Yumuşak Malzemelerin Mekaniği Çalışması Dijital Projektör ve Uygulama Kullanarak Mikro 3D Baskı

Aşağıdaki videonun genel amacı, basit bir 3D jel mikrofabrikasyon aracının yapımını ve bu aracın, elastik instabilite yoluyla şişen jel tüplerin desen dönüşümünde kullanımını göstermektir. Farklı boyutlarda tübüler jel örnekler üretmek amacıyla, hazır bir dijital veri projektörü kullanılarak basit bir mikro 3D yazıcı kurulmuştur. Tübüler jel örneklerin üretimi, tasarlanmış bir görüntünün, foto başlatıcı ve foto absorbe edici içeren bir prepolimer çözeltisi bulunan reçine banyosuna daldırılmış örnek tutucu üzerine yansıtılmasıyla gerçekleştirilir.

Fotopolimerizasyon ile bir katman oluşturulduğunda, numune tutucu aşağı iner ve bir önceki katmanın üzerine yeni bir katman imal edilir. Bu şekilde, katman katman yöntemle 3 boyutlu bir numune imal edilir. Ardından, şişme kaynaklı elastik instabilite ile şekil değişimini tetiklemek amacıyla her bir numune su ile temas ettirilir.

Sonuçlar, dairesel tüplerin, burkulma jeli geometrisine bağlı olarak farklı dalga sayılarına sahip çeşitli dalgalı desenlere dönüştüğünü göstermektedir. Bu üretim tekniğinin fototerapi gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, jeller gibi yumuşak malzemeler için hızlı bir 3D mikrofabrikasyon aracı sunmasıdır. Sonuç olarak, üretimi zor olan çeşitli ilgi çekici üç boyutlu geometriler, artık deneysel çalışmalar için fiziksel nesnelere kolayca dönüştürülebilmektedir.

Bu prosedüre başlamak için, yazılı protokolde açıklandığı şekilde foto başlatıcı ve foto absorbe edici içeren ön polimer çözeltisini hazırlayın. Çözelti hazırlamasının ardından, dijital veri projektörünü düz ve sabit bir konuma yerleştirin ve Microsoft PowerPoint yüklü bir bilgisayara bağlayın. Konveks lensi, dijital projektörün ışın çıkış lensinin hemen önüne yerleştirin.

Odak düzlemini projektörden yaklaşık 10 santimetre uzağa getirmek için uygun bir dışbükey mercek seçin. Odak uzaklığı daha kısa olan bir mercek için optik çözünürlük azalır, ancak optik bileşenler için bir miktar alan bırakılması gerekir. Işını doğrudan aşağı yönlendirmek için dışbükey mercekten sonra ışın yolu üzerine 45 derecelik bir açıyla bir ayna yerleştirin.

Ardından, yansıtılan ışının odak düzlemine bir numune tutucu yerleştirin. Numune tutucu, dikey konumunun kontrol edilebilmesi için doğrusal bir sahneye bağlanmış olmalıdır. Son olarak, jel tüpleri projesini tasarlamak için numune tutucunun altına bir reçine banyosu yerleştirin. Bir pikselden fiziksel uzunluğa dönüşüm oranını ölçmek için, bilinen piksel sayılarına sahip bir görüntüyü numune tutucu üzerine yansıtın.

Bu özel durumda, 135 piksellik bir görüntü 5,8 milimetre olarak ölçülmüştür; bu da piksel başına 43 mikrona tekabül etmektedir. Bu bilgiye dayanarak, jel tüpünün çap, duvar kalınlığı ve yükseklik gibi fiziksel boyutlarını piksele dönüştürün. Ardından, jel tüpü için kesit görüntüleri çizin.

Görüntüler, siyah arka plan üzerinde beyaz renkte olmalıdır. Bu görüntüleri Microsoft PowerPoint slaytlarına yerleştirin. Microsoft PowerPoint'te slayt gösterisini başlatın ve herhangi bir görüntüyü yansıtın.

Pre-polimer çözeltisi eklenirken istenmeyen polimerleşmenin gerçekleşmemesi için, ekli sahne anahtarını kullanarak dikey konumu ayarlayıp örnek tutucuyu sahte bir siyah görüntü ile odak düzlemine yerleştirin. Pre-polimer çözeltisini reçine banyosuna dökün. Bir pipet kullanarak banyoyu, çözelti örnek tutucuyu hafifçe kaplayana kadar doldurun.

Artık 3D nesneyi yazdırmak için hazırdır. İlk katmanı polimerize etmek için jel tüpünün ilk kesit görüntüsünü içeren slayda geçin. Görüntüyü sekiz saniye boyunca yansıtmaya devam edin ve ardından tekrar siyah bir slayda geri dönün.

