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

Мы демонстрируем контролируемых преобразований структуры отек труб гель упругой нестабильности. Простая проекция микро стерео-литографии установки построена с использованием вне-полки цифровых данных проектор для изготовления трехмерных полимерных структур в слой за слоем моды. Набухание гидрогеля трубы при механическом ограничении отображать различные окружные формы потери устойчивости в зависимости от размера.

Устойчивость является классической темы в механике. В то время как потери устойчивости уже давно изучается как один из основных структурных видов отказов ^1, то в последнее время обращается внимание, как новая уникальная модель механизма преобразования. Природа полна таких примеров, когда богатство экзотических моделей формируются за счет механического ^2-5 нестабильности. Вдохновленный этим элегантным механизмом, многие исследования показали, создание и преобразование моделей с использованием мягких материалов, таких как эластомеры и гидрогелей ^6-11. Отек гели представляют особый интерес, поскольку они могут вызвать спонтанно механической нестабильности для создания различных форм без необходимости внешней силой ^6-10. Недавно мы сообщали демонстрация полного контроля над выпучивания картина микро-масштабных трубчатых гели с помощью проекции микро-стереолитографии (PμSL), трехмерные (3D) технологии производства, способных быстро преобразования компьютерной 3D-модели яNto физических объектов с высоким разрешением ^12,13. Здесь мы приведем простой метод для создания упрощенных PμSL системы с помощью коммерчески доступных цифровых данных проектор для изучения отеки вызванные продольная неустойчивость для контролируемого преобразования шаблона.

Простой рабочий стол 3D-принтер построен с использованием вне-полки цифровых данных проектор и простые оптические компоненты, такие как выпуклая линза и зеркало ^14. Изображения поперечного сечения извлечь из 3D модели твердого проецируется на светочувствительной поверхности смолы в последовательности, полимеризации жидкой смолы в нужное 3D твердые структуры в слой за слоем моды. Даже с этой простой конфигурации и легкий процесс, произвольное 3D-объекты могут быть легко изготовлены с суб-100 мкм резолюции.

Этот настольный 3D-принтер имеет потенциал в изучении механики мягких материалов, предлагая большие возможности для изучения различных 3D-геометрии. Мы используем эту систему для FabricaТе трубчатая структура в форме гидрогеля с различными размерами. Исправлена ​​на дне на подложку, трубчатые гель развивается неоднородной стресс во время отек, что приводит к продольная неустойчивость. Различные волнистые узоры появляются вдоль окружности трубы, когда гель структур подвергаются деформации. Опыт показывает, что окружные выпучивания нужный режим может быть создан в управляемом режиме. План преобразования трехмерную структуру трубчатых гели имеет значительные последствия не только в области механики и материаловедения, но и во многих других развивающихся областях, таких как перестраиваемый matamaterials.

1. Подготовка форполимера решение

1. Mix поли (этиленгликоль) диакрилат (PEG-DA) (средняя молекулярная масса ~ 575, Sigma-Aldrich) и поли (этиленгликоль) (ПЭГ) (средняя молекулярная масса ~ 200, Sigma-Aldrich) в весовом соотношении 1:02.
2. Добавить 0,67% мас. фото-инициатора (Phenylbis (2,4,6-триметилбензоил) фосфин оксид, Sigma-Aldrich). Решение должно храниться в темноте с этого момента.
3. Добавить 0,05% мас. Фото-поглотитель (Судан I, Sigma-Aldrich).
4. Смешайте раствор в течение 24 часов при комнатной температуре с помощью магнитной мешалки.

2. Настройка Desktop 3D принтера с помощью цифровых данных проекторов

1. Поместите цифровых данных проектор на ровной и устойчивой позиции, и подключить его к компьютеру с Microsoft PowerPoint установлен.
2. Поместите выпуклая линза в правой передней части объектива пучка выход цифрового проектора. Выберите выпуклой линзы, чтобы сделать фокальной плоскости около 10 см от профипроектора. (Оптическое разрешение становится меньше для объективов с более коротким фокусным расстоянием, но нужно, чтобы зарезервировать место для оптических компонентов).
3. Поместите зеркало после выпуклой линзы на пути луча под углом 45 °, чтобы направить луч прямо вниз.
4. Поместите держатель образца в фокальной плоскости проецируемого луча. Держатель образца должен быть присоединен к линейной стадии с помощью которого вертикальное положение держатель образца находится под контролем.
5. Поместите ванну со смолой под держатель образца.

3. Проектирование и изготовление гель в тубах

1. Определить диаметр, толщина стенки, а высота геля трубы должны быть сфабрикованы.
2. Нарисуйте изображения поперечного сечения для геля трубку. Изображения должны быть в белом цвете с черным фоном. Вставьте эти изображения в Microsoft PowerPoint слайды.
3. Начать слайд-шоу в Microsoft PowerPoint и проецировать любое изображение. Поместите держатель образца в фокальной плоскости путем изменения вертикальной позиции с помощью ATTболела этапе.
4. Переключитесь на "пустышки" черное изображение, так что не будет никаких нежелательных полимеризации, одновременно оказывая форполимера решение.
5. Залить форполимера решение смолы ванны. Наполните ванну, пока раствор слегка охватывает держатель образца. Теперь он готов к печати 3D объектов.
6. Переключитесь на слайд, содержащий первый поперечного сечения образ гель трубку для полимеризации первого слоя. Держите проецирования изображения на 8 секунд и вернитесь в "Blackout" слайд.
7. Поверните ручку на линейной стадии по очереди ¼ (~ 160 мкм), чтобы снизить держателя образца. Теперь свежая смола течет, чтобы покрыть полимеризованный первого слоя.
8. Проект поперечного сечения изображение еще раз для полимеризации второй слой поверх разбирательства один. Повторите шаги 3.6-3.8, пока гель трубки нужной высоты изготовлен.
9. После того как все слои будут готовы, снять держатель образца из форполимера решение, и получить изготовлены образцы, тщательно используя бритву мочевогое.
10. Промыть образец в ацетоне в течение ~ 3 часа, а затем дайте ему высохнуть в течение ~ 1 часа.

