Проекционная микростереолитография
Проекционная микростереолитография ( PμSL ) адаптирует технологию 3D-печати для микропроизводства. Технология цифрового микродисплея обеспечивает динамические стереолитографические маски, которые работают как виртуальная фотомаска . Этот метод позволяет провести быструю фотополимеризацию всего слоя с помощью вспышки УФ- освещения с микромасштабным разрешением. Маска может контролировать отдельных пикселей интенсивность света , позволяя контролировать свойства материала изготовленной конструкции с желаемым пространственным распределением.
Материалы включают полимеры , чувствительные гидрогели , полимеры с памятью формы и биоматериалы . [ 1 ]
Введение
[ редактировать ]Микроэлектромеханические системы (МЭМС) быстро развиваются за последние 30 лет. Опираясь на интеграцию датчиков и исполнительных механизмов, МЭМС всегда требует более дешевого, простого и более точного метода изготовления трехмерных структур микроразмера с использованием различных материалов, таких как полимеры, керамика и полупроводниковые материалы. [ 2 ] Появление проекционной микростереолитографии улучшает развитие МЭМС, достигая большинства вышеуказанных требований. Это изобретение основано на стереолитографии (3D-печати), разработанной Чарльзом Халлом в 1984 году. Эта машина в основном используется для изготовления мягких материалов, таких как гидрогели и полимеры. Основная теория, лежащая в основе этого изобретения, заключается в использовании ультрафиолетового света для отверждения раствора, состоящего из инициаторов , мономеров и поглотителей , для формирования каждого слоя материалов. Под воздействием УФ-излучения инициаторы переходят в радикалы. Радикалы соединяют мономеры вместе, чтобы начать процесс полимеризации. Поглотители смешиваются с мономерами для контроля глубины проникновения УФ-излучения. Этот химический процесс позволяет областям, подвергающимся воздействию ультрафиолета, превращаться в твердотельные полимеры. [ 2 ]
История
[ редактировать ]Поначалу во всех методах стереолитографии микроразмеров использовался тот же метод, что и в стереолитографии макроразмеров, при котором материалы записывались на основу. Первая стереолитография микроразмера, в которой для отверждения поверхности жидкой смолы используется ультрафиолетовый свет, была разработана профессором Икутой и Хироватари в 1993 году. Этот подход к изготовлению является прототипом сегодняшней проекционной микростереолитографии. [ 3 ] По сравнению с предыдущими методами изготовления прямой записи этот подход имеет то преимущество, что он позволяет изготавливать каждый слой одновременно, что увеличивает производительность при крупносерийном производстве. В то время в системе CAD были получены 2D-данные о форме . 2D-данные используются для изготовления 2D-плоскостей срезов в жидкости. приходится создавать несколько 2D плоскостей Поэтому для сложных конструкций в САПР . Эту стереолитографию можно использовать для изготовления как полимеров, так и металлов. Металлы изготавливаются методом литья после изготовления полимерной формы. Хотя этот метод повышает производительность, он требует маски для каждого слоя конечного продукта, что увеличивает время и стоимость процесса. Поэтому технология изготовления снова разрабатывается: маски заменяются микрозеркальным устройством отображения , которое похоже на проектор в нашей повседневной жизни. Микрозеркальный дисплей представляет собой динамическую маску, которая может изменять узоры электронным способом. Поскольку несколько масок заменяются одной маской, время обработки и стоимость изготовления значительно сокращаются.
