소프트 재료 역학의 연구에서 디지털 프로젝터와 응용 프로그램을 사용하여 마이크로 3D 인쇄

다음 비디오의 전반적인 목표는 간단한 3D 겔 미세 가공 도구의 제작 방법과 탄성 불안정성에 의한 팽윤 겔 튜브의 패턴 변형에 이를 활용하는 방법을 시연하는 것입니다. 다양한 크기의 튜브형 겔 샘플을 제작하기 위해 기성 디지털 데이터 프로젝터를 사용하여 간단한 마이크로 3D 프린터를 구축합니다. 튜브형 겔 샘플의 제작은 광개시제와 광흡수제가 포함된 프리폴리머 용액이 담긴 레진 배스에 담긴 샘플 홀더 위로 설계된 이미지를 투사함으로써 이루어집니다.

광중합에 의해 층이 형성되면, 샘플 홀더가 내려가고 이전 층 위에 다음 층이 제작됩니다. 이러한 방식으로 3D 샘플이 층별 방식으로 제작됩니다. 다음으로, 팽창으로 유도된 탄성 불안정성에 의해 형상 변형을 일으키기 위해 각 샘플을 물에 접촉시킵니다.

결과에 따르면 원형 튜브는 좌굴 겔의 기하학적 구조에 따라 서로 다른 파수를 가진 다양한 물결 패턴으로 변형됩니다. 광치료와 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 제작 기술의 주요 장점은 겔과 같은 연성 재료를 위한 신속한 3D 미세 가공 도구를 제공한다는 점입니다. 결과적으로, 제작하기 어려웠던 다양한 흥미로운 3D 기하 구조를 이제는 실험적 연구를 위한 물리적 객체로 쉽게 구현할 수 있게 되었습니다.

본 절차를 시작하려면, 서면 프로토콜에 설명된 대로 광개시제와 광흡수제가 포함된 프리폴리머 용액을 준비하십시오. 용액 준비 후, 디지털 데이터 프로젝터를 평평하고 안정적인 위치에 배치하고 Microsoft PowerPoint가 설치된 컴퓨터에 연결하십시오. 디지털 프로젝터의 빔 출력 렌즈 바로 앞에 볼록 렌즈를 배치하십시오.

초점 평면이 프로젝터로부터 약 10 centimeters 떨어지도록 볼록 렌즈를 선택하십시오. 초점 거리가 짧은 렌즈일수록 광학 분해능은 작아지지만, 광학 부품을 위한 일정 공간을 확보해야 합니다. 빔 경로상에서 볼록 렌즈 뒤에 거울을 45도 각도로 배치하여 빔이 직선으로 아래를 향하게 하십시오.

그 다음, 투사된 빔의 초점 평면에 샘플 홀더를 배치합니다. 샘플 홀더는 샘플 홀더의 수직 위치를 제어할 수 있는 리니어 스테이지에 부착되어야 합니다. 마지막으로, 겔 튜브 프로젝트를 설계하기 위해 샘플 홀더 아래에 수지 욕조를 배치하십시오. 픽셀 수를 알고 있는 이미지를 샘플 홀더에 투사하여 픽셀에서 실제 길이로의 변환 비율을 측정합니다.

본 사례의 경우, 135 픽셀의 이미지가 5.8 밀리미터로 측정되었으며, 이는 픽셀당 43 마이크론에 해당합니다. 이 정보를 바탕으로 겔 튜브의 직경, 벽 두께 및 높이와 같은 물리적 치수를 픽셀 단위로 변환하십시오. 그다음, 겔 튜브의 단면 이미지를 그리십시오.

이미지는 검은색 배경에 흰색이어야 합니다. 이 이미지들을 Microsoft PowerPoint 슬라이드에 삽입하십시오. Microsoft PowerPoint에서 슬라이드 쇼를 시작하고 이미지를 투사하십시오.

첨부된 스테이지 스위치를 사용하여 수직 위치를 조정함으로써 샘플 홀더를 초점 평면에 위치시키고 더미 블랙 이미지를 설정하여, 프리폴리머 용액을 추가하는 동안 원치 않는 중합 반응이 일어나지 않도록 합니다. 프리폴리머 용액을 레진 배스에 붓습니다. 피펫을 사용하여 용액이 샘플 홀더를 약간 덮을 때까지 배스를 채웁니다.

이제 3D 객체를 출력할 준비가 되었습니다. 겔 튜브의 첫 번째 단면 이미지가 포함된 슬라이드로 전환하여 첫 번째 층을 중합합니다. 이미지를 8초 동안 계속 투사한 다음, 다시 블랙아웃 슬라이드로 전환하십시오.

