将AFM与立体光刻技术相结合,精确测量3D打印聚合物材料特性的新方法

在光线下形成聚合物或长链分子的树脂或其他材料,对于从建筑模型到功能性人体器官部件的3D打印而言是十分有吸引力的。但是,在单个体素的固化过程中,材料的机械和流动特性会发生怎样变化,这一点很神秘。体素是体积的3D单位,相当于照片中的像素。

NIST Polymer 3d printing monitor

图为聚合树脂单个体素的3D地形图像,被液体树脂包围。(NIST的研究人员使用样品耦合共振光流变学(SCRPR)技术来测量3D打印和固化过程中材料性质在小尺度上实时变化的方式和位置。)图片来源:NIST

现在,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经展示了一种新型的基于光的原子力显微(AFM)技术——样品耦合共振光学流变学(SCRPR),它可以在材料固化过程中以最小的最小尺度测量材料性质在实际中的变化方式和位置。

NIST材料研究工程师Jason Killgore说:“我们对工业方法产生了浓厚的兴趣,而这只是一些会议讨论的结果。”他和他的同事现在已经在“Small”杂志上发表了这项技术。

三维印刷或增材制造受到称赞,可以十分灵活、高效地生产复杂零件,但其也有缺点,就是会在材料特性方面引入微观变化。由于软件将零件渲染为薄层,在打印前三维重建它们,因此材料的整体属性不再与打印零件的属性相匹配。相反,制造零件的性能取决于打印条件。

NIST的新方法可以测量材料如何随亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率发展的——比批量测量技术小数千倍且更快。研究人员可以使用SCRPR来测量整个固化过程中的变化,收集关键数据,以优化从生物凝胶到硬质树脂的材料加工。

这种新方法将AFM与立体光刻技术相结合,利用光线对光反应材料进行图案化,从水凝胶到增强丙烯酸树脂。由于光强度的变化或反应性分子的扩散,印刷的体素可能变得不均匀。

AFM可以感知表面的快速微小变化。在NIST SCRPR方法中,AFM探针持续与样品接触。研究人员采用商业AFM,使用紫外激光在AFM探针与样品接触的位置或附近开始形成聚合物(“聚合”)。

该方法在有限时间跨度内,在空间中的某一个位置处测量两个值。具体而言,它测量AFM探针的共振频率(最大振动的频率)和品质因数(能量耗散的指标),跟踪整个聚合过程中这些值的变化。然后可以使用数学模型分析这些数据,以确定材料属性,例如刚度和阻尼。

用两种材料证明了该方法。一种是由橡胶光转化为玻璃的聚合物薄膜。研究人员发现,固化过程和性能取决于曝光功率和时间,并且在空间上很复杂,这证实了快速,高分辨率测量的必要性。第二种材料是商业3-D印刷树脂,在12毫秒内从液体变成固体。共振频率的升高似乎表明固化树脂的聚合和弹性增加。因此,研究人员使用AFM制作了单个聚合体素的地形图像。

让研究人员感到惊讶的是,对NIST技术的兴趣远远超出了最初的3D打印应用。NIST的研究人员表示,涂料,光学和增材制造领域的公司已经开始感兴趣,有些正在寻求正式的合作。

文章来源:新材料在线

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