Yazarlar Şekil 1D gösterilen 3D yapılar için kesitsel görüntüler sağlamak için Urbana-Champaign Illinois Üniversitesi Joseph Muskin ve Matthew Ragusa teşekkür etmek istiyorum.

1. Prepolymer Çözüm hazırlanması <ol><li> Karışım poli (etilen glikol) diakrilat (PEG-DA) (ortalama molekül ağırlığı ~ 575, Sigma-Aldrich) ve 1:2 ağırlık oranında poli (etilen glikol) (PEG), (ortalama molekül ağırlığı ~ 200, Sigma-Aldrich). </li><li> % 0.67 wt ekleyin. Foto-başlatıcı (Phenylbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfin oksit, Sigma-Aldrich). Çözümü bu noktada gelen karanlık bir ortamda muhafaza edilmelidir. </li><li> % 0.05 wt ekleyin. foto-emici (Sudan I, Sigma-Aldrich). </li><li> Bir manyetik karıştırıcı kullanılarak oda sıcaklığında 24 saat boyunca çözelti karıştırılır. </li></ol> 2. Dijital Data Projektör Kullanarak Masaüstü 3D Yazıcı Kurma <ol><li> Düz ve sabit bir konumda bir dijital veri projektörü yerleştirin ve Microsoft PowerPoint yüklü bir bilgisayara bağlayın. </li><li> Dijital projektör ışını çıkış objektifin önünde bir dışbükey lens sağ yerleştirin. Yanlısı yaklaşık 10 cm uzakta odak düzlemi yapmak için bir dışbükey lens seçinprojektörün. (Optik çözünürlük kısa odak uzunluğu, ancak optik bileşenleri için biraz boşluk ayırtmak için bir ihtiyaç olan bir lens için küçülür.) </li><li> Düz aşağı ışını yönlendirmek için 45 ° &#39;lik açıyla ışın yolu üzerinde dışbükey lens sonra bir ayna yerleştirin. </li><li> Yansıtılan ışının odak düzlemi bir numune tutucu yerleştirin. Numune tutucu numune tutucusunun dikey konumunu kontrol edildiği bir doğrusal aşama eklenmesi gerekmektedir. </li><li> Numune tutucu altına bir reçine banyosu yerleştirin. </li></ol> 3. Jel Tüpler Tasarım ve İmalat <ol><li> Çapı, duvar kalınlığı ve imal edilmesi için jel tüp yüksekliği belirler. </li><li> Jel tüp için kesitsel görüntüler çizin. Görüntüler siyah arka plan ile beyaz olmalıdır. Microsoft PowerPoint slaytları bu görüntüyü yerleştirin. </li><li> Microsoft PowerPoint&#39;te slayt gösterisi başlatın ve herhangi bir görüntü yansıtabilir. Att kullanarak dikey konumunu ayarlayarak odak düzlemi de numune tutucu yerleştirinsahne ağrıyordu. </li><li> Prepolimer çözüm koyarken hiç istenmeyen polimerizasyon olacak, böylece bir &quot;kukla&quot; siyah görüntü geçin. </li><li> Reçine banyosuna prepolimer çözüm dökün. Çözümü biraz numune tutucu örtecek banyo doldurun. Şimdi baskı 3B nesne için hazır hale gelir. </li><li> Birinci tabaka polimerize etmek jel tüpün birinci kesit görüntüsü içeren slaytı geçin. 8 sn için görüntü yansıtırken tutun ve &quot;karartma&quot; slayt geri dönün. </li><li> ¼ dönüş tarafından lineer sahnede düğmeyi çevirin numune tutucu düşürmek için (~ 160 mikron). Şimdi taze reçine polimerize ilk katman kapsayacak şekilde akar. </li><li> Işlem bir üst tabaka ikinci polimerleştirmek için tekrar kesitsel görüntüsü yansıtılır. İstenilen yükseklik jel tüp fabrikasyon kadar tekrarlayın 3,6-3,8 adımları. </li><li> Tüm katmanları tamamlandıktan sonra, bir ustura blad kullanılarak dikkatlice fabrikasyon örnek prepolimer çözüm numune tutucu dışarı kaldırın ve almake. </li><li> ~ 3 saat için aseton içinde örnek durulayın ve daha sonra ~ 1 saat boyunca kurumaya bırakılır. </li></ol> 4. Elastik İstikrarsızlık tarafından Öngörülen Desen Oluşumu için Deneme şişmesi <ol><li> Saydam bir cam tabak içinde su-yağ çift katmanlı sıvı hazırlayın. </li><li> Süper yapıştırıcı kullanarak bir örnek tutucu üzerindeki kuru numune takın. </li><li> Örnek ters böylece numune tutucu çevirir. Su-yağ sıvı banyosunda örnek daldırın. Yağ tabaka su-yağ arabirimi örnek Yaklaşım. Örnek jel tüpü sabit edildiği baz tabaka kısım üst tabaka yağ kaldı ise numune su yüzeyine temas ettiğinde şişmeye başlar. Bu şekilde, su kısıtlayıcı baz ıslatma rahatlatır önce numune şişmesine izin tüp duvarı içine nüfuz edebilir. Bir dijital kamera kullanıyorsanız jel tüpü şişer olarak desen değişimi izleyin. </li></ol>

