Micro impressão 3D usando um projetor digital e sua aplicação no estudo de Mecânica dos materiais macios
Summary
Demonstramos transformação padrão controlado de tubos de gel de inchamento pela instabilidade elástica. Um simples projecção de configuração estéreo-litografia micro é construído usando um off-the-shelf projector de dados digitais para o fabrico de estruturas tridimensionais poliméricas de uma forma de camada por camada. Inchaço tubos de hidrogel sob constrangimento mecânico exibir vários modos de instabilidade circunferenciais, dependendo da dimensão.
Abstract
Flambagem é um tema clássico em mecânica. Enquanto flambagem tem sido estudado como um dos principais modos de falhas estruturais 1, apresentou recentemente um novo chamado a atenção como um mecanismo único para transformação padrão. A natureza é cheia de exemplos onde uma grande variedade de padrões exóticos são formados por 2-5 instabilidade mecânica. Inspirado por este mecanismo elegante, muitos estudos têm demonstrado criação e transformação de padrões usando materiais suaves, como elastômeros e hidrogéis 6-11. Géis inchamento são de interesse particular porque podem provocar instabilidade mecânica espontaneamente para criar vários padrões, sem a necessidade de uma força externa 6-10. Recentemente, relatou demonstração de controle total sobre flambagem padrão de micro-escala géis tubulares usando projeção micro-estereolitografia (PμSL), uma imagem tridimensional da tecnologia de fabricação (3D) capaz de converter rapidamente gerados por computador modelos 3D into objetos físicos em alta resolução 12,13. Aqui apresentamos um método simples para construir um sistema simplificado PμSL utilizar um produto digital, projetor de dados para estudar inchaço induzido por instabilidade flambagem para a transformação padrão controlado.
Uma impressora de mesa 3D simples é construído usando um off-the-shelf digital, projetor de dados e simples componentes ópticos, como uma lente convexa e um espelho de 14. Imagens transversais extraídos a partir de um modelo 3D sólido é projectado sobre a superfície da resina fotossensível em sequência, a polimerização de resina líquida a uma desejada estrutura 3D de uma forma sólida de camada por camada. Mesmo com essa configuração simples e processo fácil, arbitrárias objetos 3D podem ser facilmente fabricados com sub-resolução de 100 m.
Esta impressora desktop 3D tem um potencial no estudo da mecânica material macio, oferecendo uma grande oportunidade para explorar várias geometrias 3D. Usamos este sistema para fabricate tubular em forma de hidrogel estrutura com dimensões diferentes. Fixada na parte inferior do substrato, o gel tubular desenvolve o stress não homogéneo durante o inchaço, o que dá origem a instabilidade de flambagem. Vários padrões ondulados aparecem ao longo da circunferência do tubo, quando as estruturas de gel sofrer flambagem. Experimento mostra que circunferencial encurvadura de modo desejado, pode ser criado de forma controlada. Transformação padrão de tridimensionalmente estruturados géis tubulares tem implicação importante não só em mecânica e ciência dos materiais, mas também em muitos outros campos emergentes, como matamaterials ajustáveis.
Protocol
Representative Results
Discussion
Em inchaço hidrogel tubular restringida sobre o substrato, estabilidade depende apenas t / h e o modo de deformação depende apenas de h / D 12. Quatro grupos de amostras (I-IV) com níveis diferentes de espessura normalizada t / h foram fabricados, com o grupo I de ser mais espessa e grupo IV sendo mais delgada. Cada grupo é composto por quatro amostras (I-IV) com diferentes níveis de altura normalizada h / D, com a amostra i ser mais curto e a amostra iv ser mais alto. Dimensões das amostras fabricadas são apresentados na Tabela 1. Grupo I e II são concebidos para permanecer estável durante o inchamento, enquanto que o grupo III e IV destinam-se a fivela e transformar mediante inchamento. Para amostras de flambagem, Buckling modo deve diminuir com a altura da amostra. Figura 3A mostra o resultado experimental. Como a teoria prevê, as amostras do grupo I e II eram estáveis e permaneceram circular sobre o inchamento, enquanto que as amostras do grupo III e IV tudo passou por instabilidade elástica e dobraram. Além disso, as amostras com o mesmo h / D exibido o modo de deformação semelhante. Figura 3B compara observados experimentalmente modos de instabilidade de amostras do grupo III e IV, com a previsão teórica. Podemos ver que as amostras com o mesmo h / D representam o padrão de pós-flambagem mesmo, independentemente da espessura e que os resultados experimentais concordam bem com a teoria.
Nós apresentamos como construir uma simples área de trabalho do sistema de impressão 3D usando uma disponíveis comercialmente dados digitais projetor. A abordagem proposta baseia-se na fotopolimerização de polímero de construct estruturas 3D, e, portanto, quaisquer polímeros fotocurável podem ser também utilizados, em geral, na medida em que o fotoiniciador tem absorvância apropriado na faixa de comprimento de onda visível. Note-se que muitas fotoiniciadores comercialmente disponíveis são concebidos para ultra-violeta (UV) comprimentos de onda, mas o fotoiniciador utilizado aqui tem absorvância relativamente mais elevada em comprimentos de onda maiores que 400 nm. Oferecendo uma maneira fácil e rápida para fabricar objetos 3D, esse método irá encontrar muitas aplicações em vários campos, incluindo a mecânica materiais macios como demonstrado aqui.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer a Joseph Muskin e Mateus Ragusa, na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign para fornecer imagens transversais de estruturas 3D mostrados na Figura 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
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