SEM-mikrofotografi av ett kubiskt parametersvep innefattande 10 x 10 element tillverkade via TPP från fotoresisten IP-Q. Kredit:The Authors doi:10.1117/1.JOM.2.3.033501.
Additiv tillverkning (AM) med tvåfotonpolymerisationslitografi (TPP) har ökat i användning inom industri och forskning. För närvarande är en stor begränsning för TPP i allmänhet och specifikt för materialet IP-Q (Nanoscribe GmbH, Tyskland) användarnas begränsade tillgång till kunskap om materialegenskaper. På grund av processens natur beror särskilt de elastiska egenskaperna inte bara på det använda materialet utan också på strukturstorlek, process och tillverkningsparametrar. Till exempel före forskning som nyligen publicerats i Journal of Optical Microsystems , ingen grad av omvandling (DC) och Youngs modul (E)-värden för IP-Q hade rapporterats.
På grund av processens natur beror särskilt de elastiska egenskaperna inte bara på det använda materialet utan också på strukturstorlek, processparametrar och kläckningsstrategi. Ett vanligt tillvägagångssätt använder en kombination av Ramanspektroskopi och nanoindentation för att karakterisera DC av monomer till polymer som kan mätas via Ramanspektroskopi, vilket sedan kan relateras till materialets mekaniska beteende, mätbart via nanoindentation.
Pågående forskning om akustiska metagrateringar och metamaterial tillverkade på MEMS skulle dra nytta av optimerade elastiska parametrar för att ge justerbarhet av det akustiska beteendet, eftersom de påverkar den karakteristiska akustiska impedansen direkt. AM omfattar processer med vilka objekt kan skapas tredimensionellt från en teknisk ritning. Data skickas till ett AM-system som sedan utför tillverkningen. AM via TPP är baserat på selektiv härdning av en flytande prekursor för att skapa fasta strukturer inuti en droppe monomer. Efteråt sköljs den överblivna vätskan bort. Välkända TPP-tillämpningar är optiska submikronstrukturer, där fotoresistens IP-Dip (Nanoscribe GmbH, Tyskland) vanligtvis används. Den mer nyligen utvecklade fotoresisten IP-Q designades av samma tillverkare för större applikationer, t.ex. fästen, formar och strukturella metamaterial. Provstrukturer från var och en av de två fotoresisterna producerades i parametersvep. Detta möjliggör jämförelse av processparametrar med de resulterande egenskaperna. Ramanspektroskopi användes, vilket är en beröringsfri analysmetod för materialkarakterisering där monokromatiskt ljus sprids från materialet.
Reflexionen omfattar inte bara den bestrålade våglängden utan även Raman-spridning. De karakteristiska topparna i Raman-spridningsspektrumet kan användas för identifiering av kemiska ämnen. I vårt arbete användes det för att bestämma förhållandet mellan monomer och polymer – eller DC – i TPP-proverna.
Spridningsdiagram för Youngs modul för 92 livskraftiga IP-Dip-baserade kuboider i jämförelse med deras motsvarande DC-värde inklusive en streckad linje med =(9,52 DC – 0,56) GPa som representerar anpassade datapunkter från Bauer et al. (a) och ett spridningsdiagram för värdet av 68 livskraftiga IP-Q-baserade kuboider (b) i jämförelse med deras motsvarande DC. Fördjupningsmätningarna för IP-Q- och IP-Dip-proverna har en relativ standardavvikelse på i genomsnitt 2,5 % respektive 3,7 %. Kredit:The Authors doi:10.1117/1.JOM.2.3.033501
Mikro- och nanoindentation användes för att testa provernas mekaniska egenskaper. En hård spets vars mekaniska egenskaper är kända pressas in i provet vars egenskaper är okända. Från lutningen på kurvan för last mot förskjutning beräknades E-värden.
Slutligen undersöktes parametersvep av kubiska provstrukturer tillverkade med TPP över parametrarna laserkraft och skanningshastighet för att hitta beroende egenskaper. De använda fotoresisterna undersöktes med hjälp av Raman-spektroskopi för att hitta DC av monomer till polymer, och därefter användes mikro- eller nanoindentation för att hitta E.
För IP-Dip varierade den uppnådda DC och E från 20 till 45 % respektive 1 till 2,1 GPa. Resultaten jämfördes med rapporter som finns i litteraturen. För IP-Q varierade den uppnådda DC och E från 53 till 80 % respektive 0,5 till 1,3 GPa. De karakteriserade egenskaperna hos IP-Q visar sig som det aktuella kunskapsläget för materialet.
"På detta sätt kommer att erbjuda ett tillvägagångssätt för att optimera elastiska parametrar för TPP-tillverkade strukturer vara fördelaktigt för olika pågående forskningsämnen. En lovande tillämpning för denna metod är karakteriseringen av de elastiska parametrarna för akustiska metagrateringar och metamaterial tillverkade på MEMS. Dessa enheter kan sedan implementeras med fördel inom biovetenskap, mobilitet och industriella tillämpningar", säger Severin Schweiger från Fraunhofer Institute of Photonic Microsystems och Brandenburgs tekniska universitet i Tyskland. + Utforska vidare
