零件的三维(3D)打印或增材制造的配方需要的猜测和科学一样多。直到现在。研究人员展示了一种新型的基于光的原子力显微镜(AFM)技术——样品-耦合-共振光流变学(SCRPR)——可以在固化过程中以最小的尺度实时测量材料的性能变化。
聚合树脂的单个体素的三维地形图，被液体树脂包围。NIST的研究人员使用他们的样品-耦合-共振光流变学(SCRPR)技术来测量材料在3D打印和固化过程中，在最小的尺度上如何和在哪里实时地改变材料的性能。
来源:国家标准
零件的三维(3D)打印或增材制造的配方需要的猜测和科学一样多。直到现在。
树脂和其他材料在光下反应形成聚合物，或长链分子，对3D打印从建筑模型到人体器官的各个部分都很有吸引力。但是，在单一体素的尺度下，在固化过程中，材料的机械性能和流动性能发生了什么变化一直是个谜。体素是三维体积单位，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——样品-耦合-共振光流变学(SCRPR)——可以在固化过程中以最小的尺度实时测量材料的性能变化。
NIST材料研究工程师Jason Killgore说:“我们对该方法的兴趣来自于业界，就像几次会议讨论的结果一样。”他和他的同事现在已经在《小方法》杂志上发表了这项技术。
3D打印，或增材制造，以灵活、高效的复杂零件生产而著称，但缺点是在材料性能上引入微观变化。因为软件将零件渲染成薄层，然后在打印前用3D技术重新构建，所以物理材料的体积性能不再与印刷零件匹配。相反，制造零件的性能取决于印刷条件。
NIST的新方法测量材料如何以亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率发展——比批量测量技术小几千倍，快几千倍。研究人员可以使用SCRPR来测量整个治疗过程中的变化，收集关键数据以优化从生物凝胶到硬树脂等材料的加工。
这种新方法结合了原子力显微镜和立体石印技术，利用光对从水凝胶到增强的丙烯酸树脂等反应性材料进行图案设计。印刷体素可能由于光强的变化或活性分子的扩散而不均匀。
AFM可以感知表面的快速微小变化。在NIST SCRPR方法中，AFM探针与样品连续接触。研究人员使用一种商用的AFM，在AFM探针接触样品的点或点附近使用紫外线激光开始聚合物的形成(“聚合”)。
该方法在有限的时间间隔内测量空间中一个位置的两个值。具体来说，它测量AFM探头的共振频率(最大振动频率)和质量系数(能量耗散的指标)，跟踪这些值在聚合过程中的变化。然后，这些数据可以用数学模型进行分析，以确定材料的特性，如刚度和阻尼。
用两种材料进行了验证。一种是一种聚合物薄膜，通过光从橡胶转化为玻璃。研究人员发现，固化过程和性能取决于暴露功率和时间，而且空间上很复杂，这证实了对快速、高分辨率测量的需要。第二种材料是一种商业3D打印树脂，在12毫秒内从液体变成固体。共振频率的增加似乎预示着聚合和固化树脂弹性的增加。因此，研究人员使用AFM制作单个聚合体素的地形图像。
令研究人员惊讶的是，NIST技术的兴趣已经远远超出了最初的3D打印应用。NIST的研究人员说，涂料、光学和增材制造领域的公司已经开始接触，一些公司正在寻求正式合作。
——文章发布于2018年10月9日