4. Отек эксперимент при заданных структурообразования упругие неустойчивости

1. Подготовка водно-масляной двойной слой жидкости в прозрачной стеклянной посуде.
2. Прикрепить сухого образца на держатель образца с помощью супер клея.
3. Переверните держатель образца, так что пример с ног на голову. Погрузитесь образца в водно-масляной ванне с жидкостью. Подойдите к образцом для водно-масляных интерфейс от слоя масла. Образец начинает набухать, когда образец не коснется поверхности воды в то время как базовая часть подложки, на которой гель трубы был установлен остался в верхнем слое масла. Таким образом, вода может диффундировать в стенке трубы позволяет образца набухают до сдерживающим базы расслабляется смачивания. Следить за изменением картины, как гель набухает труба с помощью цифровой камеры.

Простой PμSL системы с помощью вне-полки цифровых данных проектор показано на рисунке 1. Выпуклой линзы с фокусным расстоянием 75 мм концентрирует луч на небольшой площади освещенность 2 см на 2 см. В результате в плоскости оптическое разрешение составляет около 45 мкм. Разрешение по вертикали определяется уровень точности линейной стадии. Толщина слоя конструкций для данного исследования составляет 160 мкм. Каждый слой полимеризоваться в течение 8 освещением сек. Структура Представитель 3D изготовлены системы показан на рис 1D. Этот объектов состоит из 58 слоев PEGDA.

Мы подготовили фото-излечима PEGDA гидрогеля. Температура сшивания, поэтому большая опухоль, гидрогеля PEGDA было достигнуто путем добавления без сшивания PEG в форполимер решение. Длина стрелки набухания полученной гидрогель PEGDA составляет 1,5, что соответствует объемного расширения больше, чем 300%.

> Набор труб PEGDA гидрогеля были разработаны и изготовлены на основе нашей теории ^12. Мы поместили образец с ног на голову и положить в ванну с водой покрыто слоем масла на вершине, как показано на рисунке 2А. В зависимости от размерных параметров, круглых труб либо оставались стабильными или превращаются в волнистые линии, как показано на рисунке 2B. Широкий спектр отек орнамент различных образцов был взят в плен цифровой камеры и представлены на рисунке 3А.

Рисунок 1. Рабочего стола проекции микро-стереолитографии системы (а) схематическое изображение (б) реальной системы (с) крупным планом компонентов (г) представитель 3D-структур. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 3. (А) Шаблоны образуется припухлость в эксперименте. Вертикальная ось показывает т / ч (при этом стабильность), а горизонтальная ось показывает ч / D (при этом потери устойчивости). Масштаб полоса указывает на 5 мм. (Б) Устойчивость режима зависит только от ч / D. Экспериментальный результат хорошо согласуется с теоретическим предсказанием. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Таблица 1. Размеры образца измеряется с помощью оптического микроскопа. Ошибки указывают на неопределенность измерений.

В набухания гидрогеля трубчатых ограничена на подложке, стабильность зависит только от т / ч и устойчивость режима зависит только от ч / D ^12. Четыре группы образцов (I-IV) с различными уровнями нормированной толщины т / ч были сфабрикованы, с группой я быть толще и группу IV быть более стройными. Каждая группа состоит из четырех образцов (I-IV) с различными уровнями нормированной высоты ч / D, с образцом, я короче, и образец IV быть выше. Размеры изготовленных образцов представлены в таблице 1. Группа I и II предназначены, чтобы остаться стабильным в период набухания, в то время как группа III и IV предназначены для пряжки и преобразования на опухоль. Для изгиба образцов, Bucklinг режима должна уменьшаться с высоты образца. 3А приведены экспериментальные результаты. Как и предсказывает теория, образцы в группе I и II были стабильными и остались на круговой отек, в то время как образцы в группе III и IV все прошли через упругие неустойчивости и подогнулись. Кроме того, образцы с тем же ч / D отображается аналогичный потери устойчивости режима. 3В сравнивает экспериментально наблюдаемые формы потери устойчивости образцов в группе III и IV с теоретическим предсказанием. Мы видим, что образцы с тем же ч / D представлять такую ​​же после потери устойчивости картины независимо от толщины и экспериментальные результаты хорошо согласуются с теорией.

Мы представляем, как построить простой настольной системы 3D-печати с использованием коммерчески доступных цифровых данных проектор. Предлагаемый подход основан на фотоотверждения полимера к конПостроим 3D-структур, и, следовательно, любое фотоотверждаемых полимеры могут быть также использованы в целом, насколько фотоинициаторов имеет соответствующие поглощению в видимом диапазоне длин волн. Отметим, что многие коммерчески доступные фотоинициаторы предназначены для ультра-фиолетового (УФ) длинах волн, но фотоинициатора используется здесь имеет относительно более высокую оптическую плотность при длине волны более 400 нм. Предлагает простой и быстрый способ для изготовления 3D-объектов, этот метод найдет широкое применение в различных областях, включая мягкие механика материалов, как показано здесь.

Нет конфликта интересов объявлены.

Авторы хотели бы поблагодарить Иосифа Muskin и Мэтью Ragusa в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн для обеспечения изображения поперечного сечения для 3D-структур, показанных на рис 1D.