<ol>
	<li>Timoshenko, S. P., Gere, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Theory of Elastic Stability. , (1961).</li><li>Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Leaves+Flowers+and+Garbage+Bags:+Making+Waves.">Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves.</a> American Scientist. 92, 254-261 (2004).</li><li>K&#252;cken, M., Newell, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fingerprint+formation.">Fingerprint formation.</a> Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).</li><li>Liang, H., Mahadevan, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+shape+of+a+long+leaf.">The shape of a long leaf.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).</li><li>Bayer, S. A., Altman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The human brain during the second trimester. , (2005).</li><li>Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creasing+instability+of+surface-attached+hydrogels.">Creasing instability of surface-attached hydrogels.</a> Soft Matter. 4, 564 (2008).</li><li>Breid, D., Crosby, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+stress+state+on+wrinkle+morphology.">Effect of stress state on wrinkle morphology.</a> Soft Matter. 7, 4490 (2011).</li><li>Mora, T., Boudaoud, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buckling+of+swelling+gels.">Buckling of swelling gels.</a> The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).</li><li>DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Swelling-induced+instabilities+in+microscale,+surface-confined+poly(N-isopropylacryamide)+hydrogels.">Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels.</a> Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).</li><li>Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -. A., Ben Amar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape+Transition+in+Artificial+Tumors:+From+Smooth+Buckles+to+Singular+Creases.">Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases.</a> Physical Review Letters. 107, 018103 (2011).</li><li>Jang, J. -. H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+Pattern+Instability+and+Shape-Memory+Hysteresis+for+Phononic+Switching.">Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching.</a> Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).</li><li>Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prescribed+Pattern+Transformation+in+Swelling+Gel+Tubes+by+Elastic+Instability.">Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability.</a> Physical Review Letters. 108, 214304 (2012).</li><li>Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Projection+micro-stereolithography+using+digital+micro-mirror+dynamic+mask.">Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).</li><li>Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-Dimensional+Printing+Using+a+Photoinitiated+Polymer.">Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer.</a> Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).</li></ol>

Çıkar çatışması ilan etti.

