הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות
Summary
אנחנו מדגימים שינוי דפוס מבוקר של צינורות ג'ל נפיחות בחוסר יציבות אלסטי. התקנה פשוטה סטריאו מייקר היטל ליטוגרפיה נבנתה באמצעות נתונים דיגיטלי מקרן ה-off-מדף לפברק מבנים פולימריים תלת ממדים בצורת שכבה אחר שכבה. נפיחות צינורות הידרוג תחת אילוץ מכאני תציג את מצבי קריסה היקפיים שונים בהתאם לממד.
Abstract
קריסה היא נושא קלסי במכניקה. למרות קריסה כבר זמן רב למדה כאחד ממצבי הכשל המבניים העיקריים 1, כך הוא מושך את תשומת לב חדשה לאחרונה כמנגנון ייחודי לשינוי דפוס. טבע מלא בדוגמאות כאלה שבי עושר של דפוסים אקזוטיים נוצרים דרך 2-5 חוסר יציבות מכאניות. בהשראת מנגנון אלגנטי זו, מחקרים רבים הדגימו יצירה ושינוי של דפוסי שימוש בחומרים רכים כגון אלסטומרים והידרוג 6-11. ג'לי נפיחות הם בעלי עניין מיוחד משום שהם יכולים לגרום לחוסר יציבות באופן ספונטני מכאני כדי ליצור דפוסים שונים ללא צורך בכח חיצוני 6-10. לאחרונה, יש לנו דיווח הפגנה של שליטה מלאה על קריסת דפוס של ג'לי צינורי מייקרו קשקשים באמצעות הקרנת המייקר Stereolithography (PμSL), טכנולוגיית תלת ממדי (3D) ייצור מסוגלת להמיר מודלי 3D מחשב שנוצרו לי במהירותאובייקטים פיסיים Nto ברזולוציה גבוהה 12,13. כאן אנו מציגים שיטה פשוטה כדי לבנות את מערכת PμSL פשוטה באמצעות מקרן נתונים דיגיטלי זמין מסחרי ללמוד חוסר יציבות קריסת נפיחות הנגרם לשינוי דפוס מבוקר.
מדפסת 3D שולחן עבודה פשוטה נבנתה באמצעות נתונים דיגיטליים מקרן ה-off-מדף ורכיבים אופטיים פשוטים כגון עדשה קמורה וראי 14. תמונות חתך המופקות ממודל מוצק 3D מוקרנת על המשטח הרגיש לשרף ברצף, polymerizing שרף נוזלי לתוך מבנה מוצק 3D רצוי בצורת שכבה אחר שכבה. אפילו בתצורה זו פשוטה ותהליך קל, 3D אובייקטים שרירותיים יכולים להיות מפוברקים בקלות עם רזולוצית מיקרומטר תת-100.
מדפסת 3D שולחן עבודה זה טומן בחובו פוטנציאל בחקר מכניקת חומרים רכה על ידי מתן הזדמנות מצוינת לחקור גיאומטריות 3D שונות. אנו משתמשים במערכת זו כדי Fabricaמבנה צינורי te צורת הידרוג עם ממדים שונים. קבוע בתחתית למצע, ג'ל צינורי מתפתח מתח הומוגניות בנפיחות, אשר מולידים את קריסת חוסר יציבות. דפוסים גליים שונים מופיעים לאורך ההיקף של הצינור כאשר מבני ג'ל לעבור קריסה. ניסוי מראה כי קריסה היקפית של מצב רצוי ניתן ליצור באופן מבוקר. שינוי דפוס בתלת ממד ג'לי מובנה צינורי יש השלכות משמעותיות לא רק במכניקה ומדע חומרים, אך גם בתחומים רבים אחרים המתעוררים כגון matamaterials המתכונן.
Protocol
Representative Results
Discussion
בנפיחות של הידרוג צינורי המוגבל במצע, יציבות תלויה רק בt / h וקריסת מצב תלוי רק בשעות / 12 ד. ארבע קבוצות של דגימות (I-IV) עם רמות שונות של עובי לא מנורמלים / שעה היו מפוברקות, עם קבוצה ואני אמור להיות עבה יותר והקבוצה הרביעית להיות יותר רזה. כל קבוצה מורכבת מארבע דגימות (I-IV) עם רמות שונות של גובה מנורמל h / D, עם המדגם היה קצר יותר וiv המדגם להיראות גבוה יותר. מידות של הדגימות המפוברקות מוצגות בטבלת 1. הקבוצה הראשונה והשני נועדו להישאר יציב במהלך נפיחות, ואילו קבוצה שלישית והרביעי מתוכננים לקרוס ולהפוך על נפיחות. לקבלת דוגמיות מעוקמת, Bucklinגרם מצב צריך להקטין בגובה מדגם. 3A האיור מראה תוצאה ניסיונית. כתאוריה מנבאת, דגימות בקבוצה הראשונה והשני היו יציבות ונשארו עגול על נפיחות, בעוד דגימות בקבוצה שלישית והרביעי כולם עברו בחוסר יציבות אלסטי וקרסו. כמו כן, דגימות עם אותו h / D מוצגות מצב קריסה דומה. 3B האיור משווה מצבי קריסה נצפו בניסוי של דגימות בקבוצה שלישית והרביעי עם חיזוי תיאורטי. אנו יכולים לראות כי דגימות עם אותו h / D להוות את אותו דפוס תגובת קריסה-ללא תלות בעובי וכי תוצאות ניסוי מסכימות גם עם התאוריה.
אנו מציגים כיצד לבנות מערכת פשוטה של שולחן עבודת 3D באמצעות הדפסה דיגיטלית זמין מסחרי נתוני מקרן. הגישה המוצעת מסתמכת על photocuring של פולימר לקוןstruct 3D מבנים, ולכן, כל פולימרי photocurable יכולים לשמש גם באופן כללי, ככל שיש photoinitiator ספיגה מתאימה בטווח אורכי גל. שים לב שphotoinitiators רב הזמין מסחרי מיועד לאולטרה סגול (UV) אורכי גל, אבל photoinitiator משמש כאן יש ספיגה גבוהה יחסית באורכי גל ארוכים יותר מ 400 ננומטר. מציע דרך קלה ומהירה כדי לפברק 3D אובייקטים, שיטה זו תמצא יישומים רבים בתחומים שונים, כולל מכניקת חומרים רכה כפי שמודגמים כאן.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות ליוסף Muskin ומתיו רגוזה באוניברסיטת אילינוי באורבנה-Champaign למתן תמונות חתך ל3D מבנים המוצגים באיור 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 |
Riferimenti
- 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).
