Micro 3D-Druck mit einem digitalen Projektor und ihre Anwendung in der Studie von Soft Werkstoffmechanik

Das übergeordnete Ziel des folgenden Videos besteht darin, den Aufbau eines einfachen Werkzeugs zur 3D-Gel-Mikrofertigung und dessen Anwendung bei der Musterverwandlung quellender Gelröhren durch elastische Instabilität zu demonstrieren. Ein einfacher mikroskopischer 3D-Drucker wird unter Verwendung eines handelsüblichen digitalen Datenprojektors aufgebaut, um röhrenförmige Gelproben mit unterschiedlichen Abmessungen herzustellen. Die Herstellung der röhrenförmigen Gelproben erfolgt, indem ein entworfenes Bild auf den Probenhalter projiziert wird, der in ein Harzbad eingetaucht ist, das eine Präpolymerlösung mit Photoinitiator und Photoabsorber enthält.

Nachdem eine Schicht durch Photopolymerisation gebildet wurde, senkt sich der Probenträger, und die nächste Schicht wird auf der vorherigen aufgebaut. Auf diese Weise wird eine 3D-Probe schichtweise hergestellt. Anschließend wird jede Probe mit Wasser in Kontakt gebracht, um eine Formumwandlung durch quellungsinduzierte elastische Instabilität auszulösen.

Die Ergebnisse zeigen, dass runde Röhren in verschiedene wellenförmige Muster mit unterschiedlichen Wellenzahlen übergehen, abhängig von der Geometrie des Beulgeles. Der Hauptvorteil dieser Herstellungstechnik gegenüber bestehenden Methoden wie der Phototherapie besteht darin, dass sie ein schnelles 3D-Mikrofertigungsverfahren für weiche Materialien wie Gele bietet. Dadurch können nun verschiedene interessante dreidimensionale Geometrien, die schwer herzustellen sind, leicht in physische Objekte umgesetzt werden, die experimentell untersucht werden können.

Zur Durchführung dieses Verfahrens bereiten Sie zunächst die Präpolymerlösung unter Zugabe von Photoinitiator und Photoabsorber gemäß der schriftlichen Anleitung vor. Nach der Lösungsherstellung stellen Sie einen digitalen Datenprojektor an einer ebenen und stabilen Position auf und schließen ihn an einen Computer mit installiertem Microsoft PowerPoint an. Platzieren Sie eine konvexe Linse direkt vor der Strahlausgangslinse des Digitalprojektors.

Wählen Sie eine Sammellinse, um die Brennebene etwa 10 Zentimeter vom Projektor entfernt zu platzieren. Die optische Auflösung wird kleiner bei einer Linse mit kürzerer Brennweite, aber es muss etwas Platz für optische Komponenten freigehalten werden. Platzieren Sie einen Spiegel nach der Sammellinse im Strahlengang in einem Winkel von 45 Grad, um den Strahl senkrecht nach unten zu lenken.

Platzieren Sie dann einen Probenträger in der Brennebene des projizierten Strahls. Der Probenträger sollte mit einem Linearstadium verbunden sein, über das die vertikale Position des Probenträgers gesteuert wird. Schließlich platzieren Sie ein Harzbad unterhalb des Probenträgers, um die Gelröhren zu gestalten. Projizieren Sie ein Bild mit bekannter Pixelanzahl auf den Probenträger, um das Umrechnungsverhältnis von einem Pixel zur physikalischen Länge zu messen.

In diesem speziellen Fall maß ein Bild von 135 Pixeln 5,8 Millimeter, was 43 Mikrometern pro Pixel entspricht. Konvertieren Sie anhand dieser Information die physikalischen Abmessungen des Gelrohrs – Durchmesser, Wanddicke und Höhe – in Pixel. Zeichnen Sie anschließend Querschnittsbilder des Gelrohrs.

Die Bilder sollten weiß auf schwarzem Hintergrund sein. Fügen Sie diese Bilder in Microsoft PowerPoint-Folien ein. Starten Sie die Diashow in Microsoft PowerPoint und projizieren Sie ein beliebiges Bild.

Platzieren Sie den Probenträger in der Fokalebene, indem Sie die vertikale Position mithilfe des angebrachten Stufenschalters auf ein schwarzes Testbild einstellen, sodass keine unerwünschte Polymerisation während des Hinzufügens der Präpolymerlösung auftritt. Gießen Sie die Präpolymerlösung in das Harzbad. Füllen Sie das Bad, bis die Lösung den Probenträger leicht bedeckt, unter Verwendung einer Pipette.

Jetzt ist es bereit, das 3D-Objekt zu drucken. Wechseln Sie zu der Folie mit dem ersten Querschnittsbild der Gelröhre, um die erste Schicht zu polymerisieren. Projizieren Sie das Bild acht Sekunden lang und wechseln Sie anschließend zurück zu einer schwarzen Folie.

