En un paso hacia la fabricación de piezas impresas en 3D más precisas y uniformes, como prótesis personalizadas y materiales dentales, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado un método para medir la velocidad a la que las regiones microscópicas de una materia prima líquida se endurecen y se convierten en un plástico sólido cuando se exponen a la luz.

El microscopio de fuerza atómica (AFM) personalizado del NIST con una escala nanométrica, La punta en forma de cilindro reveló que el complejo proceso de curado de resinas, ya que reaccionan a la luz para formar polímeros, requiere controlar la cantidad de energía de la luz que se destina a formar el polímero y la cantidad de polímero que se esparce, o difunde, durante la impresión 3D.

Descrito en un nuevo artículo, Los experimentos del NIST mostraron que las condiciones generales de exposición a la luz, no solo la energía óptica total como se supone a menudo, controlar hasta qué punto se difunde el polímero. Por ejemplo, el aumento de la intensidad de la luz durante una duración constante o más corta reduce la conversión de resina en polímero y podría distorsionar la forma de una pieza impresa. Las mediciones requirieron solo unos pocos microlitros de resina, ofreciendo una forma de reducir los costos de fabricación y prueba de resinas novedosas.

"Esta investigación realmente profundiza en el conocimiento único de la ciencia de los materiales y los procesos que brindan nuestras nuevas técnicas de metrología, ", dijo el líder del proyecto Jason Killgore.

El trabajo se basa en el desarrollo previo por parte del equipo del NIST de un método AFM relacionado, fotorreología de resonancia acoplada a muestras (SCRPR), que mide cómo y dónde cambian las propiedades de un material en tiempo real a las escalas más pequeñas durante el proceso de curado. Esas mediciones se realizaron con métodos convencionales, sondas AFM ahusadas, que tienen lados en ángulo y, por lo tanto, no pueden medir de manera confiable el flujo o el espesor de líquido localizado, técnicamente denominado viscosidad.

Ahora, Los investigadores del NIST han cuantificado la viscosidad, conversión y difusión mediante el uso de una sonda AFM cilíndrica, que tiene lados rectos rodeados por un flujo de líquido constante. Las vibraciones de la sonda, mientras perturban la resina, se reducen en una cantidad que depende de la longitud del cilindro y la viscosidad del líquido. El aumento de la viscosidad de la resina líquida está relacionado con la conversión, permitiendo mediciones de la evolución del polímero en el espacio y el tiempo.

Los investigadores utilizaron la dinámica de fluidos computacional para modelar la fuerza que desacelera, o amortiguación, el nanocilindro oscilante y los cambios resultantes en su velocidad para determinar la cantidad de resina afectada por el movimiento. Al relacionar la amortiguación SCRPR con la viscosidad y conversión de la resina, los investigadores elaboraron mapas espaciales de conversión en función del tiempo para diferentes condiciones de exposición.

El AFM estaba equipado con un modulador de luz que dirigía la luz modelada desde un LED a la muestra de resina. Las mediciones de la conversión de una resina de curado rápido mostraron que el polímero se acumulaba a decenas de micrómetros de la fuente de luz a los pocos segundos de la exposición. indicando el grado y la velocidad de difusión. El tamaño del patrón de luz era importante; las características más amplias condujeron a una mayor conversión a una determinada intensidad de luz y duración (ver imagen).

SCRPR ha atraído el interés de la industria. Hasta ahora, una empresa ha visitado NIST para utilizar la instrumentación, Dijo Killgore.