2018/10/26
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原子力显微镜探索3D打印中使用的聚合物
C114中国通信网在光线下反应形成聚合物或长链分子的树脂和其他材料对于从建筑模型到功能性人体器官的3D打印部件是有吸引力的。但是，在单个体素的固化过程中，聚合物的机械和流动特性会发生什么变化，这一点很神秘。 （体素是体积的3D单位，相当于照片中的像素。）
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镜（AFM）技术，称为样品耦合共振光学流变学（SCRPR）。该技术测量材料在固化过程中以最小尺度实时变化的方式和位置。
3D打印或增材制造因其灵活，高效的复杂零件生产而受到称赞，但它的缺点是引入了材料特性的微观变化。由于软件将零件构建为薄层，然后在打印前将其重建为3D，因此物理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印刷条件。
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学流变学（SCRPR）来测量材料在3D打印和固化过程中在最小尺度下实时变化的方式和位置。
NIST的新方法测量材料如何随亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率的发展而变化，这种分辨率比体积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，以改善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，利用光线来模拟从水凝胶到增强丙烯酸树脂的光反应材料。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方法中，AFM探针持续与样品接触。研究人员采用商业AFM来使用紫外激光在AFM探针与样品接触的点处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一个位置处测量两个值。具体地，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。可以使用数学模型分析该数据以确定材料特性，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3D打印树脂，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制作单个聚合体素的地形图像。
对NIST技术的兴趣远远超出了最初的3D打印应用。据NIST的研究人员称，涂料和光学制造领域的公司也已经达成，有些正在进行正式的合作。
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