Micro 3D-печати с использованием цифрового проектора и его применение при исследовании мягких механика материалов

Общая цель следующего видео — продемонстрировать создание простого инструмента для 3D-микрофабрикации гелей и его использование для трансформации структуры набухающих гелевых трубок за счет упругой неустойчивости. С помощью стандартного цифрового проектора собирается простой микро-3D-принтер для изготовления трубчатых гелевых образцов различных размеров. Изготовление трубчатых гелевых образцов осуществляется путем проецирования специально разработанного изображения на держатель образца, погруженный в ванну с полимерной смолой, содержащей раствор преполимера с фотоинициатором и фотоабсорбером.

После того как слой сформирован путем фотополимеризации, держатель образца опускается, и следующий слой создается поверх предыдущего. Таким образом, 3D-образец изготавливается послойным методом. Затем каждый образец приводится в контакт с водой для запуска трансформации формы за счет упругой неустойчивости, вызванной набуханием.

Результаты показывают, что круглые трубки трансформируются в различные волнообразные структуры с разными волновыми числами в зависимости от геометрии прогибающегося геля. Основное преимущество данного метода изготовления по сравнению с существующими методами, такими как фототерапия, заключается в том, что он представляет собой инструмент быстрой 3D-микрофабрикации мягких материалов, таких как гели. В результате стало возможным легко создавать физические объекты сложной трехмерной геометрии, которые ранее было трудно изготовить, для дальнейшего экспериментального изучения.

Для начала данной процедуры приготовьте раствор преполимера, содержащий фотоинициатор и фотоабсорбер, как описано в письменном протоколе. После приготовления раствора установите цифровой проектор в плоском и устойчивом положении и подключите его к компьютеру с установленным Microsoft PowerPoint. Поместите выпуклую линзу непосредственно перед выходной линзой луча цифрового проектора.

Выберите выпуклую линзу так, чтобы фокальная плоскость находилась примерно в 10 сантиметрах от проектора. Оптическое разрешение увеличивается при уменьшении фокусного расстояния линзы, однако необходимо оставить некоторое пространство для оптических компонентов. Поместите зеркало после выпуклой линзы на пути луча под углом 45 градусов, чтобы направить луч вертикально вниз.

Затем поместите держатель образца в фокальную плоскость проецируемого луча. Держатель образца должен быть прикреплен к линейному столику, с помощью которого контролируется вертикальное положение держателя. В завершение поместите под держатель образца ванночку со смолой для создания гелевых трубок. Спроецируйте на держатель образца изображение с известным количеством пикселей, чтобы измерить коэффициент пересчета пикселей в физическую длину.

В данном конкретном случае изображение размером 135 пикселей соответствовало 5,8 миллиметрам, что составляет 43 микрона на пиксель. На основании этой информации переведите физические размеры гелевой трубки — диаметр, толщину стенки и высоту — в пиксели. Затем постройте изображения поперечного сечения гелевой трубки.

Изображения должны быть белыми на черном фоне. Вставьте эти изображения в слайды Microsoft PowerPoint. Запустите показ слайдов в Microsoft PowerPoint и спроецируйте любое изображение.

Установите держатель образца в фокальной плоскости, регулируя вертикальное положение с помощью прилагаемого переключателя предметного столика, ориентируясь по контрольному черному изображению, чтобы избежать нежелательной полимеризации при добавлении раствора преполимера. Налейте раствор преполимера в ванночку для смолы. С помощью пипетки заполните ванночку так, чтобы раствор слегка покрывал держатель образца.

Теперь можно приступать к печати 3D-объекта. Перейдите к слайду с первым поперечным срезом гелевой трубки для полимеризации первого слоя. Проецируйте изображение в течение восьми секунд, после чего снова переключитесь на черный слайд.

Поверните ручку линейного кареточного столика на одну четверть оборота (примерно на 160 микрон), чтобы опустить держатель образца. Это обеспечит приток свежей смолы для покрытия первого полимеризованного слоя в случае, если жидкая смола слишком вязкая для свободного течения. Опустите столик еще ниже, чтобы полностью погрузить сформированный слой в смолу, а затем верните столик в положение на 160 микрон ниже поверхности.

Снова спроецируйте изображение поперечного сечения, чтобы полимеризовать второй слой поверх предыдущего. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будет изготовлена гель-трубка желаемой высоты. После завершения формирования всех слоев извлеките держатель образца из раствора преполимера и достаньте изготовленный образец.

Осторожно, используя лезвие бритвы, промойте образец в ацетоне в течение примерно трех часов, а затем дайте ему высохнуть около одного часа. Для проведения эксперимента по набуханию приготовьте в прозрачной чашке Петри двухслойную жидкость из воды и масла. Установите границу раздела фаз вода-масло в фокальной плоскости камеры, отрегулировав положение чашки Петри, и закрепите сухой образец на держателе с помощью суперклея.

Переверните держатель образца вверх дном. Погрузите образец в водно-масляную жидкостную ванну. Приближайте образец к границе раздела фаз вода-масло со стороны слоя масла.

Образец начинает набухать, когда он касается поверхности воды, в то время как базовая подложка, на которой закреплена гелевая трубка, остается в верхнем слое масла. Таким образом, вода может диффундировать в стенку трубки, что позволяет образцу набухнуть до того, как ограничивающая подложка размягчится при увлажнении. Продолжайте наблюдать за изменением структуры по мере набухания гелевой трубки.

Здесь представлена простая система проекционной микростереолитографии с использованием стандартного цифрового проектора и цифровой камеры. Выпуклая линза с фокусным расстоянием 75 мм фокусирует луч в небольшую область освещения размером 2 см на 2 см, при этом обычное оптическое разрешение составляет около 45 мкм. Вертикальное разрешение определяется уровнем точности линейного перемещения по слоям.

Толщина структур, изготовленных для данного исследования, составляет 160 микрон. Каждый слой полимеризовали путем облучения светом в течение восьми секунд. Показана репрезентативная 3D-структура, созданная с помощью данной системы.

Данный объект состоит из 58 слоев PEG DA. Набор трубок из фотоотверждаемого гидрогеля PEG DA был спроектирован и изготовлен для достижения низкой степени сшивки и, следовательно, сильного набухания, как описано в письменном протоколе; образец был помещен в перевернутом виде в водно-масляную баню. Как показано на видео, в зависимости от размерных параметров, круглые трубки либо оставались стабильными, либо приобретали волнистую форму.

Размер гелевой трубки определяет количество волн, возникающих при набухании. Разнообразие паттернов набухания различных образцов было зафиксировано с помощью цифровой камеры. Вертикальная ось отображает стабильность как отношение толщины к высоте или T к H, а горизонтальная ось — моду выпучивания как отношение высоты к диаметру, или H к D. Белые цифры обозначают номер моды выпучивания, который представляет собой количество волн по окружности, как показано здесь.

Форма потери устойчивости (прогиба) нестабильных образцов зависит только от HD, при этом экспериментальный результат хорошо согласуется с теоретическим прогнозом. В данном видео мы используем этот метод в качестве полезного экспериментального инструмента для механики мягких материалов, однако он также найдет множество применений в других областях науки и техники, включая мягкую робототехнику и биомедицинскую инженерию. Кроме того, этот метод очень прост и доступен.

Любой исследователь может собрать собственный микро-3D-принтер в лаборатории, следуя протоколу, представленному в данном видео.