Micro 3D-Druck mit einem digitalen Projektor und ihre Anwendung in der Studie von Soft Werkstoffmechanik
Summary
Wir zeigen gesteuerten Muster Transformation von Schwellungen Gel Röhrchen durch elastische Instabilität. Eine einfache Vorsprung Mikro Stereolithographie Setup ist mit Hilfe einer Off-the-Shelf digitalen Daten Projektor zu dreidimensionalen polymeren Strukturen in einer Schicht-für-Schicht Weise herzustellen. Schwellungen Hydrogel Rohre unter mechanischer Zwang zeigen verschiedene umlaufende Knicken Modi je nach Dimension.
Abstract
Knicken ist ein klassisches Thema in der Mechanik. Während Knicken ist seit langem als einer der wichtigsten strukturellen Versagen Modi 1 untersucht worden ist, hat es kürzlich neue Aufmerksamkeit als ein einzigartiger Mechanismus für Muster Transformation gezogen. Die Natur ist voll von solchen Beispielen, in denen eine Fülle von exotischen Mustern durch mechanische Instabilität 2-5 gebildet werden. Inspiriert von diesem eleganten Mechanismus, haben viele Studien Erstellung und Umwandlung von Mustern mit weichen Materialien wie Elastomere und Hydrogele 6-11 gezeigt. Quellung Gele sind von besonderem Interesse, da sie spontan auslösen können mechanische Instabilität um verschiedene Muster ohne die Notwendigkeit einer externen Kraft 6-10 erstellen. Vor kurzem haben wir Demonstration volle Kontrolle über Knicken Muster von Mikro-skalierten röhrenförmigen Gele unter Verwendung von Projektions Mikro-Stereolithographie (PμSL), ein dreidimensionales (3D) Fertigungstechnik in der Lage schneller konvertieren Computer generierte 3D-Modelle i gemeldetnto physische Objekte mit hoher Auflösung 12,13. Hier präsentieren wir Ihnen eine einfache Methode zum Aufbau einer vereinfachten PμSL System mit einem handelsüblichen digitalen Daten Projektor Schwellung-induzierte Knicken Instabilität gesteuerten Muster Transformation zu studieren.
Eine einfache 3D-Desktop-Drucker wird unter Verwendung eines off-the-shelf digitalen Daten-Projektor und einfache optische Komponenten wie eine konvexe Linse und einem Spiegel 14. Querschnittsbilder aus einem 3D-Modell extrahiert Feststoff wird auf der lichtempfindlichen Harzoberfläche nacheinander projiziert Polymerisieren flüssigen Harzes in eine gewünschte 3D feste Struktur in einer Schicht-für-Schicht-Mode. Selbst mit dieser einfachen Konfiguration und einfache Prozess, können beliebige 3D-Objekte leicht mit sub-100 mm Auflösung hergestellt werden.
Diese 3D-Desktop-Drucker hält Potenzial in der Studie aus weichem Material Mechanik, indem sie eine große Chance, um verschiedene 3D-Geometrien zu erkunden. Wir nutzen dieses System, um fabricate rohrförmigen Hydrogel-Struktur mit verschiedenen Dimensionen. Befestigt an der Unterseite des Substrats, entwickelt der röhrenförmigen Gels inhomogenen Stress während Schwellung, die Anlass zu Knicken Instabilität. Verschiedene Wellenmustern erscheinen entlang des Umfangs des Rohrs, wenn die Gelstrukturen Ausknicken unterziehen. Experiment zeigt, dass umlaufende Ausknicken gewünschten Modus in kontrollierter Weise erzeugt werden kann. Pattern Transformation dreidimensional strukturiert röhrenförmigen Gele hat erhebliche Auswirkungen nicht nur in der Mechanik und Werkstoffkunde, sondern auch in vielen anderen Schwellenländern Bereichen wie abstimmbare matamaterials.
Protocol
Representative Results
Discussion
In Anschwellen des röhrenförmigen Hydrogel auf dem Substrat gebunden, hängt die Stabilität nur auf t / h und Beulen-Modus hängt nur von h / D 12. Vier Gruppen von Abtastwerten (I-IV) mit unterschiedlichen normierten Dicke t / h wurden hergestellt, wobei der Gruppe I dicker ist und Gruppe IV wobei schlanker. Jede Gruppe besteht aus vier Proben (i-iv) mit verschiedenen Ebenen der normierten Höhe h / D, mit der Probe i kürzer und die Probe iv wird größer. Abmessungen der gefertigten Proben sind in Tabelle 1 dargestellt. Gruppe I und II sollen bleiben während des Quellens stabil, wohingegen der Gruppe III und IV bestimmt sind, knicken und zu transformieren beim Quellen. Für Knicken Proben Buckling-Modus sollte mit Probenhöhe verringern. 3A zeigt experimentelle Ergebnis. Als Theorie vorhersagt, wurden die Proben in Gruppe I und II stabil und blieb Rundschreiben über Schwellungen, während in Gruppe III und IV gingen alle durch elastische Instabilität und schnallte. Auch angezeigten Proben mit demselben h / D ähnliche Knickfigur. 3B vergleicht experimentell beobachtete Ausknicken Modi der in Gruppe III und IV mit theoretischen Voraussage. Wir können, dass Proben mit der gleichen h / D zu sehen sind mit den gleichen Nachbeulverhalten Muster unabhängig von der Dicke und dass die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit der Theorie.
Wir zeigen, wie der Aufbau einer einfachen Desktop-3D-Drucksystem unter Verwendung eines im Handel erhältlichen digitalen Daten-Projektor. Der vorgeschlagene Ansatz basiert auf Photohärtung von Polymer zu construct 3D-Strukturen, und daher keine photohärtbaren Polymere können auch allgemein verwendet werden, soweit der Photoinitiator geeigneten Extinktion im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweist. Beachten Sie, dass viele im Handel erhältliche Photoinitiatoren für ultraviolette (UV) Wellenlängen ausgebildet sind, aber die eingesetzten Photoinitiator weist hier relativ höhere Absorption bei Wellenlängen länger als 400 nm ist. Bietet eine einfache und schnelle Methode, um 3D-Objekte herzustellen, wird diese Methode zu finden viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich weichen Materialien Mechanik wie hier gezeigt.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei Joseph Muskin und Matthew Ragusa an der University of Illinois at Urbana-Champaign danken für die Bereitstellung von Schnittbildern für 3D-Strukturen in 1D gezeigt.
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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