소프트 재료 역학의 연구에서 디지털 프로젝터와 응용 프로그램을 사용하여 마이크로 3D 인쇄
Summary
우리는 탄성 불안정에 의해 팽창 겔 튜브의 제어 패턴 변환을 보여줍니다. 간단한 프로젝션 마이크로 스테레오 – 리소그래피 설정은 레이어 별 레이어 방식으로 입체 고분자 구조를 조작하는 오프 – 더 – 선반 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 만들어졌습니다. 기계 제약 히드로 겔 튜브를 팽창하는 차원에 따라 다양한 주변 좌굴 모드를 표시합니다.
Abstract
좌굴이 기계의 고전 주제입니다. 좌굴이 오랜 주요 구조 실패 모드 1 중 하나로서 연구되어 있지만, 최근 패턴 변화에 대한 고유 한 메커니즘으로 새로운 관심을 모으고있다. 이국적인 패턴의 풍부한이 기계 불안정 2-5을 통해 형성되는 곳 자연은 예제 가득합니다. 이 우아한 메커니즘에 의해 영감을, 많은 연구는 탄성체와 hydrogels 6-11와 같은 부드러운 재료를 사용하여 패턴 생성 및 변화를 증명하고있다. 사람들이 자발적으로 외부 힘 6-10의 필요없이 다양한 패턴을 만들 기계적 불안정을 일으킬 수 있기 때문에 부종이 젤은 특히 관심이 있습니다. 최근, 우리는 프로젝션 마이크로 stereolithography (PμSL), 빠른 속도로 컴퓨터 생성 3D 모델에게 내가 변환 할 수있는 3 차원 (3D) 제조 기술을 사용하여 마이크로 스케일 관 젤의 패턴을 변형에 대한 모든 권한의 시범을보고고해상도 12,13에서 n 인물 물리적 인 물체 야. 여기 제어 패턴 변화에 대한 팽창 유발 좌굴 불안정을 공부하기 위해 상업적으로 이용 가능한 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 단순화 PμSL 시스템을 구축 할 수있는 간단한 방법을 제시한다.
간단한 바탕 화면 3D 프린터는 오프 – 더 – 선반 디지털 데이터 프로젝터와 같은 볼록 렌즈와 거울 14 간단 광학 구성 요소를 사용 내장되어 있습니다. 3D 솔리드 모델에서 추출 단면 이미지는 레이어로 레이어 방식으로 원하는 3D 솔리드 구조로 액체 수지 polymerizing, 순서대로 감광성 수지 표면에 투영되어 있습니다. 이 간단한 구성과 쉬운 프로세스를 임의의 3D 개체를 쉽게 하위-100 μm의 해상도로 제조 될 수있다.
이 데스크탑 3D 프린터는 다양한 3D 형상을 탐험 할 수있는 좋은 기회를 제공하여 부드러운 재료 역학의 연구 잠재력을 보유하고 있습니다. 우리는 fabrica이 시스템을 사용다른 크기와 테 관 모양의 히드로 겔 구조. 기판 바닥에 고정, 관 젤이 불안정 변형을 야기 할 수 있습니다 붓기, 동안 inhomogeneous 스트레스를 개발하고 있습니다. 겔 구조 변형 받아야 할 때 다양한 물결 모양의 패턴은 튜브의 원주를 따라 나타납니다. 실험 원하는 모드의 좌굴 주변이 통제 된 방식으로 생성 할 수 있습니다 것으로 나타났습니다. 세 치수 구조 관 젤의 패턴 변화는 기계 및 재료 과학뿐만 아니라 중요한 의미를 가지고 있지만, 또한 조정할 수 matamaterials 많은 다른 새로운 분야 인치
Protocol
Representative Results
Discussion
기판에 제약 관 히드로 겔의 팽창에 안정성은 t / H와 모드를 변형하는 것은 H / D 12에 따라 달라집니다에 따라 달라집니다. 정규화 된 두께 t / H의 다른 수준이 샘플 네 그룹 (I-IV)는 그룹 내 두꺼운 것 및 그룹 IV 더 슬림거든요, 가공되었습니다. 각 그룹은 샘플을 제가 짧게하고 샘플 IV 키도 크게되는 것과 정규화 된 높이 H / D의 다른 수준의 4 개의 샘플 (I-IV)로 구성되어 있습니다. 가공 샘플의 크기는 표 1에 표시됩니다. 그룹 III 및 IV는 버클과 팽창에 따라 변화하도록 설계되었습니다 반면, 그룹 I과 II는 붓기 동안 안정적으로 유지하도록 설계되어 있습니다. 좌굴 샘플, 버 클린 (Bucklin)에게 들어g 모드는 샘플 높이 감소한다. 그림 3A는 실험 결과를 보여줍니다. 이론은 예측에 따라, 그룹 I과 II의 샘플은 안정적 이었어요 및 그룹 III 및 IV의 샘플이 모든 탄성 불안정으로 가서 buckled 반면, 붓기에 원형 있었다. 또한, 동일한 H / D와 샘플 유사한 좌굴 모드를 표시. 그림 3B는 이론적 예측과 그룹 III 및 IV에 샘플 실험적으로 관찰 좌굴 모드를 비교합니다. 우리는 같은 H / D와 그 샘플을 볼 수에 관계없이 두께의 동일한 후 좌굴 패턴을 포즈, 그리고 그 실험 결과는 이론과 잘 동의 할 수 있습니다.
우리는 상업적으로 이용 가능한 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 간단한 데스크톱 3D 인쇄 시스템을 구축하는 방법을 제시한다. 제안 된 방법은 사기꾼으로 폴리머의 photocuring에 의존3D 구조를 구조체, 따라서, 모든 photocurable 폴리머는 또한까지 photoinitiator이 표시 파장 범위에 해당하는 흡광도가 같은 일반적으로 사용할 수 있습니다. 많은 상업적으로 이용 가능한 photoinitiators는 자외선 (UV) 파장을 위해 설계되었습니다 있습니다,하지만 사용 photoinitiator는 400 nm의 파장 이상에서 상대적으로 높은 흡광도가 있습니다. 3D 객체를 조작 할 수있는 쉽고 빠른 방법을 제공하는이 방법은 여기를 증명 등의 부드러운 재료 역학 등 다양한 분야에서 많은 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 그림 1D에 표시된 3D 구조에 대한 단면 이미지를 제공하기 위해 어 바나 – 샴페인 일리노이 대학에서 요셉 Muskin와 매튜 라 구사 감사드립니다.
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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