Ny metode måler 3-D polymerbearbejdning præcist

Opskrifter til tredimensionel (3-D) print, eller additiv fremstilling, af dele har krævet lige så meget gætværk som videnskab. Indtil nu.

Harpiks og andre materialer, der reagerer under lys for at danne polymerer, eller lange kæder af molekyler, er attraktive til 3-D-print af dele lige fra arkitektoniske modeller til fungerende menneskelige organer. Men det har været et mysterium, hvad der sker med materialernes mekaniske og flydende egenskaber under hærdningsprocessen på størrelse med en enkelt voxel. En voxel er en 3D-enhed af volumen, svarende til en pixel på et billede.

Nu, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstreret en ny lys-baseret atomic force microscopy (AFM) teknik - prøvekoblet-resonans fotoreologi (SCRPR) - der måler, hvordan og hvor et materiales egenskaber ændres i realtid kl. de mindste skæl under hærdningsprocessen.

"Vi har haft en masse interesse for metoden fra industrien, blot som et resultat af et par konferencetaler, " sagde NIST-materialeforskningsingeniør Jason Killgore. Han og hans kolleger har nu offentliggjort teknikken i tidsskriftet Små metoder .

3-D print, eller additiv fremstilling, er rost for fleksibel, effektiv produktion af komplekse dele, men har den ulempe, at de introducerer mikroskopiske variationer i et materiales egenskaber. Fordi software gengiver delene som tynde lag og derefter rekonstruerer dem i 3-D før udskrivning, det fysiske materiales bulk-egenskaber svarer ikke længere til de trykte deles. I stedet, ydeevnen af ​​fabrikerede dele afhænger af trykforholdene.

NISTs nye metode måler, hvordan materialer udvikler sig med submikrometer rumlig opløsning og submillisekunder tidsopløsning - tusindvis af gange mindre og hurtigere end bulkmålingsteknikker. Forskere kan bruge SCRPR til at måle ændringer gennem en kur, indsamling af kritiske data til optimering af bearbejdning af materialer lige fra biologiske geler til stive harpikser.

Den nye metode kombinerer AFM med stereolitografi, brugen af ​​lys til at mønstre fotoreaktive materialer lige fra hydrogeler til forstærket akryl. En trykt voxel kan blive ujævn på grund af variationer i lysintensitet eller spredning af reaktive molekyler.

AFM kan fornemme hurtigt, små ændringer i overflader. I NIST SCRPR-metoden, AFM-sonden er konstant i kontakt med prøven. Forskerne tilpassede en kommerciel AFM til at bruge en ultraviolet laser til at starte dannelsen af ​​polymeren ("polymerisation") ved eller nær det punkt, hvor AFM-sonden kommer i kontakt med prøven.

Metoden måler to værdier på et sted i rummet i løbet af et begrænset tidsrum. Specifikt, den måler resonansfrekvensen (frekvensen af ​​maksimal vibration) og kvalitetsfaktoren (en indikator for energispredning) af AFM-sonden, sporing af ændringer i disse værdier gennem hele polymerisationsprocessen. Disse data kan derefter analyseres med matematiske modeller for at bestemme materialeegenskaber såsom stivhed og dæmpning.

Metoden blev demonstreret med to materialer. Den ene var en polymerfilm omdannet af lys fra en gummi til et glas. Forskere fandt ud af, at hærdningsprocessen og egenskaberne afhang af eksponeringsstyrke og tid og var rumligt komplekse, bekræfter behovet for hurtig, højopløselige målinger. Det andet materiale var en kommerciel 3-D printharpiks, der ændrede sig fra flydende til fast form på 12 millisekunder. En stigning i resonansfrekvensen syntes at signalere polymerisation og øget elasticitet af hærdningsharpiksen. Derfor, forskere brugte AFM til at lave topografiske billeder af en enkelt polymeriseret voxel.

Overrasker forskerne, interessen for NIST-teknikken har strakt sig langt ud over de oprindelige 3-D-printapplikationer. Virksomheder inden for belægninger, optik og additiv fremstilling har nået ud, og nogle forfølger formelle samarbejder, NIST-forskere siger.