הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות

המטרה הכללית של הסרטון הבא היא להדגים בנייה של כלי מיקרו-פבריקציה פשוט עבור ג'ל תלת-ממדי ואת השימוש בו לטרנספורמציה של תבנית צינורות ג'ל מתנפחים באמצעות אי-יציבות אלסטית. מדפסת מיקרו תלת-ממדית פשוטה נבנית באמצעות מקרן נתונים דיגיטלי זמין לרכישה, וזאת כדי לייצר דגימות ג'ל צינוריות בממדים שונים. ייצור דגימות הג'ל הצינוריות מושג על ידי הקרנת תמונה מתוכננת על מחזיק הדגימה, הטבול באמבט שרף המכיל תמיסת פרה-פולימר עם פוטו-איניציאטור ופוטו-אבסורבר.

לאחר ששכבה נוצרת על ידי פוטו-פולימריזציה, תומך הדגימה יורד והשכבה הבאה מיוצרת מעל השכבה הקודמת. באופן זה, דגימה תלת-ממדית מיוצרת בשיטה של שכבה על גבי שכבה. לאחר מכן, כל דגימה מובאה למגע עם מים כדי להפעיל שינוי צורה באמצעות אי-יציבות אלסטית המושרית על ידי נפיחות.

התוצאות מראות שצינורות מעגליים הופכים לתבניות גליות שונות עם מספרי גל שונים, בהתאם לגאומטריית הכשל של הג'ל. היתרון העיקרי של טכניקת ייצור זו על פני שיטות קיימות כמו פוטותרפיה הוא שהיא מציעה כלי מיקרו-ייצור תלת-ממדי מהיר עבור חומרים רכים כגון ג'לים. כתוצאה מכך, ניתן כעת לממש בקלות גאומטריות תלת-ממדיות מעניינות ומגוונות, שקשה לייצור, לאובייקטים פיזיים לצורך מחקר ניסויי.

כדי להתחיל בהליך זה, הכין את תמיסת הפולימר המקדם (pre polymer) המכילה פוטו-יוזם (photo initiator) וסופח אור (photo absorber) כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב. לאחר הכנת התמיסה, הנח מקרן נתונים דיגיטלי בעמדה שטוחה ויציבה וחברו למחשב המותקנת בו תוכנת Microsoft PowerPoint. מקם עדשה קמורה מיד לפני עדשת פלט הקרן של המקרן הדיגיטלי.

בחרו בעדשה קמורה כך שמישור המוקד יהיה במרחק של כ-10 סנטימטרים מהמקרן. הרזולוציה האופטית קטנה יותר עבור עדשה בעלת אורך מוקד קצר יותר, אך יש להשאיר מקום עבור רכיבים אופטיים. הציבו מראה לאחר העדשה הקמורה בנתיב הקרן בזווית של 45 מעלות כדי להכוון את הקרן ישירות למטה.

לאחר מכן, מקמו מחזיק דגימה במישור המוקד של הקרן המוקרנת. מחזיק הדגימה צריך להיות מחובר לבמה ליניארית שבאמצעותה ניתן לשלוט במיקום האנכי של מחזיק הדגימה. לבסוף, מקמו אמבט שרף מתחת למחזיק הדגימה לצורך עיצוב צינורות הג'ל. הקרינו תמונה עם מספר פיקסלים ידוע על מחזיק הדגימה כדי למדוד את יחס ההמרה מפיקסל לאורך פיזי.

במקרה זה, תמונה של 135 פיקסלים נמדדה כ-5.8 מילימטרים, מה שמתבסס על 43 מיקרון לפיקסל. על סמך מידע זה, המירו את הממדים הפיזיים של צינור הג'ל — קוטר, עובי דופן וגובה — לפיקסלים. לאחר מכן, שרטטו תמונות של חתכים רוחביים עבור צינור הג'ל.

התמונות צריכות להיות בלבן עם רקע שחור. הכניסו תמונות אלו לשקופיות ב-Microsoft PowerPoint. הפעילו את מצגת השקופיות ב-Microsoft PowerPoint והקרינו תמונה כלשהי.

מקם את מחזיק הדגימה במישור המוקד על ידי כיוון המיקום האנכי באמצעות מתג הבמה המצורף, עד לקבלת תמונה שחורה דמי (dummy black image), כדי למנוע פולימריזציה לא רצויה בזמן הוספת תמיסת הפרה-פולימר. שפוך את תמיסת הפרה-פולימר אל אמבט השרף. מלא את האמבט באמצעות פיפט עד שהתמיסה תכסה קלות את מחזיק הדגימה.

כעת ניתן להדפיס את האובייקט התלת-ממדי. עברו לשקף המכיל את תמונת החתך הראשונה של צינור הג'ל כדי לפולימר את השכבה הראשונה. המשיכו להקרין את התמונה למשך שמונה שניות ולאחר מכן חזרו לשקף שחור (blackout slide).