Drehen Sie den Knopf an der Linearstufe um eine Viertelumdrehung, etwa 160 Mikrometer, um den Probenträger abzusenken. Dadurch fließt frisches Harz nach, um die polymerisierte erste Schicht zu bedecken, falls das flüssige Harz zu viskos ist, um von allein nachzufüllen. Bewegen Sie die Stufe weiter nach unten, um die hergestellte Schicht vollständig in das Harz einzutauchen, und positionieren Sie die Stufe anschließend erneut 160 Mikrometer unterhalb der Oberfläche.

Projizieren Sie das Querschnittsbild erneut, um die zweite Schicht auf der vorherigen zu polymerisieren. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis der Gelröhrchen der gewünschten Höhe hergestellt ist. Sobald alle Schichten abgeschlossen sind, heben Sie den Probenträger aus der Präpolymerlösung heraus und entnehmen Sie die hergestellte Probe.

Spülen Sie die Probe vorsichtig mit einer Rasierklinge unter Aceton für etwa drei Stunden und lassen Sie sie anschließend ungefähr eine Stunde lang trocknen. Um ein Quellversuch durchzuführen, bereiten Sie eine wässrige Ölschicht-Flüssigkeit in einer transparenten Petrischale vor. Bringen Sie die Grenzfläche zwischen Wasser und Öl in die Fokusebene der Kamera, indem Sie die Position der Petrischale justieren, und befestigen Sie die trockene Probe mit Sekundenkleber an einem Probenträger.

Drehen Sie den Probenhalter um, sodass dieser verkehrt herum ist. Tauchen Sie die Probe in das Wasser-Öl-Flüssigbad ein. Führen Sie die Probe von der Ölschicht aus an die Wasser-Öl-Grenzfläche heran.

Die Probe beginnt zu quellen, sobald sie die Wasseroberfläche berührt, während das Basissubstrat, an dem der Gelröhrchen befestigt ist, in der oberen Ölschicht verbleibt. Auf diese Weise kann Wasser in die Röhrenwand eindringen, wodurch die Probe quellen kann, bevor sich das fixierende Basissubstrat durch Benetzung lockert. Überwachen Sie nun die Veränderung des Musters, während sich das Gelröhrchen ausdehnt.

Mithilfe einer Digitalkamera wird hier ein einfaches Projektions-Mikro-Stereolithographiesystem gezeigt, das einen handelsüblichen digitalen Datenprojektor verwendet. Eine konvexe Linse mit einer Brennweite von 75 Millimetern bündelt den Strahl auf einen kleinen Beleuchtungsbereich von zwei Zentimetern mal zwei Zentimetern, wodurch eine optische Auflösung von etwa 45 Mikrometern erreicht wird. Die vertikale Auflösung wird durch die Genauigkeitsstufe der linearen Hubvorrichtung pro Schicht bestimmt.

Die Dicke der für diese Studie hergestellten Strukturen beträgt 160 Mikrometer. Jede Schicht wurde durch achtsekündige Lichtbestrahlung vernetzt. Eine repräsentative, mit dem System gefertigte 3D-Struktur ist dargestellt.

Dieses Objekt besteht aus 58 Schichten aus Peg da. Ein Satz lichtaushärtbarer Peg-da-Hydrogelröhren wurde entworfen und hergestellt, um eine geringe Vernetzung und damit eine starke Quellung zu erreichen, wie im schriftlichen Protokoll beschrieben; dazu wurde eine Probe verkehrt herum in ein Wasser-Öl-Bad gegeben. Wie im Video gezeigt, verhielten sich die kreisförmigen Röhren je nach dimensionsbezogenen Parametern entweder stabil oder wandelten sich in ein wellenförmiges Muster um.

Die Abmessung des Gele schläuches bestimmt die Anzahl der während der Quellung entstehenden Wellen. Die große Vielfalt an Quellmustern verschiedener Proben wurde mit einer Digitalkamera aufgezeichnet. Die vertikale Achse zeigt die Stabilität als Dicke zu Höhe oder T zu H an, und die horizontale Achse zeigt die Beulmoduszahl als Höhe zu Durchmesser oder H zu D an. Die weißen Zahlen geben die Beulmoduszahl an, also die Anzahl der Wellen entlang des Umfangs, wie hier dargestellt.

Der Beulmodus der instabilen Proben hängt nur von HD ab, wobei das experimentelle Ergebnis gut mit der theoretischen Vorhersage übereinstimmt. Wir verwenden diese Methode in diesem Video als nützliches experimentelles Werkzeug für die Mechanik weicher Materialien, doch werden wir auch viele Anwendungen in anderen Bereichen der Wissenschaft und Technik finden, einschließlich der weichen Robotik und der biomedizinischen Technik. Außerdem ist sie sehr einfach und kostengünstig.

Jeder kann in seinem Labor einen eigenen Mikro-3D-Drucker aufbauen, indem er dem in diesem Video vorgestellten Protokoll folgt.