Yüzeydeki kısıtlı tübüler hidrojel şişmesi, istikrar sadece t / h ve mod burkulma sadece h / D 12 bağlıdır bağlıdır. Normalize kalınlığı t / h farklı düzeylerde ile numunelerin dört grup (I-IV) grup I kalın olmak ve grup IV daha ince olması ile, fabrikasyon edildi. Her grup numune i kısa ve örnek iv boylu olmanın olmanın normalize yüksekliği h / D farklı düzeylerde dört örnekler (i-iv) oluşur. Fabrikasyon örneklerinin boyutları Tablo 1 &#39;de gösterilmiştir. Grup III ve IV toka ve şişlik üzerine dönüştürmek için tasarlanmış ise Grup I ve II, şişme sırasında sabit kalacak şekilde tasarlanmıştır. Burkulma örnekleri, Bucklin içing modunda örnek yüksekliği ile düşmelidir. Şekil 3A deney sonucunu göstermektedir. Teorisinin öngördüğü gibi, grup I ve II&#39;de örnekleri stabil, grup III ve IV örnekleri bütün elastik kararsızlığı geçti ve buckled ise, şişme dairesel kalmıştır. Ayrıca, aynı h / D ile numuneler benzer burkulma modu gösterilir. Şekil 3B teorik öngörü ile grup III ve IV numunelerin deneysel olarak gözlenen burkulma modları karşılaştırır. Biz aynı h / D ile örnekleri görmek bakılmaksızın kalınlığı aynı post-burkulma desen poz ve deneysel sonuçlar teorisi ile de görüşebilirsiniz. Biz piyasada bulunan dijital veri projektörü kullanarak basit bir masaüstü 3D baskı sistemi kurmak için nasıl sunmak. Önerilen yaklaşım con polimer photocuring dayanır3 boyutlu yapısına bir yapı ve bu nedenle, herhangi bir photocurable polimerler de kadar foto başlatıcı görünür dalga boyu aralığı içinde uygun absorbansı gibi, genel olarak kullanılabilir. Birçok ticari fotobaşlatıcılardan ultra viyole (UV) dalga boyu için tasarlanmış olduğunu unutmayın, ancak burada kullanılan photoinitiator 400 nm&#39;den daha uzun dalga boylarında nispeten yüksek absorbans sahiptir. 3D nesneler imal etmek kolay ve hızlı bir şekilde sunan, bu yöntemi burada gösterildiği gibi yumuşak malzemeler mekaniği olmak üzere çeşitli alanlarda birçok uygulama bulabilirsiniz.

<table border="1"><tbody><tr><td> Reaktif Adı </td><td> Şirket </td><td> Katalog numarası </td><td> Yorumlar (isteğe bağlı) </td></tr><tr><td> Poli (etilen glikol) diakrilat </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 437441 </td><td> Mw ~ 575 </td></tr><tr><td> Poli (etilen glikol) </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> P3015 </td><td> Mw 200 ~ </td></tr><tr><td> phenylbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfin oksit </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 511447 </td><td> Foto-başlatıcı </td></tr><tr><td> Sudan I </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 103624 </td><td> Foto-emici </td></tr><tr><td> Dijital veri projektörü </td><td> Viewsonic </td><td> PJD6221 </td><td></td></tr><tr><td> Konveks objektif </td><td> Thorlabs </td><td> LA1145 </td><td> f = 75.0 mm </td></tr><tr><td> Mirrveya </td><td></td><td></td><td> 4 &quot;silikon gofret </td></tr><tr><td> Manuel sahne </td><td> Velmex </td><td> A2506DE-S2.5 </td><td></td></tr></tbody></table>

micro 3d printing using a digital projector and its application in the study of soft materials mechanics

Burkulma mekaniği klasik bir konudur. Burkulma uzun büyük yapısal göçme modları 1 biri olarak çalışılmış olsa da, son zamanlarda model dönüşümü için benzersiz bir mekanizma olarak yeni bir dikkat çekmiştir. Egzotik desen zenginliği mekanik instabilite 2-5 yoluyla oluştuğu yer Doğa tür örneklerle doludur. Bu zarif mekanizması esinlenerek, birçok çalışma gibi elastomer ve hidrojeller 6-11 gibi yumuşak malzemeler kullanılarak desen oluşturma ve dönüşüm göstermiştir. Kendiliğinden dış kuvvet 6-10 gerek kalmadan çeşitli desenleri oluşturmak için mekanik instabilite tetikleyebilir çünkü şişme jeller özellikle ilgisini çekmektedir. Son zamanlarda, biz projeksiyon mikro-stereolitografi (PμSL), hızlı bilgisayar oluşturulan 3D modeller i dönüştürme yeteneğine sahip bir üç boyutlu (3D) üretim teknolojisini kullanarak mikro ölçekli tübüler jellerin desen burkulma üzerinde tam kontrol gösterilmesi bildirdinyüksek çözünürlüklü 12,13 azından nto fiziksel nesneler. Burada kontrollü model dönüşümü için şişme indüklenen burkulma istikrarsızlık okumak için piyasada bulunan dijital veri projektörü ile basitleştirilmiş PμSL sistemi kurmak için basit bir yöntem sunar. Basit bir masaüstü 3D yazıcı bir off-the-raf dijital veri projektörü ve böyle bir dışbükey lens ve ayna 14 gibi basit optik bileşenler kullanılarak inşa edilmiştir. 3D katı model elde kesit görüntüleri bir katman-by-katman moda istenen 3D katı yapısı içine sıvı reçine polimerize sırayla ışığa reçine yüzeyinde yansıtılır. Hatta bu basit yapılandırma ve kolay bir süreç ile, keyfi 3D nesneler kolayca alt-100 mikron çözünürlük ile imal edilebilir. Bu masaüstü 3D yazıcı çeşitli 3D geometriler keşfetmek için büyük bir fırsat sunarak yumuşak malzeme mekaniği çalışmada potansiyele sahiptir. Biz fabrica için bu sistemi kullanmakfarklı boyutlarıyla te tübüler şekilli hidrojel yapısı. Alt tabaka ile alt olarak sabit boru şeklindeki jel kararsızlık burulma yol açmaktadır şişmesi sırasında homojen olmayan bir gerilme geliştirir. Jel yapıları burkulma geçmesi sırasında çeşitli dalgalı desenleri tüp çevresi boyunca görünür. Deney istenilen mod burkulması çevresel kontrollü bir şekilde oluşturulabilir göstermektedir. Üç boyutlu yapılandırılmıştır tübüler jellerin Desen dönüşüm mekaniği ve malzeme bilimi değil sadece önemli anlamı vardır, ama aynı zamanda ayarlanabilir matamaterials gibi diğer birçok gelişmekte olan alanlarda.

