Recepten voor driedimensionaal (3D) printen, of additieve fabricage, van onderdelen hebben evenveel giswerk vereist als wetenschap. Tot nu.

Harsen en andere materialen die onder licht reageren om polymeren te vormen, of lange ketens van moleculen, zijn aantrekkelijk voor het 3D-printen van onderdelen variërend van architecturale modellen tot functionerende menselijke organen. Maar het is een raadsel wat er gebeurt met de mechanische en vloei-eigenschappen van de materialen tijdens het uithardingsproces op de schaal van een enkele voxel. Een voxel is een 3D-eenheid van volume, het equivalent van een pixel in een foto.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuwe op licht gebaseerde atomic force microscopy (AFM) techniek aangetoond - sample-coupled-resonance photorheology (SCRPR) - die meet hoe en waar de eigenschappen van een materiaal veranderen in realtime op de kleinste schubben tijdens het uithardingsproces.

"We hebben veel interesse in de methode van de industrie, alleen als resultaat van een paar conferentiegesprekken, "NIST materiaalonderzoeker Jason Killgore zei. Hij en zijn collega's hebben de techniek nu in het tijdschrift gepubliceerd Kleine methoden .

3d printen, of additieve fabricage, wordt geprezen om zijn flexibele, efficiënte productie van complexe onderdelen, maar heeft het nadeel dat het microscopisch kleine variaties in de eigenschappen van een materiaal introduceert. Omdat software de onderdelen als dunne lagen weergeeft en ze vervolgens in 3D reconstrueert voordat ze worden afgedrukt, de bulkeigenschappen van het fysieke materiaal komen niet meer overeen met die van de bedrukte delen. In plaats daarvan, de prestaties van gefabriceerde onderdelen zijn afhankelijk van de afdrukomstandigheden.

De nieuwe methode van NIST meet hoe materialen evolueren met een ruimtelijke resolutie van submicrometer en een tijdresolutie van minder dan een milliseconde - duizenden keren kleinschaliger en sneller dan bulkmeettechnieken. Onderzoekers kunnen SCRPR gebruiken om veranderingen tijdens een kuur te meten, het verzamelen van kritische gegevens voor het optimaliseren van de verwerking van materialen, variërend van biologische gels tot stijve harsen.

De nieuwe methode combineert AFM met stereolithografie, het gebruik van licht om fotoreactieve materialen van een patroon te voorzien, variërend van hydrogels tot versterkte acrylaten. Een geprinte voxel kan ongelijk zijn door variaties in lichtintensiteit of de diffusie van reactieve moleculen.

AFM kan snelle, minieme veranderingen in oppervlakken. In de NIST SCRPR-methode, de AFM-sonde is continu in contact met het monster. De onderzoekers pasten een commerciële AFM aan om een ​​ultraviolette laser te gebruiken om de vorming van het polymeer ("polymerisatie") te starten op of nabij het punt waar de AFM-sonde contact maakt met het monster.

De methode meet twee waarden op één locatie in de ruimte gedurende een eindige tijdspanne. specifiek, het meet de resonantiefrequentie (de frequentie van maximale trilling) en kwaliteitsfactor (een indicator van energiedissipatie) van de AFM-sonde, het volgen van veranderingen in deze waarden tijdens het polymerisatieproces. Deze gegevens kunnen vervolgens worden geanalyseerd met wiskundige modellen om materiaaleigenschappen zoals stijfheid en demping te bepalen.

De methode werd gedemonstreerd met twee materialen. Een daarvan was een polymeerfilm die door licht van een rubber in een glas werd omgezet. Onderzoekers ontdekten dat het uithardingsproces en de eigenschappen afhankelijk waren van blootstellingsvermogen en tijd en ruimtelijk complex waren, bevestiging van de noodzaak van snelle, metingen met hoge resolutie. Het tweede materiaal was een commerciële 3D-printhars die in 12 milliseconden van vloeibare in vaste vorm veranderde. Een stijging van de resonantiefrequentie leek op polymerisatie en verhoogde elasticiteit van de uithardende hars te wijzen. Daarom, onderzoekers gebruikten de AFM om topografische afbeeldingen te maken van een enkele gepolymeriseerde voxel.

Tot verbazing van de onderzoekers, interesse in de NIST-techniek reikte veel verder dan de initiële 3D-printtoepassingen. Bedrijven in de coatings, optica en additive manufacturing-velden hebben contact gezocht, en sommigen streven naar formele samenwerkingen, Dat zeggen NIST-onderzoekers.