This work was supported by the NSF (CMMI-1351370).

מסכות עיצוב 1. לייצור של תשתית תורמות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה עם גיאומטריה רצויה. לפברק 100 x 100 מיקרומטר יחידות בודדות מיקרומטר מרובעים סיליקון, לצייר מערך של 100 מיקרומטר x 100 מיקרומטר ריבועים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה שנייה עם גיאומטריה זהה, כאשר כל צד הארכה החוצה 15 מיקרומטר נוסף. למערך של 100 מיקרומטר x 100 מיקרומטר ריבועים, לצייר מערך של 130 מיקרומטר x 130 מיקרומטר ריבועים שיכולים לכסות את הריבועים בשלב 1.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב הגיאומטריה העוגן. לצייר ארבעה 20 מיקרומטר x 40 מיקרומטר מלבנים, כל אחד מרוכז לאורך קצה אחד של כיכר. הנח את המבנים כך ש15 מיקרומטר הראשון מכסה את 100 מיקרומטר המקורי x 100 מיקרומטר המרובע בשלב 1.1 ו25 מיקרומטר שנותר משתרע כלפי חוץ (כפי שמוצג באיור 2). הערה: כל צורה וממדים יכולים לשמש עוד אנשי הקשר העוגן גם את החומר בדוגמת ואת המצע. קצה אחד של עוגן זה מכסה את המקורהגיאומטריה אל בשלב 1.1 ואת הקצה השני צריכה להרחיב את הגיאומטריה בשלב 1.2. </li></ol> 2. הכן תשתית תורמות לשחזור <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן סיליקון מסומם מסוג p ברקיק מבודד (SOI) בעובי של 3 מיקרומטר מכשיר שכבה, עם התנגדות גיליון של 1-20 עובי שכבת תחמוצת סנטימטר • Ω וקופסא של 1 מיקרומטר. הערה: ליישומים שונים ניתן לשנות פרמטרים אלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר העבה) ולצרף את המסכה שנועדה בשלב 1.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש בתחריט יון תגובה (ורי) מכשיר, דפוס שכבת המכשיר של פרוסות סיליקון SOI ולהסיר מסיכת photoresist. לאחר שלב זה, האזור חרוט רי חשף את שכבת תחמוצת התיבה (איור 2 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) דפוס ועם מסכה שנועדה בשלב 1.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחממים את פרוסות ב125 מעלות צלזיוס במשך 90 שניות על פלטה חשמלית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את פרוסות לתוךHF 49% ל50 שניות כדי לחרוט את שכבת תחמוצת התיבה נחשפה מצעד 2.3. לאחר ייבוש מוחלט, הסר את photoresist המיסוך (איור 2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) ודפוס עיצוב העיגון משלב 1.3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחממים את פרוסות ב125 מעלות צלזיוס במשך 90 שניות על פלטה חשמלית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול לתוך HF 49% ל50 דקות. צעד זה etches שכבת תחמוצת התיבה שנותרה מתחת לסיליקון שכבת מכשיר בדוגמת שנותר, וכתוצאה מיחידות בודדות סיליקון תלויים על photoresist (איור 2 ג). </li></ol> 3. מסכות עיצוב לבול microtip <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה עם 100 מיקרומטר אחד x 100 מיקרומטר מרובע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיצוב מסכה עם מיקרומטר 12 x 12 מיקרומטר ריבועים מרובים בתוך אזור מיקרומטר x 100 100 מיקרומטר. </li></ol> 4. להפוך את התבנית לבול microtip <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לנקות את פרוסות סיליקון עם אורינטצית גבישים של &lt;1-0-0&gt;, Depoלשבת של סיליקון ניטריד 100 ננומטר באמצעות פלזמה משופרת כימית החמקן הפקדת ציוד (PECVD). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> photoresist מעיל ספין (AZ5214, 3,000 סל&quot;ד במשך 30 שניות, 1.5 מיקרומטר עבה) דפוס ועם מסכה שנועדה בשלב 3.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תבנית שכבת סיליקון ניטריד באמצעות 10:01 נאגר אוקסיד etchant (BOE). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממיסים 80 גרם של אשלגן הידרוקסידי (KOH) ב170 מיליליטר של מים deionized ו40 מיליליטר של אלכוהול תערובת (IPA) כוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחממים את KOH, IPA, ותערובת מים על 80 מעלות צלזיוס על פלטה חשמלית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במאונך למקם את פרוסות מוכנות בכוס עם תערובת KOH כדי לחרוט הסיליקון החשוף במבנה הגבישי (שיעור תחריט הוא סביב 1 מיקרומטר / min). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר הסיליקון החשוף חקוק במלואם, להסיר את רקיק מתערובת KOH, לחרוט משם סיליקון ניטריד באמצעות HF, ולבצע RCA 1 וRCA 2 ניקיון (איור 3 א). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ספין מעיל עם SU-8 100 ודפוס עם המסיכה מוכנה משלב 3.1 עם המתכון הבא: 3,000 rבערב 1 דקות, לאפות רך על 65 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות ו95 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות, לחשוף עם 550 mJ / 2 סנטימטר, והודעה אופה בחום של 65 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות ו95 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות (איור 3B ). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר SU-8 100 הוא נרפא לחלוטין, להחיל monolayer של (octyl ,1,2,3-tetrahydro tridecafluoro-1)-1-trichlorosilane ידי הטלת 3-5 טיפות (tridecafluoro-1, 1,2,3 - tetrahydro octyl)-1-trichlorosilane לתוך צנצנת ואקום והצבת רקיק בצנצנת וליישם את הוואקום. </li></ol> 5. כפל בול microtip שימוש עובש <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים polydimethylsiloxane בסיס (PDMS) וסוכן ריפוי עם היחס של 5:1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דגה את התערובת על ידי הצבתו בתוך צנצנת ואקום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים חלק קטן מתערובת PDMS degassed על התבנית ולתת reflow PDMS כדי להשיג משטח עליון שטוח (איור 3 ג). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את התבנית עם PDMS בתנור ב C ° 70 לשעה 2 כדי לרפא לחלוטין PDMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את התבנית מןתנור ולקלף את PDMS (איור 3D). </li></ol> 6. אחזר דיו מהתשתית התורם והדפסה באזור היעד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מצע התורם על שלבים ממונעים סיבובי וx, y-תרגום מצויד במיקרוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף את חותמת microtip לבמת translational האנכי עצמאית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתחת למיקרוסקופ, ויישר את חותמת microtip עם דיו סי על מצע התורם באמצעות translational ושלבי סיבוב. יתר על כן, לעשות יישור ההטיה בין משטח microtip והדיו Si ידי התאמת שלב הטיה. לאחר מכן, להביא את חותמת microtip למטה כדי ליצור קשר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאט לאט מביא את חותמת microtip מטה נוסף לאחר יצירת קשר ראשוני, כך שטיפים קטנים התמוטטו באופן מלא והשטח כולו הוא במגע עם דיו סי על מצע תורם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במהירות להעלות את שלב z, לשבור את העוגנים בשל שטח מגע הגדול בין חותמת microtip והדיו Si, לretrieve דיו Si מן מצע התורם ולצרף אותו לחותמת microtip. הערה: כאשר חותמת microtip היא חופשית מכל לחץ, microtip הדחוס משחזר לצורת הפירמידה המקורית שלה, מה שהופך את קשר מינימאלי עם דיו Si מאוחזר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מצע המקלט על x, y-שלב תרגום וליישר את דיו Si אחזר תחת חותמת microtip במיקום הרצוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יורד בשלב z עד שדיו Si לאחזר בקושי יוצר קשר עם מצע המקלט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר יצירת קשר, להעלות לאט את שלב z כדי לשחרר את דיו Si, מדפיס אותו על המיקום הרצוי. </li></ol> 7. תהליך מליטה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תכנית תנור מהיר חישול תרמית למחזור מRT עד 950 מעלות צלזיוס ב90 שניות, תישאר ב950 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות ולקרר לRT (על ידי הסרת כל אספקת חום בתנור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מצע המקלט המודפס בכבשן בסביבת סביבת אוויר ולחשל ב950 °צלזיוס למשך 10 דקות למליטת Si-Si או ב-C ° 360 ל30 דקות למליטת Si-Au. </li></ol>

