Бережливая техника визуализации капиллярного потока через трехмерные полимерные печатные порошки
Summary
Предлагаемый метод обеспечит новый, эффективный, бережливый и неинвазивный подход к визуализации текучего потока через упакованный слой порошка, что дает высокое пространственное и временное разрешение.
Abstract
Разработка новых методов визуализации молекулярного и коллоидного транспорта, включая наночастицы, является областью активных исследований в микрофлюидных и миллифлюидных исследованиях. С появлением трехмерной (3D) печати появилась новая область материалов, тем самым увеличивая спрос на новые полимеры. В частности, полимерные порошки со средним размером частиц порядка микрона вызывают растущий интерес со стороны академических и промышленных сообществ. Контроль перенастраиваемости материала на мезоскопическом и микроскопическом масштабах длины создает возможности для разработки инновационных материалов, таких как градиентные материалы. В последнее время потребность в полимерных порошках микронного размера растет, поскольку развиваются четкие применения материала. Трехмерная печать обеспечивает высокопроизводительный процесс с прямой связью с новыми приложениями, стимулируя исследования физико-химических и транспортных взаимодействий на мезомасштабе. Протокол, который обсуждается в этой статье, предоставляет неинвазивный метод для изображения потока жидкости в упакованных порошковых слоях, обеспечивая высокое временное и пространственное разрешение при использовании мобильных технологий, которые легко доступны с мобильных устройств, таких как смартфоны. При использовании общего мобильного устройства затраты на визуализацию, которые обычно связаны с оптическим микроскопом, устраняются, что приводит к экономному научному подходу. Предложенный протокол успешно охарактеризовал различные комбинации жидкостей и порошков, создав диагностическую платформу для быстрой визуализации и определения оптимальной комбинации жидкости и порошка.
Introduction
Струйная струйная струя связующего в порошковую среду представляет собой важную технологию в аддитивном производстве (3D-печать). Процесс струйной печати связующего начинается с осаждения функциональных жидкостей в порошковые среды с использованием процесса сканирующей струйной печати. В частности, струйная печатающая головка транслирует по поверхности порошка, нанося жидкий связующий агент на поверхность порошка и тем самым образуя твердую часть послойно1. Технологии струйного связующего на основе струйной печати обычно включают песок, металлические порошки и полимерные порошки. Однако для расширения пространства материалов в струйной обработке связующего требуется фундаментальный подход к исследованию взаимодействия жидкости с порошком и порошком и порошком и порошком, трибологии, плотности упаковки порошка и агрегации частиц. В частности, для взаимодействия жидкости и порошка существует критическая потребность в возможности изображения потока жидкости через порошковые слои в режиме реального времени. Это обещает стать мощным инструментом для исследователей, чтобы включить в качестве метода характеристики и, возможно, в качестве метода скрининга для различных комбинаций жидкостей и порошков 2,3,4, а также более сложных систем, таких как конкретные системы 3D-печати, которые используют методы слоя частиц.
Разработка новых методов визуализации молекулярного и коллоидного транспорта, включая наночастицы, является активной областью исследований в микрофлюидных и миллифлюидных исследованиях. Зондирование межмолекулярных взаимодействий с помощью методов визуализации может быть сложной задачей, поскольку было проделано мало работы по исследованию этих типов взаимодействий в условиях ненасыщенного и нестационарного потока жидкости. Многие из исследований, о которых сообщается в литературе, были сосредоточены на насыщенных, предварительно смаченных, пористых средах, таких как стеклянные шарики 5,6,7,8,9,10,11,12 и почвы 13,14,15,16,17,18 . Этот метод обеспечивает неинвазивный подход, что приводит к высокому временному и пространственному разрешению 2,3,4,19. Кроме того, разработанный метод обеспечивает новый метод характеристики и количественной оценки переноса частиц в нано- и микронном масштабе в различных пористых средах, уделяя особое внимание полимерным порошкам.
Предлагаемый метод использует мобильное устройство для регистрации ненасыщенного, нестационарного переноса жидкости через пористые полимерные среды с размерами частиц, которые являются репрезентативными для порошков, используемых в системах 3D-печати, в которых используются технологии плавления с псевдоожиженным порошковым слоем. Этот метод выгоден, поскольку проточные ячейки являются экономически эффективными, многоразовыми, маленькими и легко обрабатываемыми, иллюстрируя доминирующие аспекты бережливой науки. Возможность реализовать эти простые эксперименты в полевом исследовании очень проста, устраняя осложнения, стоимость и время, которые требуются для оптической микроскопии. Учитывая простоту создания установки, доступ к быстрым результатам и минимальное количество требований к образцам, этот метод является оптимальной платформой для диагностического скрининга.
Protocol
Representative Results
Discussion
Предоставляемый протокол сильно зависит от материальных характеристик выбранных частиц. Свойства материала, влияющие на поток, включают распределение частиц по размерам 2,3,4,5,11,21, шероховатость поверхности частиц <sup class="xre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Никакой.
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 |
References
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. . The 3D Printing Handbook. , (2018).
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418 Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021)
- . Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152 Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021)
- Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021)
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021)
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. . Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , (2019).
- . 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022)
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
