الصغرى 3D الطباعة باستخدام جهاز عرض رقمي وتطبيقاتها في دراسة ميكانيكا مواد لينة

الهدف العام من الفيديو التالي هو توضيح كيفية بناء أداة تصنيع دقيق بسيطة للهلام ثلاثي الأبعاد واستخدامها في تحويل أنماط أنابيب الهلام المنتفخة عن طريق عدم الاستقرار المرن. يتم بناء طابعة دقيقة بسيطة ثلاثية الأبعاد باستخدام جهاز عرض بيانات رقمي متاح تجارياً من أجل تصنيع عينات هلام أنبوبية بأبعاد مختلفة. ويتم تحقيق تصنيع عينات الهلام الأنبوبية عن طريق عرض صورة مصممة على حامل العينة، المغمور في حمام من الراتنج الذي يحتوي على محلول بوليمر أولي مع بادئ ضوئي وممتص ضوئي.

بمجرد تكوين طبقة عن طريق البلمرة الضوئية، ينخفض حامل العينة ويتم تصنيع الطبقة التالية فوق الطبقة السابقة. وبهذه الطريقة، يتم تصنيع عينة ثلاثية الأبعاد بنمط الطبقة تلو الأخرى. بعد ذلك، يتم وضع كل عينة في تماس مع الماء من أجل تحفيز تحول الشكل عن طريق عدم الاستقرار المرن الناجم عن الانتفاخ.

تظهر النتائج أن الأنابيب الدائرية تتحول إلى أنماط متموجة متنوعة بأرقام موجية مختلفة اعتماداً على هندسة انبعاج الهلام. وتتمثل الميزة الرئيسية لتقنية التصنيع هذه مقارنة بالطرق الحالية مثل العلاج الضوئي في أنها توفر أداة تصنيع دقيق ثلاثية الأبعاد سريعة للمواد الرخوة مثل الهلامات. ونتيجة لذلك، يمكن الآن تحقيق العديد من الهندسات ثلاثية الأبعاد المثيرة للاهتمام والتي يصعب صنعها بسهولة في شكل أجسام مادية للدراسة التجريبية.

لبدء هذا الإجراء، قم بتحضير محلول البوليمر الأولي الذي يحتوي على بادئ ضوئي وممتص ضوئي كما هو موضح في البروتوكول المكتوب. بعد تحضير المحلول، ضع جهاز عرض بيانات رقمياً في وضع مستوٍ ومستقر وقم بتوصيله بجهاز كمبيوتر مثبت عليه برنامج Microsoft PowerPoint. ضع عدسة محدبة مباشرة أمام عدسة إخراج الشعاع الخاصة بجهاز العرض الرقمي.

اختر عدسة محدبة لجعل المستوى البؤري على بعد حوالي 10 سنتيمترات من جهاز العرض. وتصبح الدقة البصرية أصغر بالنسبة للعدسة ذات البعد البؤري الأقصر، ولكن يجب ترك مساحة لبعض المكونات البصرية. ضع مرآة بعد العدسة المحدبة في مسار الشعاع بزاوية 45 درجة لتوجيه الشعاع مباشرة إلى الأسفل.

بعد ذلك، ضع حامل العينة عند المستوى البؤري للحزمة المسقطة. يجب أن يكون حامل العينة متصلاً بمنصة خطية يتم من خلالها التحكم في الموضع الرأسي لحامل العينة. وأخيراً، ضع حماماً من الراتنج أسفل حامل العينة لتصميم أنابيب الهلام. قم بإسقاط صورة ذات أعداد بكسل معروفة على حامل العينة لقياس نسبة التحويل من البكسل الواحد إلى الطول المادي.

في هذه الحالة تحديداً، بلغت قياسات صورة مكونة من 135 بكسل 5.8 مليمتر، وهو ما يعادل 43 ميكرون لكل بكسل. وبناءً على هذه المعلومات، يتم تحويل الأبعاد الفيزيائية لأنبوب الهلام - المتمثلة في القطر وسمك الجدار والارتفاع - إلى بكسلات من أجل التصنيع. بعد ذلك، يتم رسم صور للمقاطع العرضية لأنبوب الهلام.

يجب أن تكون الصور باللون الأبيض مع خلفية سوداء. أدخل هذه الصور في شرائح برنامج Microsoft PowerPoint. ابدأ عرض الشرائح في Microsoft PowerPoint واعرض أي صورة.

ضع حامل العينة عند المستوى البؤري من خلال ضبط الموضع الرأسي باستخدام مفتاح المنصة المرفق على صورة سوداء وهمية، وذلك لتجنب حدوث بلمرة غير مرغوب فيها أثناء إضافة محلول ما قبل البلمرة. صب محلول ما قبل البلمرة في حمام الراتنج. املأ الحمام باستخدام ماصة حتى يغطي المحلول حامل العينة قليلاً.

الآن أصبح الجسم ثلاثي الأبعاد جاهزاً للطباعة. انتقل إلى الشريحة التي تحتوي على الصورة المقطعية الأولى لأنبوب الهلام لبلمرة الطبقة الأولى. استمر في عرض الصورة لمدة ثماني ثوانٍ، ثم عد إلى شريحة التعتيم.

