纳米圆柱体振动有助于量化3D打印聚合物固化

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员已朝着制作更精确，更均匀的3D打印零件（例如个性化义肢和牙科材料）迈出了一步，展示了一种测量液态原材料微观区域速率的方法暴露在光线下会硬化成固体塑料。

NIST的定制原子力显微镜（AFM）具有纳米级的圆柱形尖端，揭示了树脂固化的复杂过程，因为它们在光下反应形成聚合物，需要控制多少光能进入形成聚合物和3D打印过程中聚合物扩散或扩散的量。

NIST实验在一篇新论文中进行了描述 ，该实验表明，总体的曝光条件（而不是通常假设的总光能）控制聚合物的扩散程度。例如，以恒定或较短的时间增加光强度会降低树脂到聚合物的转化率，并可能使印刷零件的形状变形。这些测量仅需要几微升树脂，从而提供了一种降低制造和测试新型树脂成本的方法。

项目负责人杰森·基戈尔（Jason Killgore）表示：“这项研究真正挖掘了我们新的计量技术所提供的独特的过程和材料科学见解。”

该工作建立在NIST团队先前开发的相关AFM方法（ 样品耦合共振光流变学（SCRPR））的基础上 ，该方法可在固化过程中以最小尺度实时测量材料的特性和方式。这些测量是使用常规的锥形AFM探头进行的，该探头具有倾斜的侧面，因此不能可靠地测量局部液体的流量或厚度，在技术上称为粘度。

现在，NIST研究人员已经通过使用圆柱形AFM探针对粘度，转化和扩散进行了定量，该探针具有笔直的侧面并始终如一的液体流动。由于探针扰动树脂，其振动会减少一定量，具体取决于气缸长度和液体粘度。液态树脂粘度的增加与转化率有关，从而可以测量聚合物在空间和时间上的演变。

研究人员使用计算流体动力学来模拟减慢或衰减振荡的纳米圆柱体的力及其速度的变化，从而确定受运动影响的树脂量。通过将SCRPR阻尼与树脂粘度和转化率相关联，研究人员绘制了不同暴露条件下转化率与时间的空间关系图。

AFM配备了光调制器，该光调制器将来自LED的图案化光引导至树脂样品。快速固化树脂转化率的测量结果表明，在曝光后几秒钟内，聚合物从光源处积聚了几十微米，表明了扩散的程度和速度。灯光图案的大小很重要。在给定的光强度和持续时间下，更宽的功能导致更高的转换率。