선형 스테이지의 노브를 1/4바퀴 돌려 샘플 홀더를 약 160 microns만큼 낮춥니다. 이렇게 하면 액상 레진의 점도가 너무 높아 스스로 흘러 들어가지 못하는 경우에도, 새로운 레진이 유입되어 중합된 첫 번째 층을 덮게 됩니다. 스테이지를 더 아래로 이동시켜 제작된 층이 레진에 완전히 잠기게 한 다음, 스테이지의 위치를 다시 표면에서 160 microns 아래로 맞춥니다.

이전 층 위에 두 번째 층을 중합시키기 위해 단면 이미지를 다시 투사하십시오. 원하는 높이의 젤 튜브가 제작될 때까지 이 과정을 반복하십시오. 모든 층이 완성되면, 프리폴리머 용액에서 샘플 홀더를 들어 올려 제작된 샘플을 회수하십시오.

면도날을 사용하여 조심스럽게 샘플을 아세톤으로 약 3시간 동안 헹군 다음, 약 1시간 동안 건조시킵니다. 팽윤 실험을 수행하기 위해, 투명한 페트리 접시에 물-오일 이중층 액체를 준비합니다. 페트리 접시의 위치를 조정하여 카메라의 초점 평면에 물-오일 계면이 오도록 맞춘 뒤, 순간접착제를 사용하여 건조된 샘플을 샘플 홀더에 부착합니다.

샘플 홀더를 뒤집어 거꾸로 위치시킵니다. 샘플을 물-오일 액체 배스에 담급니다. 오일 층에서 물-오일 계면 방향으로 샘플을 접근시킵니다.

시료가 수면에 닿으면 팽윤이 시작되며, 겔 튜브가 고정된 기판 베이스는 상층의 오일 층에 머무릅니다. 이러한 방식으로 물이 튜브 벽으로 확산되어, 젖음으로 인해 구속된 베이스가 이완되기 전에 시료가 먼저 팽윤될 수 있습니다. 이어서 겔 튜브가 팽윤됨에 따라 나타나는 패턴 변화를 관찰하십시오.

디지털 카메라를 사용하여, 시중에서 판매되는 디지털 데이터 프로젝터를 이용한 간단한 투사 마이크로 스테레오리소그래피 시스템을 여기서 보여줍니다. 초점 거리 75 millimeters의 볼록 렌즈가 빔을 2 centimeters by 2 centimeters의 작은 조사 영역으로 집중시키며, 이에 따른 평면 광학 해상도는 약 45 microns입니다. 수직 해상도는 리니어 스테이지 층의 정밀도 수준에 의해 결정됩니다.

본 연구를 위해 제작된 구조물의 두께는 160 microns입니다. 각 층은 8초 동안 광조사를 통해 중합되었습니다. 해당 시스템으로 제작된 대표적인 3D 구조물이 제시되어 있습니다.

이 객체는 58층의 peg da로 구성됩니다. 서면 프로토콜에 기술된 대로, 낮은 가교 밀도와 그에 따른 큰 팽윤을 달성하기 위해 광경화성 peg da 하이드로젤 튜브 세트를 설계 및 제작하였으며, 샘플을 워터-오일 배스에 거꾸로 배치하였습니다. 비디오에서 보여주는 바와 같이, 치수 매개변수에 따라 원형 튜브는 안정된 상태를 유지하거나 물결 모양의 패턴으로 변형되었습니다.

겔 튜브의 치수는 팽윤 과정에서 발생하는 파동의 수를 결정합니다. 서로 다른 샘플들의 매우 다양한 팽윤 패턴을 디지털 카메라로 촬영하였습니다. 세로축은 높이에 대한 두께(T/H)로 안정성을 나타내며, 가로축은 직경에 대한 높이(H/D)로 좌굴 모드를 나타냅니다. 흰색 숫자는 여기에 표시된 것과 같이 둘레를 따라 나타나는 파동의 수인 좌굴 모드 번호를 나타냅니다.

불안정 시료의 좌굴 모드는 오직 HD에만 의존하며, 실험 결과는 이론적 예측과 잘 일치합니다. 본 영상에서는 이 방법을 연성 재료 역학을 위한 유용한 실험 도구로 사용하지만, 소프트 로보틱스와 생의학 공학을 포함한 과학 및 공학의 다른 분야에서도 많은 응용 가능성을 찾을 수 있을 것입니다. 또한, 이 방법은 매우 간단하고 비용 효율적입니다.

이 비디오에 제시된 프로토콜을 따라 실험실에서 누구나 자신만의 마이크로 3D 프린터를 제작할 수 있습니다.