قم بتدوير المقبض الموجود في المنصة الخطية بمقدار ربع دورة (حوالي 160 microns) لخفض حامل العينة. الآن يتدفق الراتنج الجديد لتغطية الطبقة الأولى المبلمرة في حال كان الراتنج السائل لزجًا جدًا بحيث لا يتدفق تلقائيًا. حرك المنصة إلى الأسفل بشكل أكبر لغمر الطبقة المصنعة بالكامل في الراتنج، ثم أعد وضع المنصة على مسافة 160 microns تحت السطح.

قم بإسقاط الصورة المقطعية مرة أخرى لبلمرة الطبقة الثانية فوق الطبقة السابقة. كرر هذه العملية حتى يتم تصنيع أنبوب الهلام بالارتفاع المطلوب. وبمجرد اكتمال جميع الطبقات، ارفع حامل العينة من محلول ما قبل البلمرة واسترجع العينة المصنعة.

باستخدام شفرة حلاقة بعناية، اشطف العينة في الأسيتون لمدة ثلاث ساعات تقريباً ثم اتركها لتجف لمدة ساعة واحدة تقريباً. ولإجراء تجربة الانتفاخ، قم بتحضير سائل ثنائي الطبقة من الماء والزيت في طبق بتري شفاف. حدد موقع الواجهة الفاصلة بين الماء والزيت عند المستوى البؤري للكاميرا من خلال ضبط موضع طبق بتري، ثم ثبت العينة الجافة على حامل العينة باستخدام الغراء الفائق.

اقلب حامل العينة بحيث يصبح مقلوباً رأساً على عقب. اغمر العينة في حمام سائل من الماء والزيت. قرب العينة من السطح الفاصل بين الماء والزيت من جهة طبقة الزيت.

تبدأ العينة في الانتفاخ بمجرد ملامستها لسطح الماء، بينما تظل الركيزة الأساسية التي يتم تثبيت أنبوب الهلام عليها في الطبقة الزيتية العلوية. وبهذه الطريقة، يمكن للماء أن ينتشر داخل جدار الأنبوب، مما يسمح للعينة بالانتفاخ قبل أن ترتخي القاعدة المقيدة بفعل الترطيب. تابع مراقبة التغير في النمط أثناء انتفاخ أنبوب الهلام.

يظهر هنا نظام بسيط للتصوير المجسم الدقيق بالإسقاط باستخدام كاميرا رقمية وجهاز عرض بيانات رقمي جاهز. تقوم عدسة محدبة بطول بؤري قدره 75 millimeters بتركيز الحزمة في منطقة إضاءة صغيرة تبلغ 2 centimeters في 2 centimeters، مما يؤدي إلى دقة بصرية مستوية تبلغ حوالي 45 microns. أما الدقة الرأسية فيتم تحديدها من خلال مستوى دقة المنصة الخطية للطبقة.

يبلغ سمك الهياكل التي تم تصنيعها لهذه الدراسة 160 ميكرون. وقد تمت بلمرة كل طبقة باستخدام الإضاءة الضوئية لمدة ثماني ثوانٍ. يظهر في الشكل هيكل ثلاثي الأبعاد نموذجي تم تصنيعه بواسطة النظام.

يتكون هذا الجسم من 58 طبقة من peg da. تم تصميم وتصنيع مجموعة من أنابيب الهيدروجيل المصنوعة من peg da والقابلة للمعالجة الضوئية لتحقيق تشابك منخفض وبالتالي انتفاخ كبير كما هو موضح في البروتوكول المكتوب، حيث وُضعت عينة مقلوبة في حمام مائي زيتي. وكما ظهر في الفيديو، وبناءً على المعايير البعدية، إما أن تظل الأنابيب الدائرية مستقرة أو تتحول إلى نمط مموج.

يحدد بُعد أنبوب الهلام عدد الموجات الناشئة أثناء الانتفاخ. وقد تم التقاط التنوع الواسع في أنماط الانتفاخ لمختلف العينات باستخدام كاميرا رقمية. يشير المحور الرأسي إلى الاستقرار بوصفه السُمك مقسوماً على الارتفاع، أو T على H، بينما يشير المحور الأفقي إلى نمط الانبعاج بوصفه الارتفاع مقسوماً على القطر، أو H على D. تشير الأرقام البيضاء إلى رقم نمط الانبعاج، وهو عدد الموجات على طول المحيط كما هو موضح هنا.

يعتمد نمط الانبعاج للعينات غير المستقرة فقط على HD، حيث تتفق النتيجة التجريبية بشكل جيد مع التنبؤ النظري. نستخدم هذه الطريقة في هذا الفيديو كأداة تجريبية مفيدة لميكانيكا المواد الرخوة، ولكننا سنجد أيضاً العديد من التطبيقات في مجالات أخرى من العلوم والهندسة، بما في ذلك الروبوتات الرخوة والهندسة الطبية الحيوية. كما أنها بسيطة للغاية وغير مكلفة.

يمكن لأي شخص بناء طابعة ثلاثية الأبعاد دقيقة خاصة به في المختبر من خلال اتباع البروتوكول المعروض في هذا الفيديو.