Nøysom avbildningsteknikk for kapillærstrøm gjennom tredimensjonale polymere utskriftspulver

Summary

Den foreslåtte teknikken vil gi en ny, effektiv, sparsom og ikke-invasiv tilnærming for avbildning av fluidisk strømning gjennom en pakket pulverseng, noe som gir høy romlig og tidsmessig oppløsning.

Abstract

Utviklingen av nye bildebehandlingsteknikker for molekylær og kolloidal transport, inkludert nanopartikler, er et område med aktiv undersøkelse i mikrofluidiske og millifluidiske studier. Med fremkomsten av tredimensjonal (3D) utskrift har et nytt domene av materialer oppstått, og dermed økt etterspørselen etter nye polymerer. Spesielt opplever polymerpulver, med gjennomsnittlige partikkelstørrelser i størrelsesorden en mikron, en økende interesse fra akademiske og industrielle samfunn. Kontroll av materialtunabilitet på mesoskopisk til mikroskopisk lengdeskala skaper muligheter for å utvikle innovative materialer, for eksempel gradientmaterialer. Nylig har et behov for polymerpulver i mikronstørrelse vokst, ettersom klare applikasjoner for materialet utvikler seg. Tredimensjonal utskrift gir en prosess med høy gjennomstrømning med en direkte kobling til nye applikasjoner, og driver undersøkelser av fysiokjemiske og transportinteraksjoner på mesoskala. Protokollen som diskuteres i denne artikkelen gir en ikke-invasiv teknikk for å avbilde væskestrøm i pakkede pulversenger, noe som gir høy temporal og romlig oppløsning mens du utnytter mobil teknologi som er lett tilgjengelig fra mobile enheter, for eksempel smarttelefoner. Ved å benytte en felles mobil enhet, blir bildebehandlingskostnadene som normalt ville være forbundet med et optisk mikroskop, eliminert, noe som resulterer i en nøysom vitenskapelig tilnærming. Den foreslåtte protokollen har vellykket karakterisert en rekke kombinasjoner av væsker og pulver, og skaper en diagnostisk plattform for rask avbildning og identifisering av en optimal kombinasjon av væske og pulver.

Introduction

Blekkskriverbasert bindemiddel som stråler inn i pulvermedier representerer en viktig teknologi innen additiv produksjon (3D-printing). Bindemiddelstråleprosessen begynner med avsetning av funksjonelle væsker i pulvermedier ved hjelp av en skanneblekkutskriftsprosess. Spesielt oversetter et blekkskriverhode over pulveroverflaten, avsetter det flytende bindemiddelet på en pulveroverflate, og danner dermed en solid del på en lag-for-lag-måte-måte¹. Inkjet-baserte bindemiddelstråleteknologier inkluderer vanligvis sand, metallpulver og polymerpulver. For å utvide materialenes plass i bindemiddelspyling, er det imidlertid nødvendig med en grunnleggende tilnærming til å undersøke væskepulver- og pulverpulverinteraksjoner, tribologi, pulverpakningstetthet og partikkelaggregering. Spesielt for væske-pulver-interaksjoner eksisterer det et kritisk behov for evnen til å avbilde væskestrøm gjennom pulversenger i sanntid. Dette lover å være et kraftig verktøy for forskere å inkludere som karakteriseringsteknikk og potensielt som en screeningsmetode for forskjellige kombinasjoner av væsker og pulver ^2,3,4, samt mer komplekse systemer^, for eksempel betong 3D-utskriftssystemer som bruker partikkel-seng metoder.