סובב את הכפתור בבמה הליניארית ברבע סיבוב, כ-160 microns, כדי להוריד את מחזיק הדגימה. כעת זורם שרף טרי כדי לכסות את השכבה הראשונה שהתבמיצרה, למקרה שהשרף הנוזלי צמיגי מדי מכדי לזרום פנימה. הנח את הבמה למטה עוד יותר כדי לטבול לחלוטין את השכבה המיוצרת בשרף, והחזר את הבמה למיקום של 160 microns מתחת לפני השטח.

הקרינו שוב את תמונת החתך כדי לפלמר את השכבה השנייה מעל הקודמת. חזרו על תהליך זה עד לייצור צינור הג'ל בגובה הרצוי. עם השלמת כל השכבות, הרימו את מחזיק הדגימה מתוך תמיסת הפולימר ושלפו את הדגימה שהוכנה.

בעזרת להב תער, שטפו בזהירות את הדגימה באצטון למשך כשלוש שעות, ולאחר מכן הניחו לה להתייבש למשך כשעה. לצורך ביצוע ניסוי נפיחות, הכינו נוזל בשתי שכבות של מים ושמן בתוך צלחת פטרי שקופה. אתרו את הממשק שבין המים לשמן במישור המוקד של המצלמה על ידי כיוון מיקום צלחת הפטרי, והדביקו את הדגימה היבשה למחזיק דגימות באמצעות דבק מהיר.

הפוך את מחזיק הדגימה כך שיהיה הפוך. טבול את הדגימה באמבט הנוזלים של מים ושמן. התקרב אל הממשק שבין המים לשמן מתוך שכבת השמן.

הדגימה מתחילה להתנפח כאשר היא נוגעת במשטח המים, בעוד שתשת הבסיס שעליו מקובע צינור הג'ל נשאר בשכבת השמן העליונה. באופן זה, מים יכולים לדפף לתוך דופן הצינור, מה שמאפשר לדגימה להתנפח לפני שהבסיס המגביל נרפה כתוצאה מההרטבה. המשך לעקוב אחר השינוי בתבנית בעוד צינור הג'ל מתנפח.

כאן מוצגת מערכת פשוטה למיקרו-סטריאוליתוגרפיה בהקרנה באמצעות מצלמה דיגיטלית ומקרן נתונים דיגיטלי סטנדרטי. עדשה קמורה בעלת אורך מוקד של 75 millimeters מרכזת את הקרן לאזור תאורה קטן של שני סנטימטרים על שני סנטימטרים, מה שמוביל לרזולוציה אופטית מישורית של כ-45 microns. הרזולוציה האנכית נקבעת על ידי רמת הדיוק של שלב השכבה הליניארי.

עובי המבנים שיוצרו למחקר זה הוא 160 microns. כל שכבה פולמרה באמצעות הקרנת אור למשך שמונה שניות. מוצג מבנה תלת-ממדי מייצג שיוצר על ידי המערכת.

אובייקט זה מורכב מ-58 שכבות של peg da. סט של צינורות הידרוג'ל peg da הניתנים להקשיה באמצעות אור תוכננו ויוצרו כדי להשיג קישוריות צולבת נמוכה ולכן נפיחות גדולה כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב; דגימה הוצבה הפוך באמבט מים-שמן. כפי שמוצג בסרטון, בהתאם לפרמטרים הממדיים, צינורות מעגליים נותרו יציבים או הפכו לתבנית גלית.

ממדי צינור הג'ל קובעים את מספר הגלים המופיעים במהלך הנפיחה. מגוון רחב של דפוסי נפיחה של דגימות שונות תועד באמצעות מצלמה דיגיטלית. הציר האנכי מציין יציבות כעובי חלקי גובה, או T חלקי H, והציר האופקי מציין את מצב הכריתה (buckling mode) כגובה חלקי קוטר, או H חלקי D. המספרים הלבנים מציינים את מספר מצב הכריתה, שהוא מספר הגלים לאורך ההיקף, כפי שמוצג כאן.

מצב התכופפות (buckling mode) של הדגימות הבלתי יציבות תלוי אך ורק ב-HD, כאשר התוצאה הניסויית תואמת היטב את התחזית התאורטית. אנו משתמשים בשיטה זו בסרטון זה ככלי ניסיוני שימושי למכניקה של חומרים רכים, אך נמצא לה יישומים רבים גם בתחומים אחרים של מדע והנדסה, כולל רובוטיקה רכה והנדסה ביו-רפואית. כמו כן, היא פשוטה מאוד וזולה.

כל אחד יכול לבנות מדפסת תלת-ממד מיקרוסקופית משלו במעבדה על ידי ביצוע הפרוטוקול המוצג בסרטון זה.