Numune tutucuyu aşağı indirmek için lineer sahnedeki düğmeyi yaklaşık 160 mikron kadar çeyrek tur döndürün. Eğer sıvı reçine akış için çok viskozsa, polimerize olmuş ilk katmanı kaplamak için taze reçine içeri akar. Sahneyi, üretilen katmanı reçinenin içine tamamen batıracak şekilde daha da aşağı indirin ve ardından sahneyi yüzeyin 160 mikron altına geri konumlandırın.

Önceki katmanın üzerine ikinci katmanı polimerize etmek için kesit görüntüsünü tekrar yansıtın. İstenilen yükseklikteki jel tüp üretilene kadar bu işlemi tekrarlayın. Tüm katmanlar tamamlandığında, numune tutucuyu ön polimer çözeltisinden çıkarın ve üretilen numuneyi alın.

Bir jilet kullanarak dikkatli bir şekilde, örneği yaklaşık üç saat boyunca asetonda yıkayın ve ardından yaklaşık bir saat boyunca kurumaya bırakın. Bir şişme deneyi gerçekleştirmek için, şeffaf bir Petri kabında su-yağ çift katmanlı bir sıvı hazırlayın. Petri kabının konumunu ayarlayarak su-yağ ara yüzeyini kameranın odak düzlemine getirin; kuru örneği süper yapıştırıcı kullanarak bir örnek tutucuya sabitleyin.

Numune tutucuyu ters dönecek şekilde çevirin. Numuneyi su-yağ sıvı banyosuna daldırın. Numuneye yağ tabakası üzerinden su-yağ ara yüzeyine doğru yaklaşın.

Örnek su yüzeyine temas ettiğinde şişmeye başlar, bu sırada jel tüpün sabitlendiği taban substratı üst yağ katmanında kalır. Bu sayede, kısıtlayıcı taban ıslanarak gevşemeden önce suyun tüp duvarına difüze olmasına ve örneğin şişmesine izin verilir. Jel tüp şiştikçe desen değişimini izlemeye devam edin.

Dijital bir kamera kullanılarak, standart bir dijital veri projektörü ile oluşturulan basit bir projeksiyon mikro stereolitografi sistemi burada gösterilmiştir. 75 milimetre odak uzaklığına sahip dışbükey bir mercek, ışını iki santimetreye iki santimetre boyutunda küçük bir aydınlatma alanına odaklar ve bu durum yaklaşık 45 mikronluk bir düzlemsel optik çözünürlük sağlar. Dikey çözünürlük ise lineer tabla katmanının hassasiyet seviyesi tarafından belirlenir.

Bu çalışma için hazırlanan yapıların kalınlığı 160 mikrondur. Her katman, sekiz saniyelik ışık aydınlatması ile polimerize edilmiştir. Sistem tarafından üretilen temsili bir 3B yapı gösterilmiştir.

Bu nesne, 58 katmanlı peg da'dan oluşmaktadır. Yazılı protokolde açıklandığı üzere, düşük çapraz bağlanma ve dolayısıyla yüksek şişme elde etmek için bir dizi foto-kürlenebilir peg da hidrojel tüp tasarlanmış ve üretilmiştir; bir örnek su-yağ banyosuna ters şekilde yerleştirilmiştir. Videoda gösterildiği gibi, boyutsal parametrelere bağlı olarak, dairesel tüpler ya stabil kalmış ya da dalgalı bir yapıya dönüşmüştür.

Jel tüpünün boyutu, şişme sırasında ortaya çıkan dalga sayısını belirler. Farklı örneklerin çok çeşitli şişme modelleri bir dijital kamera ile kaydedilmiştir. Dikey eksen, kalınlığın yüksekliğe oranı veya T/H olarak kararlılığı; yatay eksen ise yüksekliğin çap oranına veya H/D olarak burkulma modunu göstermektedir. Beyaz rakamlar, burada gösterildiği gibi çevre boyunca olan dalga sayısı olan burkulma modu numarasını belirtmektedir.

Kararsız örneklerin burkulma modu yalnızca HD'ye bağlıdır ve burada deneysel sonuçlar teorik öngörüyle iyi bir şekilde örtüşmektedir. Bu videoda bu yöntemi yumuşak malzeme mekaniği için yararlı bir deneysel araç olarak kullanıyoruz, ancak yumuşak robotik ve biyomedikal mühendislik de dahil olmak üzere bilim ve mühendisliğin diğer alanlarında da birçok uygulama alanı bulacağız. Ayrıca, yöntem oldukça basit ve uygun maliyetlidir.

Bu videoda sunulan protokolü takip ederek herkes laboratuvarında kendi mikro 3D yazıcısını kurabilir.