將AFM與立體光刻技術(shù)相結(jié)合，精確測量3D打印聚合物材料特性

        在光線下形成聚合物或長鏈分子的樹脂或其他材料，對于從建筑模型到功能性人體器官部件的3D打印而言是十分有吸引力的。但是，在單個(gè)體素的固化過程中，材料的機(jī)械和流動特性會發(fā)生怎樣變化，這一點(diǎn)很神秘。體素是體積的3D單位，相當(dāng)于照片中的像素。

圖為聚合樹脂單個(gè)體素的3D地形圖像，被液體樹脂包圍。（NIST的研究人員使用樣品耦合共振光流變學(xué)（SCRPR）技術(shù)來測量3D打印和固化過程中材料性質(zhì)在小尺度上實(shí)時(shí)變化的方式和位置。）圖片來源：NIST

        現(xiàn)在，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員已經(jīng)展示了一種新型的基于光的原子力顯微（AFM）技術(shù)——樣品耦合共振光學(xué)流變學(xué)（SCRPR），它可以在材料固化過程中以最小的最小尺度測量材料性質(zhì)在實(shí)際中的變化方式和位置。NIST材料研究工程師Jason Killgore說：“我們對工業(yè)方法產(chǎn)生了濃厚的興趣，而這只是一些會議討論的結(jié)果?！彼退耐卢F(xiàn)在已經(jīng)在“Small”雜志上發(fā)表了這項(xiàng)技術(shù)。

      三維印刷或增材制造受到稱贊，可以十分靈活、高效地生產(chǎn)復(fù)雜零件，但其也有缺點(diǎn)，就是會在材料特性方面引入微觀變化。由于軟件將零件渲染為薄層，在打印前三維重建它們，因此材料的整體屬性不再與打印零件的屬性相匹配。相反，制造零件的性能取決于打印條件。

       NIST的新方法可以測量材料如何隨亞微米空間分辨率和亞毫秒時(shí)間分辨率發(fā)展的——比批量測量技術(shù)小數(shù)千倍且更快。研究人員可以使用SCRPR來測量整個(gè)固化過程中的變化，收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以優(yōu)化從生物凝膠到硬質(zhì)樹脂的材料加工。

     這種新方法將AFM與立體光刻技術(shù)相結(jié)合，利用光線對光反應(yīng)材料進(jìn)行圖案化，從水凝膠到增強(qiáng)丙烯酸樹脂。由于光強(qiáng)度的變化或反應(yīng)性分子的擴(kuò)散，印刷的體素可能變得不均勻。

          AFM可以感知表面的快速微小變化。在NIST SCRPR方法中，AFM探針持續(xù)與樣品接觸。研究人員采用商業(yè)AFM，使用紫外激光在AFM探針與樣品接觸的位置或附近開始形成聚合物（“聚合”）。

       該方法在有限時(shí)間跨度內(nèi)，在空間中的某一個(gè)位置處測量兩個(gè)值。具體而言，它測量AFM探針的共振頻率（最大振動的頻率）和品質(zhì)因數(shù)（能量耗散的指標(biāo)），跟蹤整個(gè)聚合過程中這些值的變化。然后可以使用數(shù)學(xué)模型分析這些數(shù)據(jù)，以確定材料屬性，例如剛度和阻尼。

       用兩種材料證明了該方法。一種是由橡膠光轉(zhuǎn)化為玻璃的聚合物薄膜。研究人員發(fā)現(xiàn)，固化過程和性能取決于曝光功率和時(shí)間，并且在空間上很復(fù)雜，這證實(shí)了快速，高分辨率測量的必要性。第二種材料是商業(yè)3-D印刷樹脂，在12毫秒內(nèi)從液體變成固體。共振頻率的升高似乎表明固化樹脂的聚合和彈性增加。因此，研究人員使用AFM制作了單個(gè)聚合體素的地形圖像。

        讓研究人員感到驚訝的是，對NIST技術(shù)的興趣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最初的3D打印應(yīng)用。NIST的研究人員表示，涂料，光學(xué)和增材制造領(lǐng)域的公司已經(jīng)開始感興趣，有些正在尋求正式的合作。

        來源：新材料在線 轉(zhuǎn)載自：中國3D打印網(wǎng)