Micro 3D Stampa con un proiettore digitale e la sua applicazione nello studio della meccanica dei materiali morbidi

L'obiettivo generale del seguente video è dimostrare la costruzione di uno strumento semplice per la microfabbricazione di idrogeli 3D e il suo utilizzo nella trasformazione di pattern di tubi gelificati mediante instabilità elastica. Una stampante 3D microscopica semplice viene realizzata utilizzando un proiettore digitale commerciale al fine di fabbricare campioni tubolari di gel con diverse dimensioni. La fabbricazione dei campioni tubolari di gel avviene proiettando un'immagine progettata sul portacampione, immerso in un bagno di resina contenente una soluzione di prepolimero con iniziatore fotoreattivo e assorbitore fotoreattivo.

Una volta formato uno strato mediante polimerizzazione fotoindotta, il portacampioni si abbassa e il successivo strato viene realizzato sopra quello precedente. In questo modo, un campione tridimensionale viene fabbricato strato dopo strato. Successivamente, ogni campione viene messo a contatto con acqua per innescare una trasformazione di forma mediante instabilità elastica indotta da gonfiamento.

I risultati mostrano che i tubi circolari si trasformano in diversi modelli ondulati con numeri d'onda differenti, a seconda della geometria del gel instabile. Il principale vantaggio di questa tecnica di fabbricazione rispetto ai metodi esistenti, come la fototerapia, è che offre uno strumento rapido per la microfabbricazione 3D di materiali morbidi come i gel. Di conseguenza, varie interessanti geometrie tridimensionali difficili da realizzare possono ora essere facilmente ottenute come oggetti fisici per lo studio sperimentale.

Per iniziare questa procedura, preparare la soluzione prepolimerica contenente iniziatore fotoreattivo e assorbitore fotoreattivo come descritto nel protocollo scritto. Dopo aver preparato la soluzione, posizionare un proiettore digitale in una posizione piana e stabile e collegarlo a un computer con installato Microsoft PowerPoint. Posizionare una lente convessa proprio davanti alla lente di uscita del fascio del proiettore digitale.

Scegliere una lente convessa in modo che il piano focale si trovi a circa 10 centimetri dal proiettore. La risoluzione ottica diminuisce per una lente con lunghezza focale più corta, ma è necessario lasciare uno spazio sufficiente per i componenti ottici. Posizionare uno specchio dopo la lente convessa lungo il percorso del fascio, a un angolo di 45 gradi, per deviare il fascio verticalmente verso il basso.

Quindi posizionare un portacampioni sul piano focale del fascio proiettato. Il portacampioni deve essere collegato a una fase lineare tramite la quale viene controllata la posizione verticale del portacampioni. Infine, posizionare un bagno di resina sotto il portacampioni per progettare i tubi in gel; proiettare un'immagine con un numero noto di pixel sul portacampioni per misurare il rapporto di conversione da pixel a lunghezza fisica.

In questo caso specifico, un'immagine di 135 pixel misurava 5,8 millimetri, il che corrisponde a 43 micron per pixel. Sulla base di queste informazioni, convertire le dimensioni fisiche del tubo in gel da fabbricare — diametro, spessore della parete e altezza — in pixel. Successivamente, disegnare immagini della sezione trasversale del tubo in gel.

Le immagini devono essere in bianco su sfondo nero. Inserire queste immagini in diapositive di Microsoft PowerPoint. Avviare la presentazione in Microsoft PowerPoint e proiettare qualsiasi immagine.

Posizionare il portacampioni sul piano focale regolando la posizione verticale mediante l'interruttore dello stage fino a ottenere un'immagine nera fittizia, in modo da evitare polimerizzazioni indesiderate durante l'aggiunta della soluzione prepolimerica. Versare la soluzione prepolimerica nel bagno di resina. Riempire il bagno fino a quando la soluzione ricopre leggermente il portacampioni, utilizzando una pipetta.

Ora è possibile stampare l'oggetto 3D. Passare alla diapositiva contenente la prima immagine della sezione trasversale del tubo di gel per polimerizzare il primo strato. Proiettare l'immagine per otto secondi, quindi tornare alla diapositiva nera.

