Micro impressão 3D usando um projetor digital e sua aplicação no estudo de Mecânica dos materiais macios

O objetivo geral do seguinte vídeo é demonstrar a construção de uma ferramenta simples para microfabricação de géis 3D e seu uso na transformação de padrões de tubos de gel inchados por instabilidade elástica. Uma impressora micro 3D simples é montada utilizando um projetor digital comercial, com o fim de fabricar amostras de gel tubulares com diferentes dimensões. A fabricação das amostras de gel tubulares é realizada projetando-se uma imagem projetada sobre o suporte da amostra, que está imerso em um banho de resina contendo uma solução de pré-polímero com fotoiniciador e fotoabsorvedor.

Uma vez formada uma camada por fotopolimerização, o suporte da amostra desce e a próxima camada é fabricada sobre a anterior. Dessa forma, uma amostra tridimensional é fabricada camada por camada. Em seguida, cada amostra é colocada em contato com água para desencadear a transformação de forma por instabilidade elástica induzida por inchamento.

Os resultados mostram que tubos circulares se transformam em vários padrões ondulados com diferentes números de onda, dependendo da geometria do gel de flambagem. A principal vantagem dessa técnica de fabricação em relação a métodos existentes, como a fototerapia, é que ela oferece uma ferramenta rápida de microfabricação 3D para materiais moles, como géis. Como resultado, diversas geometrias tridimensionais interessantes, difíceis de serem produzidas, podem agora ser facilmente realizadas como objetos físicos para estudo experimental.

Para iniciar este procedimento, prepare a solução pré-polímero contendo o iniciador fotossensível e o absorvedor fotossensível conforme descrito no protocolo escrito. Após a preparação da solução, posicione um projetor digital de dados em uma superfície plana e estável e conecte-o a um computador com o Microsoft PowerPoint instalado. Coloque uma lente convexa diretamente em frente à lente de saída do feixe do projetor digital.

Escolha uma lente convexa para posicionar o plano focal a cerca de 10 centímetros do projetor. A resolução óptica diminui para uma lente com distância focal mais curta, mas é necessário reservar um espaço para os componentes ópticos. Coloque um espelho após a lente convexa, no trajeto do feixe, em um ângulo de 45 graus para direcionar o feixe verticalmente para baixo.

Em seguida, posicione um porta-amostras no plano focal do feixe projetado. O porta-amostras deve ser fixado a uma plataforma linear pela qual a posição vertical do porta-amostras é controlada. Por fim, coloque um banho de resina abaixo do porta-amostras para projetar um gel tubular, projetando uma imagem com número conhecido de pixels sobre o porta-amostras para medir a taxa de conversão de pixel para comprimento físico.

Neste caso específico, uma imagem de 135 pixels media 5,8 milímetros, o que corresponde a 43 mícrons por pixel. Com base nessas informações, converta as dimensões físicas do tubo de gel, como diâmetro, espessura da parede e altura, em pixels. Em seguida, desenhe imagens em corte transversal para o tubo de gel.

As imagens devem ser brancas com fundo preto. Insira essas imagens em slides do Microsoft PowerPoint. Inicie a apresentação de slides no Microsoft PowerPoint e projete qualquer imagem.

Posicione o suporte da amostra no plano focal ajustando a posição vertical com o interruptor do estágio acoplado até obter uma imagem preta fictícia, de modo que não haja polimerização indesejada durante a adição da solução pré-polímera. Despeje a solução pré-polímera na cuba de resina. Encha a cuba até que a solução cubra levemente o suporte da amostra usando uma pipeta.

Agora está pronto para imprimir o objeto 3D. Alterne para o slide contendo a primeira imagem em corte transversal do tubo de gel para polimerizar a primeira camada. Mantenha a projeção da imagem por oito segundos e, em seguida, retorne ao slide preto.

Gire o botão do estágio linear em um quarto de volta, cerca de 160 mícrons, para baixar o suporte da amostra. Agora, resina fresca flui para cobrir a primeira camada polimerizada, caso a resina líquida seja muito viscosa para fluir. Mova o estágio mais para baixo para imergir completamente a camada fabricada na resina e posicione o estágio novamente a 160 mícrons abaixo da superfície.

Projete novamente a imagem em corte transversal para polimerizar a segunda camada sobre a anterior. Repita este processo até que o tubo de gel com a altura desejada seja fabricado. Após a conclusão de todas as camadas, levante o suporte da amostra para fora da solução pré-polimérica e recupere a amostra fabricada.

Usando cuidadosamente uma lâmina de barbear, enxágue a amostra em acetona por aproximadamente três horas e, em seguida, deixe secar por cerca de uma hora. Para realizar um experimento de inchamento, prepare uma camada líquida dupla de água e óleo em uma placa de Petri transparente. Posicione a interface entre água e óleo no plano focal da câmera ajustando a posição da placa de Petri e fixe a amostra seca em um suporte utilizando cola instantânea.

Coloque o suporte da amostra de cabeça para baixo. Mergulhe a amostra no banho líquido de água e óleo. Aproxime a amostra da interface água-óleo a partir da camada de óleo.

A amostra começa a inchar quando entra em contato com a superfície da água, enquanto o substrato base ao qual o tubo de gel é fixado permanece na camada superior de óleo. Dessa forma, a água pode difundir-se pela parede do tubo, permitindo que a amostra inche antes que a base restritiva se solte por umedecimento. Prossiga para monitorar a mudança no padrão conforme o tubo de gel incha.

Utilizando uma câmera digital, é apresentado aqui um sistema simples de microestereolitografia por projeção que emprega um projetor de dados digital comercial. Uma lente convexa com distância focal de 75 milímetros concentra o feixe em uma pequena área de iluminação de dois centímetros por dois centímetros, resultando em uma resolução óptica aproximada de 45 mícrons. A resolução vertical é determinada pelo nível de precisão do estágio linear por camada.

A espessura das estruturas produzidas para este estudo é de 160 mícrons. Cada camada foi polimerizada com oito segundos de iluminação luminosa. É apresentada uma estrutura tridimensional representativa fabricada pelo sistema.

Este objeto é composto por 58 camadas de peg da. Um conjunto de tubos hidrogel de peg da foto-curáveis foi projetado e fabricado para obter baixa reticulação e, consequentemente, grande inchaço, conforme descrito no protocolo escrito; uma amostra foi colocada de cabeça para baixo em um banho de água e óleo. Como demonstrado no vídeo, dependendo dos parâmetros dimensionais, os tubos circulares permaneceram estáveis ou se transformaram em um padrão ondulado.

A dimensão do tubo de gel determina o número de ondas que surgem durante a inchamento. A grande variedade de padrões de inchamento de diferentes amostras foi registrada por uma câmera digital. O eixo vertical indica a estabilidade como espessura sobre altura ou T sobre H, e o eixo horizontal indica o modo de flambagem como altura sobre diâmetro, ou H sobre D. Os números brancos indicam o número do modo de flambagem, que é o número de ondas ao longo da circunferência, conforme mostrado aqui.

O modo de flambagem das amostras instáveis depende apenas de HD, em que o resultado experimental concorda bem com a previsão teórica. Utilizamos este método neste vídeo como uma ferramenta experimental útil para a mecânica de materiais moles, mas também encontraremos diversas aplicações em outras áreas da ciência e engenharia, incluindo robótica macia e engenharia biomédica. Além disso, é muito simples e acessível.

Qualquer pessoa pode montar sua própria impressora 3D micro no laboratório seguindo o protocolo apresentado neste vídeo.