Micro 3D Stampa con un proiettore digitale e la sua applicazione nello studio della meccanica dei materiali morbidi
Özet
Dimostriamo trasformazione controllata modello di tubi gel gonfiore da instabilità elastica. Una semplice proiezione micro stereo-litografia di installazione è costruita con un off-the-shelf dati digitali proiettore per fabbricare strutture polimeriche tridimensionali in uno strato per strato moda. Gonfiore tubi idrogel sotto vincolo meccanico visualizzare varie modalità circonferenziali instabilità seconda dimensione.
Abstract
Carico di punta è un tema classico della meccanica. Mentre instabilità è stato a lungo studiato come uno dei principali modi di guasto strutturali 1, ha recentemente attirato l'attenzione come un nuovo meccanismo unico per la trasformazione pattern. La natura è piena di questi esempi in cui un gran numero di modelli esotici si formano per 2-5 instabilità meccanica. Ispirato da questo meccanismo elegante, molti studi hanno dimostrato la creazione e la trasformazione dei modelli che utilizzano materiali morbidi come elastomeri e idrogel 6-11. Gel gonfiore sono di particolare interesse perché possono innescare spontaneamente instabilità meccanica per generare i vari modelli senza bisogno di forza esterna 6-10. Recentemente, abbiamo riportato la dimostrazione di pieno controllo instabilità modello di gel tubolari micro-scala con proiezione micro-stereolitografia (PμSL), a tre dimensioni (3D), la tecnologia di produzione in grado di convertire rapidamente i modelli di 3D generati into degli oggetti fisici ad alta risoluzione 12,13. Qui vi presentiamo un metodo semplice per costruire un sistema semplificato PμSL facendo uso di un proiettore digitale di dati per lo studio gonfiore indotto instabilità instabilità per la trasformazione modello controllato.
Una stampante desktop semplice 3D è costruito utilizzando un off-the-shelf dati digitali proiettore e semplici componenti ottici, come una lente convessa e uno specchio 14. Trasversali immagini estratte da un modello solido 3D viene proiettato sulla superficie di resina fotosensibile in sequenza, polimerizzazione resina liquida in una desiderata struttura 3D solida in un layer-by-layer moda. Anche con questa configurazione semplice e processo facile, arbitrari oggetti 3D possono essere facilmente realizzati con sub-risoluzione di 100 micron.
Questa stampante desktop 3D rappresenta un potenziale per lo studio della meccanica dei materiali morbidi, offrendo una grande opportunità di esplorare varie geometrie 3D. Usiamo questo sistema per fabricate struttura tubolare a forma di idrogel con dimensioni diverse. Fissato sul fondo al substrato, il gel tubolare sviluppa durante lo stress disomogeneo gonfiore, che dà luogo a instabilità instabilità. Vari motivi ondulati appaiono lungo la circonferenza del tubo quando le strutture gel subiscono deformazioni. Esperimento mostra che la deformazione circonferenziale del modo desiderato può essere creato in modo controllato. Trasformazione del modello tridimensionale gel strutturati tubolari ha implicazioni significative non solo in meccanica e scienza dei materiali, ma anche in molti altri settori emergenti come la matamaterials sintonizzabili.
Protocol
Representative Results
Discussion
In rigonfiamento di idrogel tubolare vincolato sul substrato, stabilità dipende solo t / h ed instabilità modalità dipende solo h / D 12. Quattro gruppi di campioni (I-IV) con diversi livelli di spessore normalizzato t / h sono stati realizzati, con il gruppo I di essere più spessa e di gruppo IV di essere più sottile. Ogni gruppo è composto da quattro campioni (I-IV) con diversi livelli di altezza normalizzata h / D, con il campione di essere i più brevi e il campione iv essere più alto. Dimensioni dei campioni fabbricati sono riportati in Tabella 1. Gruppo I e II sono progettati per rimanere stabile durante gonfiore, mentre il gruppo III e IV sono progettati per trasformare su fibbia e gonfiore. Per i campioni di instabilità, Buckling modalità dovrebbe diminuire con l'altezza del campione. Figura 3A mostra risultato sperimentale. Come teoria predice, i campioni del gruppo I e II erano stabili e rimasero circolare sul gonfiore, mentre i campioni del gruppo III e IV, tutto è andato per l'instabilità elastica e deformata. Inoltre, campioni con lo stesso h / D mostrati come modalità di carico di punta. 3B Figura confronta osservati sperimentalmente modi di instabilità di campioni nel gruppo III e IV con previsione teorica. Possiamo vedere che i campioni con lo stesso h / D rappresentano la stessa post-critico modello indipendentemente dallo spessore e che i risultati sperimentali sono in accordo con la teoria.
Vi presentiamo come costruire un semplice sistema desktop 3D di stampa facendo uso di un proiettore di dati digitali. L'approccio proposto si basa su fotoindurente di polimero per confermarestruct strutture 3D, e pertanto, eventuali polimeri fotoreticolabili può essere utilizzato anche in generale, per quanto riguarda il fotoiniziatore ha assorbanza appropriata lunghezza d'onda visibile. Notare che molti fotoiniziatori disponibili in commercio sono progettati per ultravioletta (UV) lunghezze d'onda, ma il fotoiniziatore usato qui è relativamente più elevata assorbanza a lunghezze d'onda superiori a 400 nm. Offre un modo facile e rapido per fabbricare oggetti 3D, questo metodo si trovano molte applicazioni in vari campi tra cui la meccanica di materiali morbidi come dimostrato qui.
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare Giuseppe Muskin e Matthew Ragusa presso la University of Illinois a Urbana-Champaign per la fornitura di immagini in sezione trasversale per strutture 3D mostrato in 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 |
Referanslar
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