Technique d’imagerie frugale de l’écoulement capillaire à travers des poudres d’impression polymères tridimensionnelles
Summary
La technique proposée fournira une approche nouvelle, efficace, frugale et non invasive pour l’imagerie de l’écoulement fluidique à travers un lit de poudre garni, ce qui donnera une résolution spatiale et temporelle élevée.
Abstract
Le développement de nouvelles techniques d’imagerie du transport moléculaire et colloïdal, y compris les nanoparticules, est un domaine de recherche actif dans les études microfluidiques et millifluidiques. Avec l’avènement de l’impression tridimensionnelle (3D), un nouveau domaine de matériaux a émergé, augmentant ainsi la demande de nouveaux polymères. Plus précisément, les poudres polymères, avec des particules moyennes de l’ordre du micron, suscitent un intérêt croissant de la part des communautés académiques et industrielles. Le contrôle de l’accordabilité des matériaux aux échelles de longueur mésoscopique à microscopique crée des opportunités pour développer des matériaux innovants, tels que des matériaux de gradient. Récemment, un besoin de poudres polymères de taille micronique a augmenté, à mesure que des applications claires pour le matériau se développent. L’impression tridimensionnelle fournit un processus à haut débit avec un lien direct avec de nouvelles applications, conduisant à des recherches sur les interactions physico-chimiques et de transport à mésoéchelle. Le protocole décrit dans cet article fournit une technique non invasive pour imager l’écoulement des fluides dans les lits de poudre emballés, offrant une résolution temporelle et spatiale élevée tout en tirant parti de la technologie mobile facilement disponible à partir d’appareils mobiles, tels que les smartphones. En utilisant un appareil mobile commun, les coûts d’imagerie qui seraient normalement associés à un microscope optique sont éliminés, ce qui entraîne une approche scientifique frugale. Le protocole proposé a caractérisé avec succès une variété de combinaisons de fluides et de poudres, créant une plate-forme de diagnostic pour l’imagerie rapide et l’identification d’une combinaison optimale de fluide et de poudre.
Introduction
Le jet d’encre à jet d’encre dans un milieu de poudre représente une technologie importante dans la fabrication additive (impression 3D). Le processus de projection de liant commence par le dépôt de fluides fonctionnels dans des supports en poudre à l’aide d’un procédé d’impression à jet d’encre à balayage. Plus précisément, une tête d’impression à jet d’encre se traduit sur la surface de la poudre, déposant l’agent liant liquide sur une surface de poudre et formant ainsi une pièce solide couchepar couche 1. Les technologies de jet de liant à jet d’encre comprennent généralement du sable, des poudres métalliques et des poudres polymères. Cependant, pour élargir l’espace des matériaux dans le jet de liant, une approche fondamentale pour étudier les interactions fluide-poudre et poudre-poudre, la tribologie, la densité de tassement de la poudre et l’agrégation des particules est nécessaire. Plus précisément, pour les interactions fluide-poudre, il existe un besoin critique pour la capacité d’imager l’écoulement du fluide à travers les lits de poudre en temps réel. Cela promet d’être un outil puissant que les chercheurs pourront inclure comme technique de caractérisation et potentiellement comme méthode de criblage pour différentes combinaisons de fluides et de poudres 2,3,4, ainsi que des systèmes plus complexes, tels que les systèmes d’impression 3D en béton qui utilisent des méthodes de lit de particules.
Le développement de nouvelles techniques d’imagerie du transport moléculaire et colloïdal, y compris les nanoparticules, est un domaine de recherche actif dans les études microfluidiques et millifluidiques. Il peut être difficile de sonder les interactions intermoléculaires par des techniques d’imagerie, car peu de travaux ont été effectués pour sonder ces types d’interactions dans des conditions d’écoulement de fluide insaturé et instable. Bon nombre des études rapportées dans la littérature ont porté sur des milieux saturés, prémouillés et poreux, tels que les perles de verre 5,6,7,8,9,10,11,12 et les sols 13,14,15,16,17,18 . Cette technique fournit une approche non invasive, résultant en une résolution temporelle et spatiale élevée 2,3,4,19. En outre, la technique développée fournit une nouvelle méthode pour caractériser et quantifier le transport de particules à l’échelle nanométrique et micronique dans une variété de milieux poreux, en se concentrant sur les poudres polymères.
La technique proposée utilise un dispositif mobile pour enregistrer le transport fluidique insaturé et instable à travers des milieux polymères poreux avec des dimensions de particules représentatives des poudres utilisées dans les systèmes d’impression 3D utilisant des technologies de fusion fluidique sur lit de poudre. Cette technique est avantageuse car les cellules d’écoulement sont rentables, réutilisables, petites et faciles à manipuler, illustrant les aspects dominants de la science frugale. La possibilité de mettre en œuvre ces expériences simples dans une étude sur le terrain est très simple, éliminant les complications, les coûts et le temps requis en microscopie optique. Compte tenu de la facilité de création de la configuration, de l’accès à des résultats rapides et du nombre minimal d’échantillons requis, cette technique constitue une plate-forme optimale pour le dépistage diagnostique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole fourni dépend fortement des caractéristiques matérielles des particules choisies. Les propriétés des matériaux ayant une incidence sur l’écoulement comprennent la distribution granulométrique 2,3,4,5,11,21, la rugosité de la surface des particules 11, les propriétés chimiques à la surface des particules 2,3,4,5,11,16,21,23</su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Aucun.
Materials
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
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