<ol>
	<li>Stix, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+&#8220;Point+one.">Toward &#8220;Point one.</a> Sci Am. Feb. , 90-95 (1995).</li><li>Appenzeler, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Man+Who+Dared+to+Think+Small.">The Man Who Dared to Think Small.</a> Science. 254, 1300-1301 (1991).</li><li>Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+Microfabrications+The+Science+of+Miniaturization.">Fundamentals of Microfabrications The Science of Miniaturization.</a> , (2002).</li><li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Lithography.">Soft Lithography.</a> Angew Chem Int Ed. 38, 551-575 (1998).</li><li>Judy, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microelectromechanical+systems+(MEMS)+fabrication,+design+and+applications.">Microelectromechanical systems (MEMS) fabrication, design and applications.</a> Smart Mater Struct. 10, 1134-1154 (2001).</li><li>Jain, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Micromanufacturing Process. , (2012).</li><li>Keum, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+micro-masonry+using+elastomeric+stamps+for+three-dimensional+microfabrication.">Silicon micro-masonry using elastomeric stamps for three-dimensional microfabrication.</a> J Micromech Microeng. 22, 55018 (2012).</li><li>Keum, H., Chung, H., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+Contact+at+The+Interface+between+Silicon+and+Transfer-Printed+Gold+Films+by+Eutectic+Joining.">Electrical Contact at The Interface between Silicon and Transfer-Printed Gold Films by Eutectic Joining.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 5, 6061 (2013).</li><li>Keum, H., Seong, M., Sinha, S., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatically+Driven+Collapsible+Au+Thin+Films+Assembled+Using+Transfer+Printing+for+Thermal+Switching.">Electrostatically Driven Collapsible Au Thin Films Assembled Using Transfer Printing for Thermal Switching.</a> Appl Phys Lett. 100, 211904 (2012).</li><li>Klaassen, E. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+and+deep+reactive+ion+etching:+a+new+technology+for+microstructures.">Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures.</a> Sens Actuators A. 52, 132-139 (1996).</li><li>Barth, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+for+fabrication+of+sensors+actuators+and+microstructures.">Silicon fusion bonding for fabrication of sensors actuators and microstructures.</a> Sens Actuators. A21 - A23, 919-926 (1990).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