Bir off-the-shelf dijital veri projektör kullanılarak basit bir PμSL sistemi Şekil 1 &#39;de gösterilmiştir. 75 mm odak uzaklığına sahip bir dışbükey lens 2 cm 2 cm küçük aydınlatma alana ışın yoğunlaşmaktadır. Optik çözünürlük-düzlem Sonuçlanan yaklaşık 45 mikron. Dikey çözünürlük doğrusal aşamasının hassasiyet düzeyi tarafından belirlenir. Bu çalışma için yapılan yapıların kat kalınlığı 160 mikron. Her katman 8 sn ışık aydınlatma için polimerize edildi. Sistem tarafından üretilmiş bir temsilcisi, 3D yapısı Şekil 1B &#39;de gösterilmiştir. Bu nesneler PEGDA 58 tabakadan oluşur. Biz fotoğraf-kurutmalı PEGDA hidrojel hazırlanmıştır. PEGDA hidrojel düşük çapraz bağlama, bu nedenle büyük şişme, prepolimer çözelti içine olmayan çapraz bağ PEG ilave edilerek elde edildi. Çıkan PEGDA hidrojel Boy-bilge şişme oranı daha yüksek% 300 hacimsel genleşme tekabül eden 1.5 olduğunu. &gt; PEGDA hidrojel tüpler bir dizi tasarlanmış ve bizim teorisi 12 yoruma göre hazırlandı. Bu ters bir örnek yerleştirilir ve Şekil 2A&#39;da gösterildiği gibi, üst tabaka ile kaplı yağ su banyosu içinde koydu. Boyutlu parametrelerine bağlı olarak, dairesel borular ya sabit kaldığı ya da Şekil 2B&#39;de gösterildiği gibi, bir dalgalı model dönüştürülmüştür. Farklı numunelerin desen şişme çeşitli bir dijital kamera ile çekilen ve Şekil 3A sunuldu. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig1.jpg" /> Şekil 1. Bir masaüstü projeksiyon mikro-stereolitografi sistemi (a) şematik gösterimi (b) gerçek sistem bileşenlerinin (c) yakın görünümü (d) temsilcisi 3D yapıları. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig1large.jpg" target="_blank">büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın</a> . çadır &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Şekil 2," src="/files/ftp_upload/4457/4457fig2.jpg" /> Şekil 2.. (B) kısıtlı hidrojel tüp farklı desenler dönüşür şişlik hidrojel tüp için (a) Deneysel kurulum. Ölçek çubuğu 5 mm gösterir. <img alt="Şekil 3" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig3.jpg" /> Şekil 3. (A) Desenler deneyde şişlik oluşmuş. Dikey eksen t / h (böylece stabilite) gösterir ve yatay eksen saat / D (böylece modu çökertme) gösterir. Ölçek çubuğu 5 mm gösterir. (B) modu Burkulma sadece h / D bağlıdır. Deneysel sonuç teorik öngörü ile de aynı fikirde. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig3large.jpg" target="_blank">büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın</a> . <table border="1"><tbody><tr><td colspan="2"> Örnek &lt;/ Strong&gt; </td><td> D (mikron) </td><td> t (mikron) </td><td> h (mikron) </td></tr><tr><td rowspan="4"> Ben </td><td> ben </td><td> 9300 ± 420 </td><td> 760 ± 40 </td><td> 840 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1040 ± 40 </td><td> 1060 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1210 ± 40 </td><td> 1340 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9700 ± 420 </td><td> 1660 ± 40 </td><td> 1680 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> II </td><td> ben </td><td> 9000 ± 420 </td><td> 480 ± 40 </td><td> 880 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 9000 ± 420 </td><td&gt; 660 ± 40 </td><td> 1060 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9500 ± 420 </td><td> 740 ± 40 </td><td> 1350 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9200 ± 420 </td><td> 970 ± 40 </td><td> 1650 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> III </td><td> ben </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 160 ± 40 </td><td> 790 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 300 ± 40 </td><td> 1020 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9100 ± 420 </td><td> 380 ± 40 </td><td> 1330 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 9000 ± 420 </td><td> 490 ± 40 </td><td> 1630 ± 40 </td></tr><tr><td rowspan="4"> IV </td><td> ben </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 140 ± 40 </td><td> 780 ± 40 </td></tr><tr><td> ii </td><td> 8800 ± 420 </td><td> 190 ± 40 </td><td> 1010 ± 40 </td></tr><tr><td> iii </td><td> 9300 ± 420 </td><td> 230 ± 40 </td><td> 1340 ± 40 </td></tr><tr><td> iv </td><td> 8900 ± 420 </td><td> 290 ± 40 </td><td> 1650 ± 40 </td></tr></tbody></table> Tablo 1. Numune boyutları optik mikroskop ile ölçülür. Hatalar ölçüm belirsizliği göstermektedir.

