Recept för tredimensionell (3-D) utskrift, eller additiv tillverkning, delar har krävt lika mycket gissningar som vetenskap. Tills nu.

Hartser och andra material som reagerar under ljus för att bilda polymerer, eller långa kedjor av molekyler, är attraktiva för 3D-utskrift av delar som sträcker sig från arkitektoniska modeller till fungerande mänskliga organ. Men det har varit ett mysterium vad som händer med materialens mekaniska och flytande egenskaper under härdningsprocessen i skalan av en enda voxel. En voxel är en 3D-enhet av volym, motsvarande en pixel i ett foto.

Nu, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstrerat en ny ljusbaserad teknik för atomkraftsmikroskopi (AFM) – provkopplad resonansfotoreologi (SCRPR) – som mäter hur och var ett materials egenskaper förändras i realtid vid de minsta fjällen under härdningsprocessen.

"Vi har haft ett stort intresse för metoden från industrin, bara som ett resultat av några konferenssamtal, " sa NISTs materialforskningsingenjör Jason Killgore. Han och hans kollegor har nu publicerat tekniken i tidskriften Små metoder .

3d-utskrivning, eller additiv tillverkning, prisas för flexibel, effektiv produktion av komplexa delar men har nackdelen att introducera mikroskopiska variationer i ett material egenskaper. Eftersom programvaran återger delarna som tunna lager och sedan rekonstruerar dem i 3D före utskrift, det fysiska materialets bulkegenskaper matchar inte längre de tryckta delarnas. Istället, prestandan hos tillverkade delar beror på tryckförhållandena.

NIST:s nya metod mäter hur material utvecklas med submikrometer rumslig upplösning och submillisekunder tidsupplösning - tusentals gånger mindre och snabbare än bulkmätningstekniker. Forskare kan använda SCRPR för att mäta förändringar under en kur, samla in kritiska data för att optimera bearbetningen av material från biologiska geler till styva hartser.

Den nya metoden kombinerar AFM med stereolitografi, användningen av ljus för att mönstra fotoreaktiva material, allt från hydrogeler till förstärkta akryler. En tryckt voxel kan bli ojämn på grund av variationer i ljusintensitet eller diffusion av reaktiva molekyler.

AFM kan känna snabbt, små förändringar i ytorna. I NIST SCRPR-metoden, AFM-sonden är kontinuerligt i kontakt med provet. Forskarna anpassade en kommersiell AFM för att använda en ultraviolett laser för att starta bildningen av polymeren ("polymerisation") vid eller nära den punkt där AFM-sonden kommer i kontakt med provet.

Metoden mäter två värden på en plats i rymden under en begränsad tidsperiod. Specifikt, den mäter resonansfrekvensen (frekvensen för maximal vibration) och kvalitetsfaktor (en indikator på energiförlust) för AFM-sonden, spåra förändringar i dessa värden under hela polymerisationsprocessen. Dessa data kan sedan analyseras med matematiska modeller för att bestämma materialegenskaper som styvhet och dämpning.

Metoden demonstrerades med två material. Den ena var en polymerfilm omvandlad av ljus från ett gummi till ett glas. Forskare fann att härdningsprocessen och egenskaperna berodde på exponeringskraft och tid och var rumsligt komplexa, bekräftar behovet av snabb, högupplösta mätningar. Det andra materialet var ett kommersiellt 3D-tryckharts som ändrades från flytande till fast form på 12 millisekunder. En ökning av resonansfrekvensen tycktes signalera polymerisation och ökad elasticitet hos det härdande hartset. Därför, forskare använde AFM för att göra topografiska bilder av en enda polymeriserad voxel.

Förvånade forskarna, intresset för NIST-tekniken har sträckt sig långt bortom de ursprungliga 3-D-utskriftstillämpningarna. Företag inom beläggningar, optik och additiv tillverkning har nått ut, och några strävar efter formella samarbeten, NIST-forskare säger.