Процесс
[ редактировать ]Динамическая маска определяет луч. Луч фокусируется на поверхности полимерной смолы, отверждаемой УФ-излучением , через проекционную линзу, которая уменьшает изображение до желаемого размера. После полимеризации слоя подложка сбрасывается на заданную толщину слоя, а динамическая маска отображает изображение следующего слоя поверх предыдущего. Это продолжается итеративно до завершения. Этот процесс может создать толщину слоя порядка 400 нм. [ 4 ]
Достигнуто разрешение менее 2 мкм по горизонтали и менее 1 мкм по вертикали при размерах элементов менее 1 мкм. Процесс может работать при температуре окружающей среды и атмосфере, хотя повышенное содержание азота улучшает полимеризацию. Была достигнута производительность 4 куб. мм/час, в зависимости от вязкости смолы. [ 4 ]
Материалы можно легко менять во время производства, что позволяет интегрировать несколько элементов материала в один процесс. [ 4 ]
Приложения
[ редактировать ]Приложения включают изготовление микроактюаторов, создание форм , гальванопокрытие или (с добавками смолы) керамических изделий, включая микробиореакторы для поддержки роста тканей, микроматрицы для доставки и обнаружения лекарств , а также биохимические интегральные схемы для моделирования биологических систем. [ 4 ]
Вдохновленный Mimosa pudica , лист этого привода может набухать под воздействием внешних раздражителей, таких как растворители , температура и свет. Чтобы управлять движением этого привода, микрофлюидные внутри створки этого привода встроены имеющий как сложную внешнюю геометрию, так и внутреннюю структуру, каналы. Этот мягкий микроактюатор, может быть изготовлен с помощью проекционной микростереолитографии, которая является одним из самых простых способов получения сложных трехмерных структур. Форма CAD этого привода создается на компьютере. Затем получаются нарезанные 2D-изображения. Каждое 2D-изображение затем проецируется на микрозеркальный дисплей и проходит через линзу до желаемого размера на поверхность полимерной смолы. Поскольку проекционная микростереолитография экономит время, тот же эксперимент можно провести с различными жидкими мягкими материалами, чтобы изучить эффект их набухания. Основываясь на этом сжатии и расширении материалов, вызванном небольшой каплей растворителя или небольшим изменением условий окружающей среды, это Микроактюатор может имитировать движение человеческих мышц и может использоваться во многих мягких робототехнических приложениях. [ 5 ]
Искусственная ткань
[ редактировать ]Многие процедуры реконструктивной хирургии требуют новых тканей , когда исходные ткани удаляются из-за болезни. Один из способов создания новой ткани — взять одну часть ткани из другой части человеческого тела и перенести ее на новое место. Однако этот метод наносит вред другим органам и создает новые ткани. Поэтому изготовление искусственных тканей является предпочтительным подходом к решению этой проблемы. Основным ограничением этой искусственной ткани является отсутствие капиллярной системы для транспортировки питательных веществ и кислорода, подобной системе кровообращения в живых организмах . Благодаря возможности создавать сложные трехмерные структуры, проекционная микростереолитография может стать одним из лучших решений для этой ткани. Как и микроактюатор , слепок искусственной ткани изготавливается с помощью CAD . Затем форма САПР переводится в 2D-изображения и проецируется на поверхность полимерной смолы через линзу. Капиллярная система внедряется в ткань в процессе проектирования пресс-формы. CAD- форма. Полимер, используемый при изготовлении ткани, является полупроницаемым, что позволяет питательным веществам и кислороду из капиллярной системы проникать в ткань во время процесса транспортировки. Показано, что капиллярная система способствует росту дрожжевых клеток , что иллюстрирует жизнеспособность этой искусственной ткани. [ 6 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Проекционная микростереолитография» . Факультет машиностроения Массачусетского технологического института. Архивировано из оригинала 11 января 2016 года . Проверено 13 апреля 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б Сунь, Чен; Фанг, Николас; У, Донмин; Чжан, Сян (май 2015 г.). «Проекционная микростереолитография с использованием цифровой микрозеркальной динамической маски». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 121 : 113–120. CiteSeerX 10.1.1.180.2371 . дои : 10.1016/j.sna.2004.12.011 .
- ^ Икута, К.; Хироватари, К. (1993). «Настоящее трехмерное микроизготовление с использованием стереолитографии и литья металла». [1993] Труды IEEE Micro Electro Mechanical Systems . IEEE. стр. 42–47. дои : 10.1109/memsys.1993.296949 . ISBN 978-0780309579 . S2CID 110913866 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Фанг, Николас. «Проекционная микростереолитография» (PDF) . Департамент механических наук и инженерии Университета Иллинойса. Архивировано (PDF) из оригинала 23 февраля 2015 г. Проверено 13 апреля 2015 г.
- ^ Ли, Ховон; Ся, Чуньгуан; Фанг, Николас Сюаньлай (2008). «Биомиметический микроактюатор, работающий за счет набухания полимера». Нанотехнологии производства; и микро- и наносистемы, части A и B. Том. 13. С. 765–769. дои : 10.1115/imece2008-67594 . ISBN 978-0-7918-4874-6 .
- ^ Ся, Чуньгуан; Фанг, Николас X. (6 октября 2009 г.). «3D микрофабрикатный биореактор с капиллярами». Биомедицинские микроустройства . 11 (6): 1309–1315. дои : 10.1007/s10544-009-9350-4 . ISSN 1387-2176 . ПМИД 19806459 . S2CID 1220201 .