Watch this Scientific Journal Video about Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics at JoVE.com

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Biz elastik istikrarsızlık şişme jel tüpler kontrollü model dönüşüm gösterir. Basit bir projeksiyon mikro stereo litografi kurulum bir katman-by-katman moda üç boyutlu polimerik yapılar imal etmek bir off-the-raf dijital veri projektörü kullanılarak inşa edilmiştir. Mekanik kısıtı altında hidrojel tüpleri şişmesi boyuta bağlı olarak çeşitli çevresel çökertme ekran modları.

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

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 ...

micro-3d-printing-using-digital-projector-its-application-study-soft

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Equilibrium and Elasticity

SCIENTISTS IN ACTION

25.1K Görüntüleme.  Massachusetts Institute of Technology. Biz elastik istikrarsızlık şişme jel tüpler kontrollü model dönüşüm gösterir. Basit bir projeksiyon mikro stereo litografi kurulum bir katman-by-katman moda üç boyutlu polimerik yapılar imal etmek bir off-the-raf dijital veri projektörü kullanılarak inşa edilmiştir. Mekanik kısıtı altında hidrojel tüpleri şişmesi boyuta bağlı olarak çeşitli çevresel çökertme ekran modları.

Video: Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and non-destructively reveals the hydrogen density distribution at surfaces, at interfaces, and in the volume of solid materials with high depth resolution. The technique applies a 15N ion beam of 6.385 MeV provided by an electrostatic accelerator and specifically detects the 1H isotope in depths up to about 2 &#956;m from the target surface. Surface H coverages are measured with a sensitivity in the order of ~1013 cm-2 (~1% of a typical atomic monolayer density) and H volume concentrations with a detection limit of ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). The near-surface depth resolution is 2-5 nm for surface-normal 15N ion incidence onto the target and can be enhanced to values below 1 nm for very flat targets by adopting a surface-grazing incidence geometry. The method is versatile and readily applied to any high vacuum compatible homogeneous material with a smooth surface (no pores). Electrically conductive targets usually tolerate the ion beam irradiation with negligible degradation. Hydrogen quantitation and correct depth analysis require knowledge of the elementary composition (besides hydrogen) and mass density of the target material. Especially in combination with ultra-high vacuum methods for in-situ target preparation and characterization, 1H(15N,&#945;&#947;)12C NRA is ideally suited for hydrogen analysis at atomically controlled surfaces and nanostructured interfaces. We exemplarily demonstrate here the application of 15N NRA at the MALT Tandem accelerator facility of the University of Tokyo to (1) quantitatively measure the surface coverage and the bulk concentration of hydrogen in the near-surface region of a H2 exposed Pd(110) single crystal, and (2) to determine the depth location and layer density of hydrogen near the interfaces of thin SiO2 films on Si(100).

