistemini valf kontrolörü ile birlikte robotik tabanın üzerine monte edin. İklim kontrollü muhafaza, hem polimer çözeltisi hem de hassas elektroniklerin robotik montaj sürecinin bir sonraki aşamasında çalışması için istikrarlı bir ortam sağlayacaktır. İlk olarak, robotik taban ile bir bilgisayar arasında bir seri port bağlantısı yapın.

Ardından özel denetleyici yazılımını bilgisayara yükleyin ve devam etmeden önce yazılım donanım iletişimini test edin. Robotik aşama platinini daha da seviyelendirin. Üreticinin yönergelerine göre, bu, yanal çalıştırmalar sırasında dağıtım ucunun robotik aşamaya küresel olarak dik olmasını sağlar.

Ayrıca bu, dikey iğne çalıştırmaları sırasında Z ekseni boyunca hassas hareket sağlayacaktır. Belirli bir ilgi konsantrasyonunda bir polimer çözeltisi hazırlamak için, iki eşzamanlı kriteri karşılamak için gereken polimer tozu ve çözücü miktarını hesaplayarak başlayın. Ağırlık oranları istenen konsantrasyon yüzdesine eşit olmalı ve ayrıca iki bileşenin toplam ağırlığı tam olarak üç grama eşit olmalıdır.

Örneğin, elyaf işleme için %24'lük bir akrilik çözelti kullanılacaksa, karışım önce 72 gram polimetil metakrilat veya PMMA tartılarak ve ardından iki nokta 28 gram kloro benzen eklenerek hazırlanabilir. Daha sonra mikro terazinin üzerine boş bir cam şişe yerleştirin. Sıfır ağırlık dengelemesinden sonra, PMMA tozunu şişeye ekleyin.

Daha sonra bir cam pipet kullanarak, her iki kimyasalın toplam ağırlığı üç grama ulaşana kadar kloro benzeni şişeye dağıtın. Kolaylaştırmak için, polimer peletlerinin çözeltisini katlayın. Şişeyi bir dakika boyunca vorteksleyin ve şişeyi yaklaşık beş saat boyunca ultrasonik bir banyoya yerleştirin.

Elde edilen çözeltinin hala opak olup olmadığını kontrol edin. Çözelti tamamen şeffaf hale gelene kadar ultrasonik çalkalama adımını tekrarlayın. CAD yazılımı kullanarak bir fiber desen tasarlamak için, bu orijin referans ilişkisini tespit etmek için sahne orijininin fiziksel konumsal koordinatları ile CAD çizim orijini arasında bir ilişki gereklidir.

Dağıtım valfinin yanındaki montaj braketine bir USB mikroskobu sabitleyerek başlayın. Daha sonra robotik tabla üzerine prefabrike bir alt tabaka yerleştirin ve polimer birikimi için istenen bölge mikroskobun görüş alanına girecek şekilde kaba bir tabla çevirisi gerçekleştirin. Dağıtıcı iğne odaklanana kadar mikroskobu manuel olarak ayarlayın.

Yazılım kontrolünü kullanarak, X, Y ve Z erişiminde, iğnenin fiziksel konumunun CAD çizimindeki ilgili yapısal kökenle eşleşmesi için ek ince ayarlamalar uygulayın. Şimdi, tasarım orijin kodu olarak sahne koordinatını, polimer fiber tasarımının her bir çizgi segmentinin başlangıç ve sonlandırma koordinatlarını kullanarak mevcut XY aşama koordinatlarını bilgisayara kaydedin. Son olarak robot menüsü altında yer alan sense c ve t data komutunu seçin ve CAD dosyasını bilgisayardan robota yükleyin.

Robot artık polimer çözeltisinin yüklenmesi ve fiber ağın doğrudan yazılması için hazırlanmaya hazırdır. Kabarcık oluşumunu önlerken, arıtılmış polimer çözeltisinin üç mililitresini şırınga haznesine dikkatlice yükleyin. Ardından pistonu şırınga namlusuna yerleştirin.

Bu, sonraki adımlar sırasında tutarsız pnömatik basınç dağılımını ortadan kaldıracaktır. Ardından, namlu ile hava kaynağı hattı arasında doğrudan bir bağlantı sağlamak için şırınga namlusu üzerindeki giriş hattı adaptörünü çevirin. Dikkati şırınga namlusunun diğer ucuna geçirmek.

İstenen gösterge boyutunda bir iğne ucu seçin ve hassas iğneyi dağıtım valfine monte edin. İğne takılıyken, dağıtım kontrol panelini bulun ve durumu temizlemek için değiştirin ve dağıtım valfini polimer çözeltisiyle doldurmak için döngü düğmesine tıklayın. Polimer çözeltisi hassas iğneden damlamaya başladığında, iğnedeki fazla polimer akıntısını silin.

Son olarak, gerekli dağıtım parametrelerini hem dağıtım valfine hem de robot kontrol ünitesine yükleyin ve ana robot menüsünden test çalıştırma seçeneğini seçerek doğrudan yazma rutinini başlatın. Yapıları kalitatif olarak görselleştirmek için video ışık mikroskobu kullanılır ve lifler ve yapılar hakkında kantitatif boyutsal veriler elde etmek için taramalı elektron mikroskobu kullanılır. Bu görüntüler %24 PMMA solüsyonundan oluşan bir yapıdadır.

Gösterildiği gibi, doğrudan yazma işlemi, destek liflerinin ve dal liflerinin göreceli konum deseninin ve çaplarının tümünün belirli bir ağ modelini örmek için bağımsız olarak uyarlanabildiği üç boyutlu bir fiber matrisi sentezledi. Robotik aşama, sıvı polimerin aynı anda dağıtıldığı sıralı yönlerde hareket edecek şekilde programlanmıştır. PMMA konsantrasyonunu %20'ye düşürerek ve besleme hızını değiştirerek, polimer elyaf çapının dinamik aralığı onlarca mikron mertebesinde mikron altı seviyelere kadar değişebilir.

Bir kez ustalaştıktan sonra, bu eklem tekniği düzgün bir şekilde yapılırsa 30 dakika içinde yapılabilir. Bununla birlikte, PMA çözeltilerinin hazırlanmasının dahil edilmesi, yapının araç yazılımında tasarlanması, dağıtım sisteminin PMA çözeltisi ile yüklenmesi ve liflerin 30 dakika çekilmesiyle, tüm süreç yaklaşık altı saat sürecektir. Bu prosedürü denerken, lif oluşumu ve besleme hızı arasındaki ödünleşimlere dikkat etmek önemlidir.

Örneğin, besleme hızı tarafından üretilen atalet kuvvetleri, üzerinde çalıştığımız belirli sıvı malzemenin yüzey geriliminden ve buharlaşma hızından daha yüksekse, kılcal damar kırılması olur ve teller oluşmaz. Tersine, ilerleme hızımız çok yavaşsa, geliştirilmesinden sonra o Belirli telin çapının kontrolünü kaybedeceğiz. Bu teknik, bizim ve mikro fabrikasyon ve nano fabrikasyon camiasındaki diğer araştırmacıların, hem üç boyutlu hem de geleneksel olarak yeni mikroakışkan cihazlar ve platformlar geliştirebilmemizi ve biyomühendislik alanında yeni biyolojik platformlar ve iskeleler geliştirebilmemizi sağladı.