Micro 3D Impression à l'aide d'un projecteur numérique et son application dans l'étude de la mécanique des matériaux souples
Summary
Nous démontrons la transformation du modèle contrôlé tubes de gel de gonflement par l'instabilité élastique. Une simple projection de micro-lithographie stéréo configuration est construit en utilisant un hors-la-étagère de données numériques de projecteur pour fabriquer des structures en trois dimensions de façon polymères couche par couche. Gonflement des tubes d'hydrogel sous contrainte mécanique afficher différents modes de flambement périphériques en fonction de la dimension.
Abstract
Flambage est un sujet classique en mécanique. Bien que le flambage a été longuement étudié comme l'un des principaux modes de défaillance structurale 1, il a récemment attiré l'attention nouvelle que d'un mécanisme unique de transformation motif. La nature est pleine de ces exemples où une foule de motifs exotiques sont formés par 2-5 instabilité mécanique. Inspiré par ce mécanisme élégant, de nombreuses études ont démontré la création et la transformation de modèles utilisatrices de matériaux souples tels que des élastomères et des hydrogels 6-11. Gonflement des gels présentent un intérêt particulier, car ils peuvent déclencher spontanément instabilité mécanique pour créer des motifs différents sans avoir besoin d'une force externe 6-10. Récemment, nous avons rapporté la démonstration d'un contrôle total sur flambage modèle de micro-échelle en utilisant des gels tubulaires projection de micro-stéréolithographie (PμSL), une technologie de fabrication en trois dimensions (3D) capable de convertir rapidement des modèles 3D générés par ordinateur iobjets nto physiques à haute résolution 12,13. Nous présentons ici une méthode simple pour mettre en place un système simplifié PμSL l'aide d'un commerce numérique du projecteur de données pour étudier l'enflure provoquée par l'instabilité de flambement pour la transformation modèle contrôlé.
Une imprimante de bureau 3D simple est construit en utilisant un hors-la-étagère de données numériques de projecteur et simples tels que des composants optiques d'une lentille convexe et d'un miroir 14. Transversales images extraites d'un modèle 3D est projeté sur la surface de résine photosensible à la suite, la polymérisation d'une résine liquide dans une structure solide 3D désirée de manière couche par couche. Même avec cette configuration simple et processus facile, arbitraires objets 3D peuvent être facilement fabriqués avec une résolution sub-100 um.
Cette imprimante de bureau 3D offre des possibilités à l'étude de la mécanique des matériaux souples en offrant une excellente occasion d'explorer différentes géométries 3D. Nous utilisons ce système pour fabricate structure tubulaire en forme d'hydrogel avec des dimensions différentes. Fixée sur le fond du substrat, le gel se développe tubulaire contrainte inhomogène lors de gonflement, ce qui donne lieu à une instabilité au flambage. Différents motifs ondulés apparaissent le long de la circonférence du tube lorsque les structures de gel subir de flambage. L'expérience montre que la circonférence de flambage en mode souhaité peut être créée d'une manière commandée. Transformation de modèle en trois dimensions structurés gels tubulaires a des répercussions importantes non seulement en mécanique et sciences des matériaux, mais aussi dans beaucoup d'autres domaines émergents tels que matamaterials accordables.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un gonflement de l'hydrogel tubulaire contrainte sur le substrat, la stabilité ne dépend que de t / h et flambage ne dépend que de h / D 12. Quatre groupes d'échantillons (I-IV) avec différents niveaux d'épaisseur normalisée t / h ont été fabriqués avec le groupe I étant plus épaisse et le groupe IV étant plus mince. Chaque groupe se compose de quatre échantillons (i-iv) avec différents niveaux de hauteur normalisée h / D, avec l'échantillon i étant plus courte et l'échantillon iv être plus grand. Dimensions des échantillons fabriqués sont présentés dans le tableau 1. Groupe I et II sont conçus pour rester stables pendant le gonflement, tandis que le groupe III et IV sont conçus pour se déformer et transformer lors du gonflement. Pour les échantillons de flambage, Buckling mode devrait diminuer avec la hauteur de l'échantillon. figure 3A montre les résultats expérimentaux. En théorie prédit, les échantillons du groupe I et II sont restées stables et sont restés circulaire sur le gonflement, tandis que les échantillons du groupe III et IV sont tous passés par l'instabilité élastique et bouclée. En outre, les échantillons avec la même h / D affiché similaire mode de flambement. Figure 3B compare observés expérimentalement modes de flambement d'échantillons dans le groupe III et IV de prédiction théorique. Nous pouvons voir que les échantillons avec la même h / D présentent le même post-flambage tendances, indépendamment de l'épaisseur et que les résultats expérimentaux sont en bon accord avec la théorie.
Nous présentons comment mettre en place un système de bureau 3D simple d'impression utilisant une disponible dans le commerce numérique du projecteur de données. L'approche proposée repose sur photodurcissement de polymère à construct structures 3D, et par conséquent, tous les polymères photodurcissables peuvent être également utilisés en général, dans la mesure où le photo-initiateur a une absorbance dans la gamme de longueur d'onde appropriée visible. Notez que de nombreux photoinitiateurs disponibles dans le commerce sont conçus pour les ultra-violets (UV) des longueurs d'onde, mais le photo-initiateur utilisé ici a une absorbance relativement plus élevé aux longueurs d'onde supérieures à 400 nm. Offrant un moyen facile et rapide pour fabriquer des objets en 3D, cette méthode trouve de nombreuses applications dans divers domaines, y compris mécanique des matériaux souples comme démontré ici.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier Joseph et Matthew Muskin Ragusa à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign pour fournir des images en coupe des structures 3D montrées dans la figure 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).
