Projekční mikro-stereolitografie - Projection micro-stereolithography - Wikipedia

Projekční mikro-stereolitografie (PµSL) se přizpůsobuje 3D tisk technologie pro mikro-výrobu. Technologie digitálního mikro displeje poskytuje dynamiku stereolitografie masky, které fungují jako virtuální fotomaska. Tato technika umožňuje rychlé fotopolymerizace celé vrstvy se zábleskem UV osvětlení v mikroskopickém rozlišení. Maska může ovládat jednotlivce pixel intenzita světla, umožňující kontrolu materiálových vlastností vyrobené struktury s požadovaným prostorovým rozložením.

Mezi materiály patří polymery, citlivý hydrogely, polymery s tvarovou pamětí a biomateriály.[1]

Úvod

The mikroelektromechanické systémy (MEMS) se za posledních 30 let rychle rozvíjí. Spoléhání se na integraci senzorů a akčních členů vyžaduje MEMS vždy levnější, jednodušší a přesnější způsob výroby 3-D struktur mikro velikosti s použitím různých materiálů, jako jsou polymery, keramika a polovodičové materiály.[2] Vzhled Projekční mikro-stereolitografie zlepšuje vývoj MEMS dosažením většiny výše uvedených požadavků. Tento vynález je založen na stereolitografie (3D tisk), který vyvinul Charles Hull v roce 1984. Tento stroj se primárně používá k výrobě měkkých materiálů, jako jsou hydrogely a polymery. Základní teorie tohoto vynálezu se používá UV světlo k vyléčení roztoku, který spočívá iniciátoři, monomery a absorbéry, aby se vytvořila každá vrstva materiálů. Pod expozicí UV světlo, iniciátoři jsou přeneseni do radikálů. Radikály spojují monomery dohromady, aby zahájily proces polymerace. Absorbéry jsou smíchány s monomery pro kontrolu hloubky průniku UV záření. Tento chemický proces umožňuje, aby se oblasti vystavené UV záření staly polymery v pevné fázi.[2]

Dějiny

Zpočátku všechny stereolitografické metody mikro velikosti využívaly stejnou metodu jako stereolitografii makro velikosti, kterou řídí psané materiály na základně. První stereolitografie mikroskopické velikosti, které používají UV světlo k vytvrzení povrchu kapalné pryskyřice, vyvinuli profesor Ikuta a Hirowatari v roce 1993. Tento přístup k výrobě je prototypem dnešní projekční mikro-stereolitografie.[3] Ve srovnání s předchozími způsoby výroby přímého zápisu má tento přístup tu výhodu, že dokáže vyrobit každou vrstvu současně, což zvyšuje míru výtěžnosti pro velkou produkci. V té době byla data 2D tvaru získána v a CAD Systém. 2D data se používají k výrobě 2D řezaných rovin v kapalině. Proto musí být v CAD systém pro složité struktury. Tuto stereolitografii lze použít k výrobě polymerů i kovů. Kovy jsou vyráběny pomocí proces odlévání po vyrobení polymerní formy. I když zlepšuje výtěžnost, tato metoda vyžaduje a maska pro každou vrstvu finálního produktu, což zvyšuje čas a náklady procesu. Proto je vymyšlená technologie znovu vyvinuta, že masky jsou nahrazeny mikrozrcadlový displej zařízení, které je podobné projektoru v našem každodenním životě. The mikrozrcadlový displej poskytuje dynamickou masku, která může elektronicky měnit vzory. Vzhledem k tomu, že více masek je nahrazeno jednou maskou, výrazně se sníží doba zpracování a výrobní náklady.

Proces

Dynamická maska ​​definuje paprsek. Paprsek je zaměřen na povrch UV polymerovatelného polymeru pryskyřice přes projekční čočku, která zmenší obraz na požadovanou velikost. Jakmile je vrstva polymerována, scéna upustí substrát o předdefinovanou tloušťku vrstvy a dynamická maska ​​zobrazí obrázek další vrstvy nad předchozí. To pokračuje iterativně až do dokončení. Tento proces může vytvořit tloušťku vrstvy řádově 400 nm.[4]

Bylo dosaženo horizontálního rozlišení 2 μm a vertikálního rozlišení sub-1 µm s velikostí funkcí sub-1 µm. Proces může pracovat při teplotě okolí a atmosféře, i když zvýšený dusík zlepšuje polymeraci Bylo dosaženo rychlosti výroby 4 cu mm / h, v závislosti na viskozitě pryskyřice.[4]

Materiály lze během výroby snadno přepínat, což umožňuje integraci více materiálových prvků do jednoho procesu.[4]

