Nanocylindervibrationer hjælper med at kvantificere polymerhærdning til 3D-print

I et skridt hen imod at lave mere nøjagtige og ensartede 3-D-printede dele såsom personlige proteser og dentalmaterialer, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstreret en metode til at måle den hastighed, hvormed mikroskopiske områder af et flydende råmateriale hærder til en fast plast, når de udsættes for lys.

NISTs brugerdefinerede atomkraftmikroskop (AFM) med en nanometerskala, cylinderformet spids afslørede, at den komplekse proces med hærdning af harpikser, når de reagerer under lys for at danne polymerer, kræver at kontrollere, hvor meget af lysets energi, der går til at danne polymeren, og hvor meget polymeren spreder sig, eller diffunderer, under 3D-print.

Beskrevet i et nyt papir, NIST-eksperimenterne viste, at generelle lyseksponeringsforhold, ikke kun den samlede optiske energi som ofte antages, kontrollere, hvor langt polymeren diffunderer. For eksempel, øget lysintensitet for en konstant eller kortere varighed reducerede harpiks-til-polymer-omdannelse og kunne forvrænge formen af ​​en trykt del. Målingerne krævede kun nogle få mikroliter harpiks, tilbyder en måde at reducere omkostningerne ved fremstilling og test af nye harpikser.

"Denne forskning graver virkelig ind i den unikke proces- og materialevidenskabelige indsigt, som vores nye metrologiteknikker giver, " sagde projektleder Jason Killgore.

Arbejdet bygger på NIST-teamets tidligere udvikling af en relateret AFM-metode - prøvekoblet resonansfotorheologi (SCRPR) - der måler, hvordan og hvor et materiales egenskaber ændres i realtid i de mindste skalaer under hærdningsprocessen. Disse målinger blev foretaget med konventionelle, tilspidsede AFM-sonder, som har skrå sider og derfor ikke pålideligt kan måle lokaliseret væskestrøm eller tykkelse, teknisk benævnt viskositet.

Nu, NIST-forskere har kvantificeret viskositet, konvertering og diffusion ved brug af en cylindrisk AFM-sonde, som har lige sider omgivet af konstant væskestrøm. Sondens vibrationer, når de forstyrrer harpiksen, reduceres med en mængde, der afhænger af cylinderlængde og væskeviskositet. Stigningen i flydende harpiksviskositet er relateret til omdannelse, muliggør målinger af polymerens udvikling i rum og tid.

Forskere brugte computational fluid dynamics til at modellere kraften, der bremser, eller dæmpning, den oscillerende nanocylinder og de resulterende ændringer i dens hastighed for at bestemme mængden af ​​harpiks, der påvirkes af bevægelsen. Ved at relatere SCRPR-dæmpning til harpiksviskositet og omdannelse, forskere lavede rumlige kort over konvertering versus tid for forskellige eksponeringsforhold.

AFM var udstyret med en lysmodulator, der ledede mønstret lys fra en LED til harpiksprøven. Målinger af omdannelsen af ​​en hurtighærdende harpiks viste, at polymer akkumulerede titusinder af mikrometer væk fra lyskilden inden for få sekunder efter eksponering, angiver omfanget og hastigheden af ​​diffusion. Størrelsen af ​​lysmønsteret var vigtig; bredere funktioner førte til højere konvertering ved en given lysintensitet og varighed (se billede).

SCRPR har tiltrukket sig interesse fra industrien. Indtil videre har et firma besøgt NIST for at bruge instrumenteringen, sagde Killgore.