माइक्रो 3D नरम सामग्री यांत्रिकी के अध्ययन में एक डिजिटल प्रोजेक्टर और उसके आवेदन का उपयोग मुद्रण
Summary
हम अस्थिरता लोचदार सूजन जेल ट्यूबों के नियंत्रित पैटर्न परिवर्तन प्रदर्शित करता है. एक सरल प्रक्षेपण सूक्ष्म स्टीरियो लिथोग्राफी सेटअप एक बंद शेल्फ डिजिटल डेटा प्रोजेक्टर का उपयोग परत दर परत एक फैशन में तीन आयामी polymeric संरचनाओं के निर्माण के लिए बनाया गया है. यांत्रिक बाधा के तहत hydrogel ट्यूबों सूजन विभिन्न घैरा buckling आयाम पर निर्भर करता मोड प्रदर्शित करते हैं.
Abstract
Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new attention as a unique mechanism for pattern transformation. Nature is full of such examples where a wealth of exotic patterns are formed through mechanical instability2-5. Inspired by this elegant mechanism, many studies have demonstrated creation and transformation of patterns using soft materials such as elastomers and hydrogels6-11. Swelling gels are of particular interest because they can spontaneously trigger mechanical instability to create various patterns without the need of external force6-10. Recently, we have reported demonstration of full control over buckling pattern of micro-scaled tubular gels using projection micro-stereolithography (PμSL), a three-dimensional (3D) manufacturing technology capable of rapidly converting computer generated 3D models into physical objects at high resolution12,13. Here we present a simple method to build up a simplified PμSL system using a commercially available digital data projector to study swelling-induced buckling instability for controlled pattern transformation.
A simple desktop 3D printer is built using an off-the-shelf digital data projector and simple optical components such as a convex lens and a mirror14. Cross-sectional images extracted from a 3D solid model is projected on the photosensitive resin surface in sequence, polymerizing liquid resin into a desired 3D solid structure in a layer-by-layer fashion. Even with this simple configuration and easy process, arbitrary 3D objects can be readily fabricated with sub-100 μm resolution.
This desktop 3D printer holds potential in the study of soft material mechanics by offering a great opportunity to explore various 3D geometries. We use this system to fabricate tubular shaped hydrogel structure with different dimensions. Fixed on the bottom to the substrate, the tubular gel develops inhomogeneous stress during swelling, which gives rise to buckling instability. Various wavy patterns appear along the circumference of the tube when the gel structures undergo buckling. Experiment shows that circumferential buckling of desired mode can be created in a controlled manner. Pattern transformation of three-dimensionally structured tubular gels has significant implication not only in mechanics and material science, but also in many other emerging fields such as tunable matamaterials.
Protocol
Representative Results
Discussion
ट्यूबलर सब्सट्रेट पर विवश hydrogel की सूजन, टी / h और मोड buckling घंटे / 12 डी पर ही निर्भर करता है स्थिरता पर ही निर्भर करता है. नमूने के चार समूहों (मैं-IV) सामान्यीकृत मोटाई टी / ज के विभिन्न स्तरों के साथ, मैं मोटा जा रहा है और समूह चतुर्थ अधिक पतला किया जा रहा समूह के साथ गढ़े गए थे. प्रत्येक समूह सामान्यीकृत ऊंचाई / एच डी के विभिन्न स्तरों के साथ चार (i-IV) नमूना मैं छोटा जा रहा है और नमूना iv लम्बे जा रहा है के साथ, नमूने के होते हैं. आयाम गढ़े नमूनों की तालिका 1 में प्रस्तुत कर रहे हैं. समूह मैं और द्वितीय सूजन के दौरान स्थिर रहने के लिए तैयार कर रहे हैं, जबकि समूह तृतीय और चतुर्थ बकसुआ और सूजन पर बदलने के लिए डिज़ाइन कर रहे हैं. Buckling Bucklin, नमूने लिएछ मोड नमूना ऊंचाई के साथ कम चित्रा 3A प्रयोगात्मक परिणाम से पता चलता है. चाहिए. जैसा कि सिद्धांत भविष्यवाणी, समूह मैं और द्वितीय में नमूने स्थिर थे और सूजन पर परिपत्र बने रहे, जबकि समूह तृतीय और चतुर्थ में नमूने सभी लोचदार अस्थिरता के माध्यम से चला गया और पकड़े बैठा रहता. इसके अलावा, एक ही घंटे / डी के साथ नमूने इसी तरह buckling मोड प्रदर्शित चित्रा 3B समूह तृतीय और चतुर्थ में सैद्धांतिक भविष्यवाणी वाले नमूनों के प्रयोगात्मक मनाया buckling मोड तुलना. हम एक ही घंटे / डी के साथ कि नमूने देख मोटाई की परवाह किए बिना एक ही पैटर्न के बाद buckling ढोंग कर सकते हैं और कि प्रयोगात्मक परिणामों के सिद्धांत के साथ अच्छी तरह से सहमत हूँ.
हम पेश कैसे एक सरल डेस्कटॉप 3 डी मुद्रण एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध डिजिटल डेटा प्रोजेक्टर का उपयोग कर प्रणाली का निर्माण करने के लिए. प्रस्तावित दृष्टिकोण बहुलक का चुनाव photocuring पर निर्भर करता है3 डी संरचनाओं struct, और इसलिए, किसी भी photocurable पॉलिमर सामान्य रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जहाँ तक photoinitiator दिखाई तरंगदैर्य रेंज में उपयुक्त absorbance है. ध्यान दें कि कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध photoinitiators अल्ट्रा वायलेट (यूवी) तरंग दैर्ध्य के लिए तैयार कर रहे हैं, लेकिन यहां इस्तेमाल किया photoinitiator अब से 400 एनएम तरंगदैर्य पर अपेक्षाकृत उच्च absorbance है. 3 डी वस्तुओं के निर्माण के लिए एक आसान और तेजी से करने के लिए जिस तरह से इस विधि के रूप में यहाँ का प्रदर्शन नरम सामग्री यांत्रिकी सहित विभिन्न क्षेत्रों में कई आवेदन मिल जाएगा.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों के लिए Champaign-Urbana में इलिनोइस विश्वविद्यालय में 3 डी चित्रा 1D में दिखाया संरचनाओं के लिए पार के अनुभागीय छवियों को उपलब्ध कराने के के लिए यूसुफ Muskin और मैथ्यू Ragusa धन्यवाद देना चाहूंगा.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 437441 | Mw~575 |
| Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | P3015 | Mw~200 |
| phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide | Sigma-Aldrich | 511447 | Photo-initiator |
| Sudan I | Sigma-Aldrich | 103624 | Photo-absorber |
| Digital data projector | Viewsonic | PJD6221 | |
| Convex lens | Thorlabs | LA1145 | f = 75.0 mm |
| Mirror | 4″ silicon wafer | ||
| Manual stage | Velmex | A2506DE-S2.5 |
Referências
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