Utviklingen av nye bildebehandlingsteknikker for molekylær og kolloidal transport, inkludert nanopartikler, er et aktivt undersøkelsesområde i mikrofluidiske og millifluidiske studier. Probing intermolekylære interaksjoner ved bildebehandlingsteknikker kan være utfordrende, da lite arbeid har blitt gjort for å undersøke disse typer interaksjoner under betingelsene for umettet og ustabil væskestrøm. Mange av studiene som er rapportert i litteraturen har fokusert på et mettet, forfuktet, porøst medium, som glassperle 5,6,7,8,9,10,11,12 og jord 13,14,15,16,17,18 . Denne teknikken gir en ikke-invasiv tilnærming, noe som resulterer i høy temporal og romlig oppløsning 2,3,4,19. Videre gir den utviklede teknikken en ny metode for å karakterisere og kvantifisere nanoskala og mikronskala partikkeltransport i en rekke porøse medier, med fokus på polymerpulver.

Den foreslåtte teknikken benytter en mobil enhet for å registrere umettet, ustabil fluidisk transport gjennom porøse polymere medier med partikkeldimensjoner som er representative for pulverene som brukes i 3D-utskriftssystemer som bruker fluidisk pulversengfusjonsteknologi. Denne teknikken er fordelaktig da flytcellene er kostnadseffektive, gjenbrukbare, små og lett håndterte, og illustrerer de dominerende aspektene ved nøysom vitenskap. Evnen til å implementere disse enkle eksperimentene i en feltstudie er veldig grei, og eliminerer komplikasjonene, kostnadene og tiden som kreves i optisk mikroskopi. Gitt det enkle oppsettet, tilgangen til raske resultater og det minimale antallet prøvekrav, er denne teknikken en optimal plattform for diagnostisk screening.

Protocol

1. Klargjøre den mikrofluidiske strømningscellen MERK: For denne protokollen vil en kommersiell mikrofluidisk strømningscelle bli benyttet. Ved å bruke et kommersielt produkt som er designet for lysinntrengning fra et optisk mikroskop, vil eventuelle utfordringer med lysfeltbelysning av mediet minimeres. Begynn å forberede den mikrofluidiske strømningscellen ved å dekke utløpet med parafilm for å forsegle den ene enden av kanalen slik at den tomme strømning…

Representative Results

I avsnittet om analyse av data illustrerer dataene for de tidsforløpte bildene i figur 3 den 75 vekt% etanoloppløsningen som infiltrerer polykarbonat (PC) pulveret. Fluorescein ble lagt til løsningen for å forbedre bildekvaliteten for denne publikasjonen. I time-lapse-bildene begynner den tidsløste prosessen når væsken tilsettes innløpet. Tid, t, starter så snart væsken begynner å trenge inn i kanalen. Serien av bilder demonstrerer utviklingen av væsken og fluorescein. I…

Discussion

Protokollen som er gitt er svært avhengig av materialegenskapene til partiklene som er valgt. Materialegenskaper som påvirker strømningen inkluderer partikkelstørrelsesfordeling 2,3,4,5,11,21, partikkeloverflateruhet 11, kjemiske egenskaper ved partikkeloverflaten 2,3,4,5,11,16,21,23<sup class="…

Materials

µ-Slide I Luer	ibidi	80191	Microfluidic flow cell
Beaker	Southern Labware	BG1000-800	Glassware
CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin	TRINSEO LLC	CALIBRETM 301-58 LT	Natural polycarbonate resin
Ethanol	Sigma Aldrich	1.00983	Solvent
Fume Hood	Kewaunee	Supreme Air LV Fume Hoods	Used with 92 FPM at 18" opening
iPhone 7 plus	Apple		Camera
Opaque 3D printed material			The CAD drawing is provided in the supplemental file
ORGASOL  2002 ES 6 NAT 3	ARKEMA	A12135	Polyamide powder
Pipet	VWR	10754-268	Disposable Transfer Pipet
Pipette	Globe Scientific Inc.	3301-200	Pipette that can hold 125 µL of fluid
Polystyrene	Advanced Laser Materials, LLC.	PS200	Polystyrene for sintering
Tracker			Video analysis and modeling tool
VariQuest 100 White Light Model 3-3700	FOTODYNE	3-3700	White light
Water			Distilled water