Recetas para impresión tridimensional (3-D), o fabricación aditiva, de las partes han requerido tantas conjeturas como la ciencia. Hasta ahora.

Resinas y otros materiales que reaccionan a la luz para formar polímeros, o largas cadenas de moléculas, son atractivos para la impresión 3D de piezas que van desde modelos arquitectónicos hasta órganos humanos en funcionamiento. Pero ha sido un misterio lo que sucede con las propiedades mecánicas y de flujo de los materiales durante el proceso de curado a la escala de un solo vóxel. Un vóxel es una unidad de volumen 3-D, el equivalente a un píxel en una foto.

Ahora, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado una nueva técnica de microscopía de fuerza atómica (AFM) basada en la luz, fotorreología de resonancia acoplada a muestras (SCRPR), que mide cómo y dónde cambian las propiedades de un material en tiempo real en las escamas más pequeñas durante el proceso de curado.

"Hemos tenido mucho interés en el método de la industria, solo como resultado de algunas conferencias, "Jason Killgore, ingeniero de investigación de materiales del NIST, dijo. Él y sus colegas han publicado la técnica en la revista Pequeños métodos .

Impresión 3d, o fabricación aditiva, es alabado por ser flexible, producción eficiente de piezas complejas, pero tiene la desventaja de introducir variaciones microscópicas en las propiedades de un material. Debido a que el software procesa las piezas como capas delgadas y luego las reconstruye en 3-D antes de imprimir, Las propiedades a granel del material físico ya no coinciden con las de las piezas impresas. En lugar de, el rendimiento de las piezas fabricadas depende de las condiciones de impresión.

El nuevo método de NIST mide cómo evolucionan los materiales con una resolución espacial submicrométrica y una resolución de tiempo submilisegundo, miles de veces a menor escala y más rápido que las técnicas de medición de volumen. Los investigadores pueden usar SCRPR para medir los cambios a lo largo de una cura, recopilar datos críticos para optimizar el procesamiento de materiales que van desde geles biológicos hasta resinas rígidas.

El nuevo método combina AFM con estereolitografía, el uso de luz para modelar materiales fotorreactivos que van desde hidrogeles hasta acrílicos reforzados. Un vóxel impreso puede resultar irregular debido a variaciones en la intensidad de la luz o la difusión de moléculas reactivas.

AFM puede detectar rápido, cambios mínimos en las superficies. En el método NIST SCRPR, la sonda AFM está continuamente en contacto con la muestra. Los investigadores adaptaron un AFM comercial para usar un láser ultravioleta para iniciar la formación del polímero ("polimerización") en o cerca del punto donde la sonda AFM entra en contacto con la muestra.

El método mide dos valores en una ubicación en el espacio durante un período de tiempo finito. Específicamente, Mide la frecuencia de resonancia (la frecuencia de vibración máxima) y el factor de calidad (un indicador de disipación de energía) de la sonda AFM, seguimiento de los cambios en estos valores a lo largo del proceso de polimerización. Luego, estos datos se pueden analizar con modelos matemáticos para determinar las propiedades del material, como la rigidez y la amortiguación.

El método se demostró con dos materiales. Uno era una película de polímero transformada por la luz de una goma en un vidrio. Los investigadores encontraron que el proceso de curado y las propiedades dependían del poder y el tiempo de exposición y eran espacialmente complejos, confirmando la necesidad de ayuno, mediciones de alta resolución. El segundo material fue una resina de impresión 3D comercial que cambió de forma líquida a sólida en 12 milisegundos. Un aumento en la frecuencia de resonancia pareció indicar polimerización y aumento de la elasticidad de la resina de curado. Por lo tanto, Los investigadores utilizaron el AFM para hacer imágenes topográficas de un solo vóxel polimerizado.

Sorprendendo a los investigadores, El interés en la técnica NIST se ha extendido mucho más allá de las aplicaciones iniciales de impresión 3D. Empresas en los recubrimientos, los campos de la óptica y la fabricación aditiva se han extendido, y algunos buscan colaboraciones formales, Dicen los investigadores del NIST.