Micro 3D Impresión con un proyector digital y su aplicación en el estudio de la mecánica de materiales blandos
Summary
Demostramos transformación patrón controlado de tubos de gel de inflamación por la inestabilidad elástica. Una proyección simple micro estéreo-litografía de instalación se construye utilizando un off-the-shelf proyector digital de datos para fabricar estructuras tridimensionales poliméricos en forma de capa por capa. Hinchazón tubos de hidrogel de bajo restricción mecánica mostrar varios modos de pandeo circunferenciales según dimensión.
Abstract
El pandeo es un tema clásico en la mecánica. Mientras pandeo mucho tiempo se ha estudiado como uno de los modos de fallo estructurales principales 1, recientemente ha llamado la atención de nuevo como un mecanismo único para la transformación patrón. La naturaleza está llena de ejemplos donde una gran cantidad de patrones exóticos se forman por 2-5 inestabilidad mecánica. Inspirado por este mecanismo elegante, muchos estudios han demostrado creación y la transformación de los patrones usando materiales blandos tales como elastómeros y los hidrogeles 6-11. Geles de hinchamiento son de particular interés debido a que puede espontáneamente provocar inestabilidad mecánica para crear varios patrones sin la necesidad de una fuerza externa 6-10. Recientemente, se ha reportado la demostración de un control total sobre el pandeo patrón de micro-escala geles tubulares con proyección micro-estereolitografía (PμSL), una de tres dimensiones (3D) de la tecnología de fabricación capaz de convertir rápidamente los modelos 3D generados por ordenador inPara objetos físicos en alta resolución 12,13. Aquí presentamos un método simple para construir un sistema simplificado PμSL usando un proyector digital disponible en datos para estudiar la inflamación inducida por la inestabilidad de pandeo para la transformación patrón controlado.
Una impresora de escritorio 3D simple se construye utilizando un off-the-shelf datos digitales proyector y simples componentes ópticos tales como una lente convexa y un espejo 14. Imágenes transversales extraídas de un modelo sólido 3D se proyecta sobre la superficie de la resina fotosensible en secuencia, la polimerización de resina líquida en un sólido deseado estructura 3D de una forma capa por capa. Incluso con esta configuración simple y fácil proceso, arbitrarias objetos 3D se pueden fabricar fácilmente con una resolución de micras sub-100.
Esta impresora 3D de escritorio tiene un potencial en el estudio de la mecánica de materiales blandos, ofreciendo una gran oportunidad de explorar diferentes geometrías 3D. Nosotros usamos este sistema para fabricaTE tubular estructura del hidrogel en forma de diferentes dimensiones. Fijada en la parte inferior para el sustrato, el gel tubular desarrolla estrés no homogénea durante la inflamación, lo que da lugar a la inestabilidad de pandeo. Varios patrones ondulados aparecen a lo largo de la circunferencia del tubo cuando las estructuras de gel someterse a pandeo. Experimento muestra que circunferencial pandeo de modo deseado se puede crear de una manera controlada. Transformación de patrones de tres dimensiones estructuradas geles tubulares tiene implicaciones importantes no sólo en la mecánica y ciencia de los materiales, sino también en muchos otros campos emergentes como matamaterials ajustables.
Protocol
Representative Results
Discussion
En hinchazón de hidrogel tubular limitada sobre el sustrato, la estabilidad depende sólo de t / h y el pandeo modo sólo depende de h / D 12. Cuatro grupos de muestras (I-IV) con diferentes niveles de espesor normalizado t / h fueron fabricados, con el grupo I es más grueso y el grupo IV de ser más delgado. Cada grupo consta de cuatro muestras (i-iv) con diferentes niveles de altura normalizada h / d, con la muestra i es más corto y la muestra iv ser más alto. Dimensiones de las muestras fabricadas se presentan en la Tabla 1. Grupo I y II están diseñados para permanecer estable durante el hinchamiento, mientras que los grupos III y IV están diseñados para doblarse y transformar al hincharse. Para las muestras de pandeo, Buckling modo debe disminuir con la altura de la muestra. Figura 3A muestra el resultado experimental. Como predice la teoría, las muestras del grupo I y II se mantuvieron estables y se mantuvo circular en la inflamación, mientras que las muestras del grupo III y IV, todos pasaron por la inestabilidad elástica y cinturón. Además, las muestras con el mismo h / D muestra el modo de pandeo similares. Figura 3B compara observados experimentalmente modos de pandeo de las muestras en el grupo III y IV con la predicción teórica. Podemos ver que las muestras con el mismo h / D presentan el mismo post-pandeo patrón independientemente de su grosor y que los resultados experimentales de acuerdo bien con la teoría.
Se presenta cómo construir un sencillo sistema de escritorio 3D de impresión con un disponible en el mercado digital, proyector de datos. El enfoque propuesto se basa en fotocurado de polímero para construct estructuras 3D, y por lo tanto, cualquier polímeros fotocurables puede también ser utilizado en general, por lo que el fotoiniciador tiene absorbancia correspondiente en el rango de longitud de onda visible. Tenga en cuenta que muchos fotoiniciadores comercialmente disponibles están diseñados para ultra-violeta (UV) longitudes de onda, pero el fotoiniciador utilizado aquí tiene absorbancia relativamente mayor a longitudes de onda más largas que 400 nm. Ofrece una manera fácil y rápida de fabricar objetos 3D, este método se encuentra muchas aplicaciones en varios campos, incluyendo la mecánica de materiales blandos como se demuestra aquí.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a José Muskin y Ragusa Mateo en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign para proporcionar imágenes transversales de las estructuras 3D se muestra en la 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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