Aplikace

Mezi aplikace patří výroba mikroaktivátorů, vytváření formy, galvanické pokovování nebo (s pryskyřičnými přísadami) keramický předměty, včetně mikrobio reaktory pro podporu růstu tkání, mikromatrice pro dodávka léků a detekční a biochemické integrované obvody pro simulaci biologických systémů.[4]


Mikropohon

Inspirovaný Mimosa pudica, list toho aktuátor může bobtnat na vnější stimulace, jako je rozpouštědla, teplota a světlo. Aby bylo možné ovládat pohyb tohoto aktuátoru, mikrofluidní kanály jsou zabudovány uvnitř listu tohoto aktuátoru. U složitých vnějších geometrií i vnitřních struktur je to měkké mikroaktivátor lze vyrobit pomocí projekční mikro-stereolitografie, což je jeden z nejjednodušších způsobů, jak získat tuto složitou 3D strukturu. The CAD forma tohoto aktuátoru je generována v počítači. Dále jsou získány nakrájené 2D obrazy. Každý 2D obraz je poté promítnut do mikrozrcadlový displej a projít čočkou na požadovanou velikost na povrch polymerní pryskyřice. Vzhledem k tomu, že projekční mikro-stereolitografie je časově nenáročná, lze stejný experiment provést na různých kapalných měkkých materiálech, aby se zjistil jejich bobtnavý účinek. Na základě této kontrakce a roztažení materiálů způsobené malou kapkou rozpouštědla nebo malou změnou podmínek prostředí, toto mikroaktivátor může napodobovat pohyb člověka sval a lze je použít na mnoha měkký robot aplikace.[5]

Umělá tkáň

Mnoho rekonstrukční chirurgie postupy vyžadují nové papírové kapesníky když jsou původní tkáně odstraněny z důvodu nemocí. Jedním ze způsobů, jak generovat tuto novou tkáň, je odebrat jednu část tkáně z jiné části lidského těla a přenést ji na nové místo. Tato metoda však poškozuje ostatní orgány při generování nových tkání. Proto je výroba umělých tkání preferovaným přístupem k řešení tohoto problému. Hlavním omezením této umělé tkáně je absence kapilární systém k přepravě živina a kyslík jako oběhové systémy v žijící organismy. Díky schopnosti vyrábět složité 3D struktury může projekční mikro-stereolitografie poskytnout jedno z nejlepších řešení této tkáně. Jako mikroaktivátor, formu umělé tkáně vyrábí CAD. Pak CAD forma je přenesena do 2D obrazů a promítnuta na povrch polymerní pryskyřice přes čočku. Kapilární systém je zabudován do tkáně během procesu navrhování formy v CAD plíseň. Polymer použitý při výrobě tkáně je semipermeabilní, což umožňuje živina a kyslík v kapilární systém jít do tkáně během transportního procesu. The kapilární systém je prokázáno, že má funkci podporující růst v kvasinkové buňky, které ilustrují životaschopnost této umělé tkáně.[6]

Viz také

Reference

  1. ^ „Projekční mikro-stereolitografie“. Katedra strojního inženýrství MIT. Vyvolány April 2015. Zkontrolujte hodnoty data v: | accessdate = (Pomoc)
  2. ^ A b Sun, Chen; Fang, Nicholas; Wu, Dongmin; Zhang, Xiang (květen 2015). "Projekční mikro-stereolitografie pomocí digitální mikro-zrcadlové dynamické masky". Senzory a akční členy A: Pyhsical. 121: 113–120. CiteSeerX  10.1.1.180.2371. doi:10.1016 / j.sna.2004.12.011.
  3. ^ Ikuta, K .; Hirowatari, K. (1993). "Skutečná trojrozměrná mikro výroba pomocí stereofonní litografie a formování kovů". [1993] Sborník IEEE Micro Electro Mechanical Systems. IEEE. str. 42–47. doi:10.1109 / memsys.1993.296949. ISBN  978-0780309579.
  4. ^ A b C d Tesák, Nicholas. „Projekční mikrostereolitografie“ (PDF). Katedra mechanických věd a inženýrství, University of Illinois. Vyvolány April 2015. Zkontrolujte hodnoty data v: | accessdate = (Pomoc)
  5. ^ Lee, Howon; Xia, Chunguang; Fang, Nicholas Xuanlai (2008). "Biomimetický mikropohon poháněný polymerním bobtnáním". Nano-výrobní technologie; a mikro a nano systémy, části A a B.. 13. str. 765–769. doi:10.1115 / imece2008-67594. ISBN  978-0-7918-4874-6.
  6. ^ Xia, Chunguang; Fang, Nicholas X. (06.10.2009). "3D mikrofabrikovaný bioreaktor s kapilárami". Biomedicínské mikrozařízení. 11 (6): 1309–1315. doi:10.1007 / s10544-009-9350-4. ISSN  1387-2176. PMID  19806459.