We illustrate the application of 1H(15N,&#945;&#947;)12C resonant nuclear reaction analysis (NRA) to quantitatively evaluate the density of hydrogen atoms on the surface, in the volume, and at an interfacial layer of solid materials. The near-surface hydrogen depth profiling of a Pd(110) single crystal and of SiO2/Si(100) stacks is described.

Nükleer Reaksiyon Analizi Derinlik Profiling yoluyla Yüzey ve Arayüz Katmanlar ve Dökme Malzeme Hidrojen Konsantrasyonları miktar tayini

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Mühendislik

Wicking Tests for Unidirectional Fabrics: Measurements of Capillary Parameters to Evaluate Capillary Pressure in Liquid Composite Molding Processes

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify their influence on void formation in composite parts. Wicking in a fibrous medium described by the Washburn equation was considered equivalent to a flow under the effect of capillary pressure according to the Darcy law. Experimental tests for the characterization of wicking were conducted with both carbon and flax fiber reinforcement. Quasi-unidirectional fabrics were then tested by means of a tensiometer to determine the morphological and wetting parameters along the fiber direction. The procedure was shown to be promising when the morphology of the fabric is unchanged during capillary wicking. In the case of carbon fabrics, the capillary pressure can be calculated. Flax fibers are sensitive to moisture sorption and swell in water. This phenomenon has to be taken into account to assess the wetting parameters. In order to make fibers less sensitive to water sorption, a thermal treatment was carried out on flax reinforcements. This treatment enhances fiber morphological stability and prevents swelling in water. It was shown that treated fabrics have a linear wicking trend similar to those found in carbon fabrics, allowing for the determination of capillary pressure.

An experimental method to measure geometrical parameters and the apparent advancing contact angles describing capillary wicking in unidirectional synthetic and natural fabrics is proposed. These parameters are mandatory for the determination of the capillary pressures that must be taken into account for liquid composite molding (LCM) applications.

Tek yönlü Kumaşlar Testleri esneklik: Kılcal Parametrelerinin Ölçümleri Sıvı Kompozit Kalıp Süreçlerinde Kılcal Basınç değerlendirin

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify ...

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the manifold requirements during processing and application of such complex fluids. In this investigation, measuring protocols for a conclusive assessment of different process relevant rheological parameters have been evaluated. This includes the determination of yield stress, viscosity, wall slip velocity, structural recovery after large deformation and elongation at break as well as tensile force during filament stretching.
The importance of concomitant video recordings during parallel-plate rotational rheometry for a significant determination of rheological quantities is demonstrated. The deformation profile and flow field at the sample edge can be determined using appropriate markers. Thus, measurement parameter settings and plate roughness values can be identified for which yield stress and viscosity measurements are possible. Slip velocity can be measured directly and measuring conditions at which plug flow, shear banding or sample spillover occur can be identified clearly. 
Video recordings further confirm that the change in shear moduli observed during three stage oscillatory shear tests with small deformation amplitude in stage I and III but large oscillation amplitude in stage II can be directly attributed to structural break down and recovery. For the pastes investigated here, the degree of irreversible, shear-induced structural change increases with increasing deformation amplitude in stage II until a saturation is reached at deformations corresponding to the crossover of G' and G'', but the irreversible damage is independent of the duration of large amplitude shear. 
A capillary breakup elongational rheometer and a tensile tester have been used to characterize deformation and breakup behavior of highly filled pastes in uniaxial elongation. Significant differences were observed in all experiments described above for two commercial screen-printing silver pastes used for front side metallization of Si-solar cells.

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &amp;#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

A protocol for a robust and application relevant rheological characterization of highly concentrated suspensions is presented. Silver pastes used for screen-printing application in solar cell production are employed as model systems.

Son derece Konsantre Süspansiyonlarının reolojik Karakterizasyonunda Zorluklar - Ekran-baskı Gümüş Pastaları için bir Vaka Çalışması

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the ...

