Мы демонстрируем контролируемых преобразований структуры отек труб гель упругой нестабильности. Простая проекция микро стерео-литографии установки построена с использованием вне-полки цифровых данных проектор для изготовления трехмерных полимерных структур в слой за слоем моды. Набухание гидрогеля трубы при механическом ограничении отображать различные окружные формы потери устойчивости в зависимости от размера.
Устойчивость является классической темы в механике. В то время как потери устойчивости уже давно изучается как один из основных структурных видов отказов 1, то в последнее время обращается внимание, как новая уникальная модель механизма преобразования. Природа полна таких примеров, когда богатство экзотических моделей формируются за счет механического 2-5 нестабильности. Вдохновленный этим элегантным механизмом, многие исследования показали, создание и преобразование моделей с использованием мягких материалов, таких как эластомеры и гидрогелей 6-11. Отек гели представляют особый интерес, поскольку они могут вызвать спонтанно механической нестабильности для создания различных форм без необходимости внешней силой 6-10. Недавно мы сообщали демонстрация полного контроля над выпучивания картина микро-масштабных трубчатых гели с помощью проекции микро-стереолитографии (PμSL), трехмерные (3D) технологии производства, способных быстро преобразования компьютерной 3D-модели яNto физических объектов с высоким разрешением 12,13. Здесь мы приведем простой метод для создания упрощенных PμSL системы с помощью коммерчески доступных цифровых данных проектор для изучения отеки вызванные продольная неустойчивость для контролируемого преобразования шаблона.
Простой рабочий стол 3D-принтер построен с использованием вне-полки цифровых данных проектор и простые оптические компоненты, такие как выпуклая линза и зеркало 14. Изображения поперечного сечения извлечь из 3D модели твердого проецируется на светочувствительной поверхности смолы в последовательности, полимеризации жидкой смолы в нужное 3D твердые структуры в слой за слоем моды. Даже с этой простой конфигурации и легкий процесс, произвольное 3D-объекты могут быть легко изготовлены с суб-100 мкм резолюции.
Этот настольный 3D-принтер имеет потенциал в изучении механики мягких материалов, предлагая большие возможности для изучения различных 3D-геометрии. Мы используем эту систему для FabricaТе трубчатая структура в форме гидрогеля с различными размерами. Исправлена на дне на подложку, трубчатые гель развивается неоднородной стресс во время отек, что приводит к продольная неустойчивость. Различные волнистые узоры появляются вдоль окружности трубы, когда гель структур подвергаются деформации. Опыт показывает, что окружные выпучивания нужный режим может быть создан в управляемом режиме. План преобразования трехмерную структуру трубчатых гели имеет значительные последствия не только в области механики и материаловедения, но и во многих других развивающихся областях, таких как перестраиваемый matamaterials.
В набухания гидрогеля трубчатых ограничена на подложке, стабильность зависит только от т / ч и устойчивость режима зависит только от ч / D 12. Четыре группы образцов (I-IV) с различными уровнями нормированной толщины т / ч были сфабрикованы, с группой я быть толще и группу IV быть более стройными. Каждая группа состоит из четырех образцов (I-IV) с различными уровнями нормированной высоты ч / D, с образцом, я короче, и образец IV быть выше. Размеры изготовленных образцов представлены в таблице 1. Группа I и II предназначены, чтобы остаться стабильным в период набухания, в то время как группа III и IV предназначены для пряжки и преобразования на опухоль. Для изгиба образцов, Bucklinг режима должна уменьшаться с высоты образца. 3А приведены экспериментальные результаты. Как и предсказывает теория, образцы в группе I и II были стабильными и остались на круговой отек, в то время как образцы в группе III и IV все прошли через упругие неустойчивости и подогнулись. Кроме того, образцы с тем же ч / D отображается аналогичный потери устойчивости режима. 3В сравнивает экспериментально наблюдаемые формы потери устойчивости образцов в группе III и IV с теоретическим предсказанием. Мы видим, что образцы с тем же ч / D представлять такую же после потери устойчивости картины независимо от толщины и экспериментальные результаты хорошо согласуются с теорией.
Мы представляем, как построить простой настольной системы 3D-печати с использованием коммерчески доступных цифровых данных проектор. Предлагаемый подход основан на фотоотверждения полимера к конПостроим 3D-структур, и, следовательно, любое фотоотверждаемых полимеры могут быть также использованы в целом, насколько фотоинициаторов имеет соответствующие поглощению в видимом диапазоне длин волн. Отметим, что многие коммерчески доступные фотоинициаторы предназначены для ультра-фиолетового (УФ) длинах волн, но фотоинициатора используется здесь имеет относительно более высокую оптическую плотность при длине волны более 400 нм. Предлагает простой и быстрый способ для изготовления 3D-объектов, этот метод найдет широкое применение в различных областях, включая мягкие механика материалов, как показано здесь.
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы поблагодарить Иосифа Muskin и Мэтью Ragusa в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн для обеспечения изображения поперечного сечения для 3D-структур, показанных на рис 1D.
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 |