מיקרו בנייה, מוצגת באיור 4, כרוך מליטה היתוך סיליקון בצעד מליטה חומר. המליטה היתוך הסיליקון מושגת על ידי הצבת הדוגמא בתנור חישול תרמית מהירה (תנור להרכבה עצמית) וחימום המדגם ב950 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. מצב חישול זה גם לאימוץ בין סי - סי וסי - SiO 2 המליטה <sup...

מערכות מייקרו (MEMS), כגון המזעור של מכונות 3D רגילות בקנה מידה גדולה, הם חיוניים לקידום טכנולוגיות מודרניות על ידי אספקת שיפורי ביצועים ו1,2 הפחתת עלות ייצור. עם זאת, בקצב הנוכחי של התקדמות טכנולוגית בMEMS לא יכול להישמר ללא חידושים מתמידים בטכנולוגיות ייצור 3-6. microfabrication מונוליטי הנפוץ מסתמך בעיקר על שכבה אחר שכבת תהליכים שפותחו עבור הייצור של מעגלים משולבים (IC). שיטה זו הייתה מוצלחת למדי הבמאפשר ייצור המוני של התקני MEMS ביצועים גבוהים. עם זאת, בשלה מורכב שכבה אחר שכבה וטבע אלקטרוכימי תוסף, ייצור של מבני 3D MEMS diversely בצורת והתקנים, ואילו קל בmacroworld, הוא מאוד מאתגר להשיג באמצעות microfabrication מונוליטי זה. כדי לאפשר microfabrication 3D גמיש יותר עם מורכבות פחות תהליך, אנחנו developed אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה &quot;מיקרו / ננו בנייה &#39;), אשר כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול. העברת הדפסה היא שיטה להעברת חומרים מוצקים microscale (כלומר, &#39;דיו מוצק&#39;) ממצע שבו הם נוצרו או גדלו מצע שונה באמצעות הדבקה יבשה מבוקרת של בולי אלסטומרי. ההליך האופייני למייקרו בנייה מתחיל עם העברת הדפסה. דיו מוצק טרומי הוא העברה המודפסת באמצעות חותמת microtip שהיא צורה מתקדמת של בולי אלסטומרי והמבנים המודפסים לאחר מכן הם annealed באמצעות חישול תרמית מהיר (להרכבה עצמית) כדי לשפר את דיו דיו והידבקות דיו מצע. גישת ייצור זה מאפשרת הבנייה של מבנים חריגים microscale ומכשירים שלא ניתן לאכלס באמצעות metho הקיים אחר7 DS. מיקרו בנייה מספקת מספר תכונות אטרקטיביות לא קיימים בשיטות אחרות: (א) את היכולת לשלב דיו מוצק תפקודי והמבני של חומרים שונים כדי להרכיב חיישני MEMS ומפעילה משולבים בתוך כל מבנה 3D; (ב) את הממשקים של דיו מוצק שנאסף יכולים לתפקד כמו מגעים חשמליים ותרמית 9,10; (ג) ברזולוציה מרחבית ההרכבה יכולה להיות גבוהה (~ 1 מיקרומטר) על ידי ניצול תהליכי יתוגרפיות הפערים מדרגי והבינו היטב ליצירת דיו מוצק ושלבים מכאניים מאוד מדויקים להעברת הדפסת 7; ו (ד) דיו מוצק תפקודי והמבני יכול להיות משולב בשני מצעים קשיחים וגמישים במישוריים או גיאומטריות עקומות.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="758">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:217px;">Name of Material / Equipment</td>
			<td style="width:97px;">Company</td>
			<td style="width:97px;"></td>
			<td style="width:347px;">Comments / Description</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Az 5214</td>
			<td>Clariant</td>
			<td></td>
			<td>1.5 mm thick photoresist</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Su8-100</td>
			<td>Microchem</td>
			<td></td>
			<td>100 mm Photoresist used in mold</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Sylgard 184</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td></td>
			<td>PDMS mixed to fabricate stamp</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Hydrofluoric Acid</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td></td>
			<td>Acid to etch silicon oxide layer</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Silicon on insulator</td>
			<td>Ultrasil</td>
			<td></td>
			<td>Donor substrate was fabricated</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">trichlorosilane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Chemical used to help pealing of PDMS from mold</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