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection molding inserts with micro surface features. The Soft Tooling inserts are manufactured by Digital Light Processing (vat photo polymerization) using a photopolymer that can withstand relatively high temperaturea. The part manufactured here has four tines with an angle of 60&#176;. Micro pillars (&#216;200 &#181;m, aspect ratio of 1) are arranged on the surfaces by two rows. Polyethylene (PE) injection molding with the soft tooling inserts is used to fabricate the final parts. This method demonstrates that it is feasible to obtain injection-molded parts with microstructures on complex geometry by additive manufactured inserts. The machining time and cost is reduced significantly compared to conventional tooling processes based on computer numerical control (CNC) machining. The dimensions of the micro features are influenced by the applied additive manufacturing process. The lifetime of the inserts determines that this process is more suitable for pilot production. The precision of the inserts production is limited by the additive manufacturing process as well.

A protocol for fabricating injection molding inserts for complex geometry with micro features on surfaces employing Additive Manufacturing (AM) is presented.

3D bir bileşenin mikro enjeksiyon kalıplama için yumuşak takım süreç zinciri sütun

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl sulfoxide (DMSO) and xanthan gum in water &#8212; two concentrated polymer solutions used as viscosifiers in foods, enhanced oil recovery, and soil remediation. Understanding the nonlinear rheological behavior of soft materials is important in the design and controlled manufacturing of many consumer products. It is shown how the response to LAOS of these polymer solutions can be interpreted in terms of a clear transition from linear viscoelasticity to viscoplastic deformation and back again during a period. The LAOS results are analyzed via the fully quantitative Sequence of Physical Processes (SPP) technique, using free MATLAB-based software. A detailed protocol of performing a LAOS measurement with a commercial rheometer, analyzing nonlinear stress responses with the freeware, and interpreting physical processes under LAOS is presented. It is further shown that, within the SPP framework, a LAOS response contains information regarding the linear viscoelasticity, the transient flow curves, and the critical strain responsible for the onset of nonlinearity.

We present a detailed protocol outlining how to perform nonlinear oscillatory shear rheology on soft materials, and how to run the SPP-LAOS analysis to understand the responses as a sequence of physical processes.

Büyük genlik salınım kesme yanıt yumuşak malzeme eğitim

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of an optical imaging device are greatly affected by the performance characteristics of its components, the test environment, and the operations. Therefore, it is necessary to calibrate these devices by traceable phantom standards. However, most of the currently available phantoms are homogeneous phantoms that cannot simulate multimodal and dynamic characteristics of biological tissue. Here, we show the fabrication of heterogeneous tissue-simulating phantoms using a production line integrating a spin coating module, a polyjet module, a fused deposition modeling (FDM) module, and an automatic control framework. The structural information and the optical parameters of a &#34;digital optical phantom&#34; are defined in a prototype file, imported to the production line, and fabricated layer-by-layer with sequential switch between different printing modalities. Technical capability of such a production line is exemplified by the automatic printing of skin-simulating phantoms that comprise the epidermis, dermis, subcutaneous tissue, and an embedded tumor.

Spin coating, polyjet printing, and fused deposition modeling are integrated to produce multilayered heterogeneous phantoms that simulate structural and functional properties of biological tissue.

Biyolojik Doku Simüle Etmek Için Hayaletlerin Multimodal 3D Baskısı

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Resistive switching crossbar architecture is highly desired in the field of digital memories due to low cost and high-density benefits. Different materials show variability in resistive switching properties due to the intrinsic nature of the material used, leading to discrepancies in the field because of underlying operation mechanisms. This highlights a need for a reliable technique to understand mechanisms using nanostructural observations. This protocol explains a detailed process and methodology of in&#160;situ nanostructural analysis as a result of electrical biasing using transmission electron microscopy (TEM). It provides visual and reliable evidence of underlying nanostructural changes in real time memory operations. Also included is the methodology of fabrication and electrical characterizations for asymmetric crossbar structures incorporating amorphous vanadium oxide. The protocol explained here for vanadium oxide films can be easily extended to any other materials in a metal-dielectric-metal sandwiched structure. Resistive switching crossbars are predicted to serve the programmable logic and neuromorphic circuits for next-generation memory devices, given the understanding of the operation mechanisms. This protocol reveals the switching mechanism in a reliable, timely, and cost-effective way in any type of resistive switching materials, and thereby predicts the device&#39;s applicability.

