الصغرى 3D الطباعة باستخدام جهاز عرض رقمي وتطبيقاتها في دراسة ميكانيكا مواد لينة
Summary
علينا أن نبرهن للرقابة تحول نمط أنابيب هلام تورم عدم الاستقرار المرنة. بنيت إسقاط الجزئي بسيطة ستيريو الطباعة الحجرية باستخدام الإعداد قبالة الجاهزة للاستخدام جهاز عرض البيانات الرقمية الى افتعال هياكل ثلاثية الأبعاد البوليمرية بطريقة طبقة تلو الطبقة. تورم هيدروجيل أنابيب تحت القيد الميكانيكية عرض مختلف وسائط كفافي التواء اعتمادا على البعد.
Abstract
التواء هو موضوع الكلاسيكية في الميكانيكا. بينما منذ فترة طويلة التواء درس واحد من وسائط فشل هيكلية رئيسية 1، وقد وضعت في الآونة الأخيرة اهتماما جديدا كآلية للتحول نمط فريد. الطبيعة مليئة أمثلة من هذا القبيل حيث تتشكل مجموعة كبيرة من أنماط غريبة من خلال عدم الاستقرار الميكانيكية 2-5. مستوحاة من هذه الآلية أنيقة، وقد أظهرت العديد من الدراسات وإنشاء أنماط التحول من استخدام مواد لينة مثل اللدائن والهلاميات المائية 6-11. تورم المواد الهلامية ذات أهمية خاصة لأنها يمكن أن تؤدي إلى عدم الاستقرار الميكانيكية تلقائيا لإنشاء أنماط مختلفة من دون الحاجة إلى قوة خارجية 6-10. في الآونة الأخيرة، وقد أبلغنا مظاهرة من السيطرة الكاملة على نمط التواء الصغيرة النطاق باستخدام المواد الهلامية أنبوبي الإسقاط الجزئي المجسمة (PμSL)، ثلاثي الأبعاد تكنولوجيا التصنيع (3D) قادرة على تحويل بسرعة الكمبيوتر نماذج 3D ولدت أناn لكائنات المادية بدقة عالية 12،13. هنا نقدم طريقة بسيطة لبناء نظام مبسط PμSL باستخدام البيانات الرقمية المتاحة تجاريا لدراسة العرض تورم عدم الاستقرار الناجم عن التواء للتحول نمط رقابة.
بنيت طابعة مكتبية بسيطة 3D باستخدام قبالة الجاهزة للاستخدام البيانات الرقمية والبروجيكتور المكونات البصرية البسيطة مثل عدسة محدبة ومرآة 14. ومن المتوقع صور مقطعية المستخرجة من نموذج 3D الصلبة على سطح الراتنج حساس في تسلسل، بلمرة الراتنج السائل إلى بنية صلبة المطلوب 3D بطريقة طبقة تلو الطبقة. حتى مع هذا التكوين بسيطة وعملية سهلة، يمكن 3D الكائنات التعسفي ملفقة بسهولة لقرار ميكرون الفرعي-100.
هذه الطابعة المكتبية 3D يحمل إمكانات في دراسة ميكانيكا المواد الناعمة من خلال تقديم فرصة عظيمة لاستكشاف 3D هندستها المختلفة. نستخدم هذا النظام لFABRICAالشركة المصرية للاتصالات أنبوبي هيكل هيدروجيل شكل ذات أبعاد مختلفة. ثابتة على الجزء السفلي إلى الركيزة، وهلام أنبوبي تطور التوتر غير متجانسة خلال تورم، التي تثير عدم الاستقرار التواء. أنماط مختلفة تظهر متموجة على طول محيط الأنبوب عند الهياكل هلام الخضوع التواء. التجربة تبين أن يمكن إنشاء كفافي التواء من الوضع المرغوب في الطريقة التي تسيطر عليها. تحول نمط ثلاثة الأبعاد المواد الهلامية أنبوبي هيكلة ديه ضمنا كبيرة ليس فقط في الميكانيكا وعلم المواد، ولكن أيضا في العديد من المجالات الأخرى الناشئة مثل matamaterials الانضباطي.
Protocol
Representative Results
Discussion
في تورم هيدروجيل أنبوبي مقيدة على الركيزة والاستقرار يعتمد فقط على طن / ساعة والتواء يعتمد فقط على وضع ساعة / D 12. ملفقة أربع مجموعات من العينات (I-IV) مع مستويات مختلفة من سمك تطبيع ر / ساعة، مع المجموعة الأولى كونه سمكا ومجموعة IV كونها أكثر رشاقة. كل مجموعة تتكون من أربع عينات (من الأول إلى الرابع) مع مستويات مختلفة من الارتفاع تطبيع ح / D، مع العينة أن أكون أقصر والعينة الرابعة كونها أطول قامة. وتعرض أبعاد عينات ملفقة في الجدول 1. تم تصميم مجموعة الأول والثاني للبقاء مستقرة خلال تورم، في حين تم تصميم المجموعة الثالثة والرابعة لربط حزام الأمان وتحويل عند تورم. لعينات التواء، bucklinز ينبغي وضع ينخفض مع ارتفاع العينة. 3A يوضح الشكل نتيجة التجريبية. كما تتنبأ النظرية، وكانت العينات في المجموعة الأولى والثانية بقيت مستقرة والتعميم على تورم، في حين عينات في المجموعة الثالثة والرابعة ذهب كل ذلك من خلال عدم الاستقرار والمرونة التوى. أيضا، عرض عينات مع نفس ح / D مماثلة وضع التواء. 3B الشكل يقارن وحظ تجريبيا وسائط التواء في العينات المجموعة الثالثة والرابعة مع التنبؤ النظري. يمكننا أن نرى أن العينات مع نفس ح / D تشكل نفس النمط بعد التواء بغض النظر عن سمك والنتائج التجريبية أن نتفق تماما مع النظرية.
كيف نقدم لبناء 3D سطح المكتب بسيطة نظام الطباعة باستخدام البيانات الرقمية المتاحة تجاريا العرض. النهج المقترح يعتمد على photocuring من البوليمر ليخدعالبنية هياكل 3D، وبالتالي، يمكن أي البوليمرات photocurable تستخدم أيضا بشكل عام، بقدر ما لديه photoinitiator الامتصاصية المناسبة في نطاق الطول الموجي مرئية. لاحظ أن يتم تصميم العديد من photoinitiators المتاحة تجاريا لالأشعة فوق البنفسجية (UV) موجات، ولكن لديها photoinitiator المستخدمة هنا الامتصاصية أعلى نسبيا عند أطوال موجية أطول من 400 نانومتر. تقدم وسيلة سهلة وسريعة لصنع كائنات 3D، وسوف تجد هذه الطريقة العديد من التطبيقات في مختلف المجالات بما في ذلك مواد لينة الميكانيكا كما هو موضح هنا.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أشكر جوزيف ماسكين وراجوسا ماثيو في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين لتوفير صور مقطعية للهياكل 3D هو مبين في الشكل 1D.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| 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 |
References
- Timoshenko, S. P., Gere, J. M. . Theory of Elastic Stability. , (1961).
- Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).
- Kücken, M., Newell, A. C. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).
- Liang, H., Mahadevan, L. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).
- Bayer, S. A., Altman, J. . The human brain during the second trimester. , (2005).
- Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564 (2008).
- Breid, D., Crosby, A. J. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490 (2011).
- Mora, T., Boudaoud, A. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).