micro-masonry for 3d additive micromanufacturing

העברת הדפסה היא שיטה להעברת חומרים מוצקים מיקרו / ננו (המכונים במסמך &quot;דיו&quot;) ממצע שבו הם נוצרו למצע שונה על ידי שימוש בבולי אלסטומרי. העברת הדפסה מאפשרת שילוב של חומרים הטרוגניים לפברק מערכות תפקודיות מבנים שאין דומים או שנמצאים במכשירים מתקדמים אחרונים, כגון תאים סולריים גמישים ומתיחים ומערכי LED. בעוד הדפסת העברה מפגינה תכונות ייחודיות ביכולת הרכבה חומר, השימוש בשכבות דבק או שינוי פני השטח כגון תצהיר של monolayer עצמית התאספו (SAM) על מצעים לשיפור תהליכי הדפסה מעכבת ההסתגלות רחבה שלה ברכבות מייקרו מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. כדי להתגבר על חסרון זה, פיתחנו מצב מתקדם של הדפסת ההעברה שdeterministically מרכיב אובייקטי microscale אדם אך ורק באמצעות שליטה בשטח מגע פני השטחללא כל שינוי פני השטח. היעדר שכבת דבק או שינוי אחר ותהליכי המליטה החומרים הבאים להבטיח מליטה מכאנית לא רק, אבל גם חיבור תרמי וחשמלי בין חומרים שנאספו, אשר פותח עוד יותר יישומים שונים בהסתגלות בבניית התקני MEMS יוצא דופן.

מיקרו-בנייה מאפשרת שילוב חומרים הטרוגניות כדי ליצור מבני MEMS, כי הם מאוד מאתגרים או בלתי אפשריים להשיג על ידי תהליכי microfabrication מונוליטי. כדי להמחיש את היכולת שלו, מבנה (שנקרא &#39;קומקום מיקרו &quot;) הוא מפוברק אך ורק באמצעות מיקרו-בנייה. איור 4A הוא תמונת מיקרוסקופ ...

Watch this Scientific Journal Video about Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing at JoVE.com

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

נייר זה מציג אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה &quot;מיקרו בנייה&quot;) עבור הייצור גמיש של מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. גישה זו כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול.

מיקרו בנייה לMicromanufacturing 3D תוסף

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

micro-masonry-for-3d-additive-micromanufacturing

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Engineering

Unit 1

Masonry

SCIENTISTS IN ACTION

10.3K Views.  University of Illinois at Urbana-Champaign.  נייר זה מציג אסטרטגית 3D תוסף micromanufacturing (שמכונה "מיקרו בנייה") עבור הייצור גמיש של מערכת מייקר מבנים (MEMS) והתקנים. גישה זו כרוכה בהרכבה המבוסס על דפוס העברה של חומרי מיקרו / ננו בשילוב עם טכניקות מליטה חומרים מהירים תרמית המאפשר חישול. 

