Frugal Imaging Verfahren der Kapillarströmung durch dreidimensionale polymere Druckpulver
Summary
Die vorgeschlagene Technik wird einen neuartigen, effizienten, genügsamen und nicht-invasiven Ansatz für die Bildgebung des fluidischen Flusses durch ein gepacktes Pulverbett bieten, der eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung ergibt.
Abstract
Die Entwicklung neuartiger bildgebender Verfahren für den molekularen und kolloidalen Transport, einschließlich Nanopartikeln, ist ein Bereich aktiver Untersuchungen in mikrofluidischen und millifluidischen Studien. Mit dem Aufkommen des dreidimensionalen (3D) Drucks ist eine neue Domäne von Materialien entstanden, wodurch die Nachfrage nach neuartigen Polymeren steigt. Insbesondere polymere Pulver mit durchschnittlichen Partikelgrößen in der Größenordnung von einem Mikrometer stoßen auf ein wachsendes Interesse in akademischen und industriellen Gemeinschaften. Die Kontrolle der Materialabstimmbarkeit auf der mesoskopischen bis mikroskopischen Längenskala schafft Möglichkeiten zur Entwicklung innovativer Materialien, wie z. B. Gradientenmaterialien. In letzter Zeit wächst der Bedarf an mikrometergroßen Polymerpulvern, da sich klare Anwendungen für das Material entwickeln. Der dreidimensionale Druck bietet einen Hochdurchsatzprozess mit direkter Verbindung zu neuen Anwendungen und treibt die Untersuchung der physikalisch-chemischen und Transportwechselwirkungen auf einer Mesoskala voran. Das Protokoll, das in diesem Artikel besprochen wird, bietet eine nicht-invasive Technik zur Abbildung von Flüssigkeitsströmungen in gepackten Pulverbetten, die eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung bietet und gleichzeitig mobile Technologie nutzt, die von mobilen Geräten wie Smartphones aus leicht verfügbar ist. Durch die Verwendung eines gemeinsamen mobilen Geräts werden die Bildgebungskosten, die normalerweise mit einem optischen Mikroskop verbunden wären, eliminiert, was zu einem sparsamen wissenschaftlichen Ansatz führt. Das vorgeschlagene Protokoll hat erfolgreich eine Vielzahl von Kombinationen von Flüssigkeiten und Pulvern charakterisiert und eine diagnostische Plattform für die schnelle Bildgebung und Identifizierung einer optimalen Kombination von Flüssigkeit und Pulver geschaffen.
Introduction
Das Inkjet-basierte Bindemittel-Jetting in Pulvermedien stellt eine wichtige Technologie in der additiven Fertigung (3D-Druck) dar. Das Binder-Jetting-Verfahren beginnt mit der Abscheidung von Funktionsflüssigkeiten in Pulvermedien unter Verwendung eines Scanning-Inkjet-Druckverfahrens. Konkret übersetzt ein Tintenstrahldruckkopf über die Pulveroberfläche, scheidet das flüssige Bindemittel auf einer Pulveroberfläche ab und bildet dadurch Schicht für Schicht einen festen Teil1. Inkjet-basierte Binder-Jetting-Technologien umfassen im Allgemeinen Sand, Metallpulver und Polymerpulver. Um jedoch den Materialraum beim Binder-Jetting zu erweitern, ist ein grundlegender Ansatz zur Untersuchung von Fluid-Pulver- und Pulver-Pulver-Wechselwirkungen, Tribologie, Pulverpackungsdichte und Partikelaggregation erforderlich. Insbesondere für Fluid-Pulver-Wechselwirkungen besteht ein kritischer Bedarf an der Fähigkeit, den Flüssigkeitsfluss durch Pulverbetten in Echtzeit abzubilden. Dies verspricht ein leistungsfähiges Werkzeug für Forscher zu sein, das als Charakterisierungstechnik und möglicherweise als Screening-Methode für verschiedene Kombinationen von Flüssigkeiten und Pulvern 2,3,4 sowie für komplexere Systeme, wie z. B. Beton-3D-Drucksysteme, die Partikelbettmethoden verwenden, eingesetzt werden kann.
Die Entwicklung neuartiger bildgebender Verfahren für den molekularen und kolloidalen Transport, einschließlich Nanopartikeln, ist ein aktives Forschungsgebiet in mikrofluidischen und millifluidischen Studien. Die Untersuchung intermolekularer Wechselwirkungen durch bildgebende Verfahren kann eine Herausforderung darstellen, da wenig Arbeit geleistet wurde, um diese Art von Wechselwirkungen unter den Bedingungen ungesättigter und instationärer Flüssigkeitsströmung zu untersuchen. Viele der Studien, über die in der Literatur berichtet wird, haben sich auf gesättigte, vorgefeuchtete, poröse Medien konzentriert, wie z.B. Glasperlen 5,6,7,8,9,10,11,12 und Böden 13,14,15,16,17,18 . Diese Technik bietet einen nicht-invasiven Ansatz, der zu einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung 2,3,4,19 führt. Darüber hinaus bietet die entwickelte Technik eine neuartige Methode zur Charakterisierung und Quantifizierung des Partikeltransports im Nano- und Mikrometerbereich in einer Vielzahl von porösen Medien, wobei der Schwerpunkt auf polymeren Pulvern liegt.
Die vorgeschlagene Technik verwendet ein mobiles Gerät zur Aufzeichnung eines ungesättigten, instationären fluidischen Transports durch poröse polymere Medien mit Partikelabmessungen, die repräsentativ für die Pulver sind, die in 3D-Drucksystemen verwendet werden, die fluidische Pulverbettfusionstechnologien verwenden. Diese Technik ist vorteilhaft, da die Flusszellen kostengünstig, wiederverwendbar, klein und einfach zu handhaben sind, was die dominanten Aspekte der sparsamen Wissenschaft veranschaulicht. Die Möglichkeit, diese einfachen Experimente in eine Feldstudie zu implementieren, ist sehr einfach und eliminiert die Komplikationen, Kosten und Zeit, die in der optischen Mikroskopie erforderlich sind. Angesichts der Einfachheit der Erstellung des Setups, des Zugriffs auf schnelle Ergebnisse und der minimalen Anzahl von Probenanforderungen ist diese Technik eine optimale Plattform für das diagnostische Screening.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Protokoll, das zur Verfügung gestellt wird, hängt stark von den Materialeigenschaften der ausgewählten Partikel ab. Zu den Materialeigenschaften, die sich auf den Durchfluss auswirken, gehören die Partikelgrößenverteilung 2,3,4,5,11,21, die Rauheit der Partikeloberfläche 11, die chemischen Eigenschaften an der Partikeloberfläche 2,3,4,5,11,16,21,23</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nichts.
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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