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

Presented here is a protocol for analyzing nanostructural changes during in&#160;situ biasing with transmission electron microscopy (TEM) for a stacked metal-insulator-metal structure. It has significant applications in resistive switching crossbars for the next generation of programmable logic circuits and neuromimicking hardware, to reveal their underlying operation mechanisms and practical applicability.

Karışık Fazlı a -VOx'e Dayalı Asimetrik Çapraz Çubukların Önyargılı ve İmalatlı Yerinde İletim Elektron Mikroskopisi

Resistive switching crossbar architecture is highly desired in the field of digital memories due to low cost and high-density benefits. Different ...

3D Printing - Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament fabrication (FFF) is an inexpensive method used most frequently by consumers. Studies with 3D printers have shown that during the printing process particulate and volatile substances are released. Handheld 3D printing pens also use the FFF method but the consumer&#8217;s proximity to the 3D pens gives reason to higher exposure compared to a 3D printer. At the same time, 3D printing pens are often marketed for children who could be more sensitive to the printing emission. The aim of this study was to implement a low cost method to analyze the emissions of 3D printing pens. Polylactide (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) filaments of different colors were tested. In addition, filaments containing metal and carbon nanotubes (CNTs) were analyzed. An 18.5 L chamber and sampling close to the emission source was used to characterize emissions and concentrations near the breathing zone of the user.
Particle emissions and particle size distributions were measured and the potential release of metal particles and CNTs investigated. Particle number concentrations were found in a range of 105 - 106 particles/cm3, which is comparable to previous reports from 3D printers. Transmission electron microscopy (TEM) analysis showed nanoparticles of the different thermoplastic materials as well as of metal particles and CNTs. High contents of metal were observed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).
These results call for a cautious use of 3D pens due to potential risk to the consumers.

This protocol presents a method to analyze the emission of 3D printing pens. Particle concentration and particle size distribution of the released particle is measured. Released particles are further analyzed with transmission electron microscopy (TEM). Metal content in filaments is quantified by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

3D Baskı - 3D Baskı Kaleminin Parçacık Emisyonlarının Değerlendirilmesi

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament ...

Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. This platform has a three-dimensional (3D) network with curved fluid channels and three pneumatic valves, which create networks, channels, and spaces through duplex replication with polydimethylsiloxane (PDMS). The device operates based on the transient response of a fluid flow rate controlled by a pneumatic valve in the following order: (1) sample loading, (2) sample blocking, (3) sample concentration, and (4) sample release. The particles are blocked by thin diaphragm layer deformation of the sieve valve (Vs) plate and accumulate in the curved microfluidic channel. The working fluid is discharged by the actuation of two on/off valves. As a result of the operation, all particles of various magnifications were successfully intercepted and disengaged. When this technology is applied, the operating pressure, the time required for concentration, and the concentration rate may vary depending on the device dimensions and particle size magnification.

The present protocol describes a pneumatic microfluidic platform that can be used for efficient microparticle concentration.

Mikro Partikül Konsantrasyonu için Pnömatik Tahrikli Mikroakışkan Platform

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. ...

Microfluidic Acoustophoresis for Flowthrough Separation of Gram-Negative Bacteria using Aptamer Affinity Beads

This article describes the fabrication and operation of microfluidic acoustophoretic chips using a microfluidic acoustophoresis technique and aptamer-modified microbeads that can be used for the fast, efficient isolation of Gram-negative bacteria from a medium. This method enhances the separation efficiency using a mix of long, square microchannels. In this system, the sample and buffer are injected into the inlet port through a flow controller. For bead centering and sample separation, AC power is applied to the piezoelectric transducer via a function generator with a power amplifier to generate acoustic radiation force in the microchannel. There is a bifurcated channel at both the inlet and outlet, enabling simultaneous separation, purification, and concentration. The device has a recovery rate of &gt;98% and purity of 97.8% up to a 10x dose concentration. This study has demonstrated a recovery rate and purity higher than the existing methods for separating bacteria, suggesting that the device can separate bacteria efficiently.

This paper describesthe fabrication and operation of microfluidic acoustophoretic chips using the microfluidic acoustophoresis technique and aptamer-modified microbeads that can be used for fast, efficient isolation of Gram-negative bacteria from a medium.