Video: Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה, הדמיה וידאו תלת ממדית עם טכניקות הקרנה הדיגיטלי פרינג&#39;

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing applications.&#160; For predictive simulations, it has become increasingly important to be able to model the structure of nanohelices accurately.&#160; To study the effect of local structure on the properties of these complex geometries one must develop realistic models.&#160; To date, software packages are rather limited in creating atomistic helical models.&#160; This work focuses on producing atomistic models of silica glass (SiO2) nanoribbons and nanosprings for molecular dynamics (MD) simulations. Using an MD model of &#8220;bulk&#8221; silica glass, two computational procedures to precisely create the shape of nanoribbons and nanosprings are presented.&#160; The first method employs the AWK programming language and open-source software to effectively carve various shapes of silica nanoribbons from the initial bulk model, using desired dimensions and parametric equations to define a helix.&#160; With this method, accurate atomistic silica nanoribbons can be generated for a range of pitch values and dimensions.&#160; The second method involves a more robust code which allows flexibility in modeling nanohelical structures.&#160; This approach utilizes a C++ code particularly written to implement pre-screening methods as well as the mathematical equations for a helix, resulting in greater precision and efficiency when creating nanospring models.&#160; Using these codes, well-defined and scalable nanoribbons and nanosprings suited for atomistic simulations can be effectively created.&#160; An added value in both open-source codes is that they can be adapted to reproduce different helical structures, independent of material.&#160; In addition, a MATLAB graphical user interface (GUI) is used to enhance learning through visualization and interaction for a general user with the atomistic helical structures.&#160; One application of these methods is the recent study of nanohelices via MD simulations for mechanical energy harvesting purposes.

Accurate modeling of nanohelical structures is important for predictive simulation studies leading to novel nanotechnology applications.&#160; Currently, software packages and codes are limited in creating atomistic helical models.&#160; We present two procedures designed to create atomistic nanohelical models for simulations, and a graphical interface to enhance research through visualization.

Nanohelices להרחבה עבור חיזוי מחקרים ויזואליזציה 3D משופר

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing ...

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials science, biology, chemistry and physics among many others. A new computational system for the accurate and fast simulation and 3D/VR visualization of nanostructures is presented here, using the open-source molecular dynamics (MD) computer program LAMMPS. This alternative computational method uses modern graphics processors, NVIDIA CUDA technology and specialized scientific codes to overcome processing speed barriers common to traditional computing methods. In conjunction with a virtual reality system used to model materials, this enhancement allows the addition of accelerated MD simulation capability. The motivation is to provide a novel research environment which simultaneously allows visualization, simulation, modeling and analysis. The research goal is to investigate the structure and properties of inorganic nanostructures (e.g., silica glass nanosprings) under different conditions using this innovative computational system. The work presented outlines a description of the 3D/VR Visualization System and basic components, an overview of important considerations such as the physical environment, details on the setup and use of the novel system, a general procedure for the accelerated MD enhancement, technical information, and relevant remarks. The impact of this work is the creation of a unique computational system combining nanoscale materials simulation, visualization and interactivity in a virtual environment, which is both a research and teaching instrument at UC Merced.

A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.

רומן 3D / VR הסביבה אינטראקטיבית לMD סימולציות, ויזואליזציה וניתוח

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial resolution, and is even capable of providing atomically resolved elemental maps. In this technique, a highly focused electron beam is incident upon a thin sample and the energy of emitted X-rays is measured in order to determine the atomic species of material within the beam path. This elementally sensitive spectroscopy technique can be extended to three dimensional tomographic imaging by acquiring multiple spectrum images with the sample tilted along an axis perpendicular to the electron beam direction.
Elemental distributions within single nanoparticles are often important for determining their optical, catalytic and magnetic properties. Techniques such as X-ray tomography and slice and view energy dispersive X-ray mapping in the scanning electron microscope provide elementally sensitive three dimensional imaging but are typically limited to spatial resolutions of &gt; 20 nm. Atom probe tomography provides near atomic resolution but preparing nanoparticle samples for atom probe analysis is often challenging. Thus, elementally sensitive techniques applied within the scanning transmission electron microscope are uniquely placed to study elemental distributions within nanoparticles of dimensions 10-100 nm.
Here, energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy within the STEM is applied to investigate the distribution of elements in single AgAu nanoparticles. The surface segregation of both Ag and Au, at different nanoparticle compositions, has been observed.