Ruotare la manopola sulla fase lineare di un quarto di giro, circa 160 micron, per abbassare il portacampioni. In questo modo, della nuova resina fluisce per coprire il primo strato polimerizzato, nel caso in cui la resina liquida sia troppo viscosa per fluire autonomamente. Spostare ulteriormente la fase verso il basso per immergere completamente lo strato realizzato nella resina e riportare la fase a 160 micron sotto la superficie.

Proiettare nuovamente l'immagine in sezione trasversale per polimerizzare il secondo strato sopra quello precedente. Ripetere questo processo fino a quando non viene realizzato il tubo in gel dell'altezza desiderata. Una volta completati tutti gli strati, sollevare il portacampioni dalla soluzione pre-polimerica ed estrarre il campione realizzato.

Utilizzando con attenzione una lametta, risciacquare il campione in acetone per circa tre ore, quindi lasciarlo asciugare per circa un'ora. Per eseguire un esperimento di gonfiamento, preparare uno strato liquido bifasico acqua-olio in una piastra di Petri trasparente. Regolando la posizione della piastra di Petri, posizionare l'interfaccia acqua-olio nel piano focale della telecamera e fissare il campione secco a un portacampione utilizzando colla istantanea.

Ruotare il portacampioni in modo che risulti capovolto. Immergere il campione nel bagno liquido di olio d'acqua. Avvicinare il campione all'interfaccia acqua-olio dallo strato di olio.

Il campione inizia a gonfiarsi quando entra in contatto con la superficie dell'acqua, mentre il substrato di base a cui è fissato il tubo in gel rimane nello strato superiore di olio. In questo modo, l'acqua può diffondersi nella parete del tubo, consentendo al campione di espandersi prima che il substrato di base vincolante si rilassi per effetto dell'umidità. Procedere quindi a monitorare il cambiamento del modello mentre il tubo in gel si gonfia.

Utilizzando una fotocamera digitale, viene mostrato qui un semplice sistema di micro stereolitografia a proiezione che impiega un proiettore digitale commerciale. Una lente convessa con una lunghezza focale di 75 millimetri concentra il fascio in un'area di illuminazione ridotta di due centimetri per due centimetri, ottenendo una risoluzione ottica planare di circa 45 micron. La risoluzione verticale è determinata dal livello di precisione dello stadio lineare per strato.

Lo spessore delle strutture realizzate per questo studio è di 160 micron. Ogni strato è stato polimerizzato con un'illuminazione luminosa di otto secondi. Viene mostrata una struttura 3D rappresentativa fabbricata dal sistema.

Questo oggetto è costituito da 58 strati di peg da. È stato progettato e realizzato un insieme di tubi in idrogel di peg da fotoindurente per ottenere un basso grado di reticolazione e, di conseguenza, un elevato rigonfiamento come descritto nel protocollo scritto; un campione è stato posizionato sottosopra in un bagno acqua-olio. Come dimostrato nel video, a seconda dei parametri dimensionali, i tubi circolari sono rimasti stabili oppure si sono trasformati in un modello ondulato.

La dimensione del tubo di gel determina il numero di onde che si formano durante il rigonfiamento. La grande varietà di modelli di rigonfiamento di diversi campioni è stata catturata mediante una fotocamera digitale. L'asse verticale indica la stabilità come spessore rispetto all'altezza o T su H, e l'asse orizzontale indica la modalità di instabilità come altezza rispetto al diametro, o H su D. I numeri bianchi indicano il numero della modalità di instabilità, ovvero il numero di onde lungo la circonferenza, come mostrato qui.

La modalità di instabilità delle campioni instabili dipende esclusivamente da HD, dove il risultato sperimentale è in buon accordo con la previsione teorica. Utilizziamo questo metodo in questo video come uno strumento sperimentale utile per la meccanica dei materiali morbidi, ma troveremo anche numerose applicazioni in altri campi della scienza e dell'ingegneria, inclusi la robotica morbida e l'ingegneria biomedica. Inoltre, è molto semplice ed economico.

Chiunque può costruire una propria stampante 3D microscopica in laboratorio seguendo il protocollo presentato in questo video.