Recettes pour l'impression tridimensionnelle (3D), ou fabrication additive, des pièces ont exigé autant de conjectures que la science. Jusqu'à maintenant.

Résines et autres matériaux qui réagissent à la lumière pour former des polymères, ou de longues chaînes de molécules, sont attrayants pour l'impression 3D de pièces allant des modèles architecturaux aux organes humains fonctionnels. Mais ce qui arrive aux propriétés mécaniques et d'écoulement des matériaux pendant le processus de durcissement à l'échelle d'un seul voxel reste un mystère. Un voxel est une unité de volume 3D, l'équivalent d'un pixel dans une photo.

Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont démontré une nouvelle technique de microscopie à force atomique (AFM) basée sur la lumière - la photorhéologie à résonance couplée à l'échantillon (SCRPR) - qui mesure comment et où les propriétés d'un matériau changent en temps réel à les plus petites écailles pendant le processus de durcissement.

"Nous avons eu une tonne d'intérêt pour la méthode de l'industrie, juste à la suite de quelques conférences, " L'ingénieur de recherche sur les matériaux du NIST, Jason Killgore, a déclaré. Lui et ses collègues ont maintenant publié la technique dans le journal Petites méthodes .

impression en 3D, ou fabrication additive, est loué pour sa flexibilité, production efficace de pièces complexes mais présente l'inconvénient d'introduire des variations microscopiques dans les propriétés d'un matériau. Parce que le logiciel restitue les pièces sous forme de couches minces, puis les reconstruit en 3D avant l'impression, les propriétés de masse du matériau physique ne correspondent plus à celles des pièces imprimées. Au lieu, les performances des pièces fabriquées dépendent des conditions d'impression.

La nouvelle méthode du NIST mesure l'évolution des matériaux avec une résolution spatiale submicrométrique et une résolution temporelle submilliseconde, des milliers de fois à plus petite échelle et plus rapidement que les techniques de mesure en vrac. Les chercheurs peuvent utiliser SCRPR pour mesurer les changements tout au long d'une cure, collecter des données critiques pour optimiser le traitement de matériaux allant des gels biologiques aux résines rigides.

La nouvelle méthode combine l'AFM avec la stéréolithographie, l'utilisation de la lumière pour modeler des matériaux photoréactifs allant des hydrogels aux acryliques renforcés. Un voxel imprimé peut s'avérer irrégulier en raison des variations d'intensité lumineuse ou de la diffusion de molécules réactives.

L'AFM peut détecter rapidement, changements infimes des surfaces. Dans la méthode NIST SCRPR, la sonde AFM est en contact permanent avec l'échantillon. Les chercheurs ont adapté un AFM commercial pour utiliser un laser ultraviolet pour démarrer la formation du polymère ("polymérisation") au niveau ou près du point où la sonde AFM entre en contact avec l'échantillon.

La méthode mesure deux valeurs à un endroit dans l'espace pendant une période de temps finie. Spécifiquement, il mesure la fréquence de résonance (la fréquence de vibration maximale) et le facteur de qualité (un indicateur de dissipation d'énergie) de la sonde AFM, suivre les changements de ces valeurs tout au long du processus de polymérisation. Ces données peuvent ensuite être analysées avec des modèles mathématiques pour déterminer les propriétés des matériaux telles que la rigidité et l'amortissement.

La méthode a été démontrée avec deux matériaux. L'un était un film polymère transformé par la lumière d'un caoutchouc en un verre. Les chercheurs ont découvert que le processus et les propriétés de durcissement dépendaient de la puissance et du temps d'exposition et étaient spatialement complexes, confirmant la nécessité de jeûner, mesures à haute résolution. Le deuxième matériau était une résine d'impression 3D commerciale qui passait de la forme liquide à la forme solide en 12 millisecondes. Une augmentation de la fréquence de résonance a semblé signaler une polymérisation et une élasticité accrue de la résine de durcissement. Par conséquent, les chercheurs ont utilisé l'AFM pour faire des images topographiques d'un seul voxel polymérisé.

Surprenant les chercheurs, l'intérêt pour la technique du NIST s'est étendu bien au-delà des premières applications d'impression 3D. Entreprises dans les revêtements, les domaines de l'optique et de la fabrication additive se sont étendus, et certains poursuivent des collaborations formelles, Les chercheurs du NIST disent.