The use of energy dispersive X-ray tomography in the scanning transmission electron microscope to characterize elemental distributions within single nanoparticles in three dimensions is described.

Dispersive אנרגיה טומוגרפיית רנטגן עבור מיפוי 3D היסודות של חלקיקים בודדים

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.

Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.

3D הדפסה של מודלים Biomolecular למחקר פדגוגיה

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

A 3D-printed Chamber for Organic Optoelectronic Device Degradation Testing

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, using 3D-printing. As these types of devices are sensitive to moisture and oxygen, such a chamber can aid researchers in characterizing the electronic and stability properties. The chamber is intended to be used as a temporary, reusable, and stable environment with controlled properties (including humidity, gas introduction, and temperature). It can be used to protect air-sensitive materials or to expose them to contaminants in a controlled way for degradation studies. To characterize the properties of the chamber, we outline a simple procedure to determine the water vapor transmission rate (WVTR) using relative humidity as measured by a standard humidity sensor. This standard operating procedure, using a 50% infill density of polylactic acid (PLA), results in a chamber that can be used for weeks without any significant loss of device properties. The versatility and ease of use of the chamber allows it to be adapted to any characterization condition that requires a compact-controlled atmosphere.

Here, we present a protocol for the design, manufacture, and use of a simple, versatile 3D-printed and controlled atmospheric chamber for the optical and electrical characterization of air-sensitive organic optoelectronic devices.

תא מודפס 3D עבור התקן מעגל אורגני השפלה בדיקות

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, ...

Multi-material Ceramic-Based Components &#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three dimensions for the geometry and one degree of freedom concerning the material properties at each position) the Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) was developed. It is a direct AM technology which allows the AM of multi-material components. To demonstrate the advantages of this technology black-and-white zirconia components were additively manufactured and co-sintered defect-free.
Two different pairs of black and white zirconia powders were used to prepare different thermoplastic suspensions. Appropriate dispensing parameters were investigated to manufacture single-material test components and adjusted for the additive manufacturing of multi-color zirconia components.

Multi-material Ceramic-Based Components &amp;#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

Here we describe a protocol for additively manufacturing black-and-white zirconia components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) and co-sintering defect-free.

הרכיבים מבוססי קרמיקה חומר רב – כתוסף בייצור מרכיבים אסתטיים בשחור-לבן על-ידי הדפסת תלת-ממד תרמופלסטיים (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three ...

Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light processing/stereolithography, is developed within the scope of the CerAMfacturing European research project. A three-dimensional (3-D) hemi-maxillary bone-like structure is 3-D printed using custom aluminum oxide polymeric mixtures. The powders and mixtures are fully analyzed in terms of rheological behavior in order to ensure proper material handling during the printing process. The possibility to print functionally graded materials using the Admaflex technology is explained in this document. Field-emission scanning electron microscopy (FESEM) show that the sintered aluminum oxide ceramic part has a porosity lower than 1% and no remainder of the original layered structure is found after analysis.

This manuscript describes the processing of single multifunctional ceramic components (e.g., combinations of dense-porous structures) additively manufactured by stereolithography.

כתוסף בייצור חומרי קרמיקה פונקציונלית מדורגת על ידי Stereolithography

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light ...

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with slopes of up to 84&#176;. The manufacturing method is valid for the fast pneunet bending actuators in general and might, therefore, be interesting for newcomers to the field of actuator manufacturing. The control of the robot is achieved by means of a pneumatic control box that can provide arbitrary pressures and can be built by only using purchased components, a laser cutter, and a soldering iron. For the walking performance of the robot, the pressure-angle calibration plays a crucial role. Therefore, a semi-automated method for the pressure-angle calibration is presented. At high inclines (&#62; 70&#176;), the robot can no longer reliably fix itself to the walking plane. Therefore, the gait pattern is modified to ensure that the feet can be fixed on the walking plane.

This protocol provides a detailed list of steps to be performed for the manufacturing, control and evaluation of the climbing performance of a gecko-inspired soft robot.

ייצור, בקרה והערכת ביצועים של רובוט רך בהשראת שממית

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...