Ricette per la stampa tridimensionale (3D), o produzione additiva, di parti hanno richiesto tante congetture quanto la scienza. Fino ad ora.

Resine e altri materiali che reagiscono alla luce per formare polimeri, o lunghe catene di molecole, sono attraenti per la stampa 3D di parti che vanno dai modelli architettonici agli organi umani funzionanti. Ma è stato un mistero cosa succede alle proprietà meccaniche e di flusso dei materiali durante il processo di polimerizzazione alla scala di un singolo voxel. Un voxel è un'unità tridimensionale di volume, l'equivalente di un pixel in una foto.

Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno dimostrato una nuova tecnica di microscopia a forza atomica (AFM) basata sulla luce, la fotoreologia a risonanza accoppiata campione (SCRPR), che misura come e dove le proprietà di un materiale cambiano in tempo reale a le squame più piccole durante il processo di polimerizzazione.

"Abbiamo avuto un sacco di interesse per il metodo dall'industria, proprio a seguito di alcune conferenze, " Ha detto Jason Killgore, ingegnere di ricerca sui materiali del NIST. Lui e i suoi colleghi hanno ora pubblicato la tecnica sulla rivista Piccoli metodi .

Stampa 3D, o produzione additiva, è lodato per la flessibilità, produzione efficiente di parti complesse ma presenta lo svantaggio di introdurre variazioni microscopiche nelle proprietà di un materiale. Poiché il software rende le parti come strati sottili e poi le ricostruisce in 3D prima della stampa, le proprietà di massa del materiale fisico non corrispondono più a quelle delle parti stampate. Anziché, le prestazioni delle parti fabbricate dipendono dalle condizioni di stampa.

Il nuovo metodo del NIST misura l'evoluzione dei materiali con una risoluzione spaziale submicrometrica e una risoluzione temporale inferiore al millisecondo, migliaia di volte su scala più piccola e più veloce rispetto alle tecniche di misurazione di massa. I ricercatori possono utilizzare SCRPR per misurare i cambiamenti durante una cura, raccogliere dati critici per ottimizzare la lavorazione di materiali che vanno dai gel biologici alle resine rigide.

Il nuovo metodo combina l'AFM con la stereolitografia, l'uso di materiali fotoreattivi leggeri per modellare che vanno dagli idrogel agli acrilici rinforzati. Un voxel stampato può risultare irregolare a causa delle variazioni di intensità della luce o della diffusione di molecole reattive.

AFM può rilevare rapidamente, piccoli cambiamenti nelle superfici. Nel metodo NIST SCRPR, la sonda AFM è continuamente in contatto con il campione. I ricercatori hanno adattato un AFM commerciale per utilizzare un laser ultravioletto per avviare la formazione del polimero ("polimerizzazione") in corrispondenza o vicino al punto in cui la sonda AFM contatta il campione.

Il metodo misura due valori in una posizione nello spazio durante un intervallo di tempo finito. Nello specifico, misura la frequenza di risonanza (la frequenza di massima vibrazione) e il fattore di qualità (un indicatore di dissipazione di energia) della sonda AFM, monitoraggio delle variazioni di questi valori durante il processo di polimerizzazione. Questi dati possono quindi essere analizzati con modelli matematici per determinare le proprietà dei materiali come rigidità e smorzamento.

Il metodo è stato dimostrato con due materiali. Uno era un film polimerico trasformato dalla luce da una gomma in un vetro. I ricercatori hanno scoperto che il processo e le proprietà di polimerizzazione dipendevano dalla potenza e dal tempo di esposizione ed erano spazialmente complessi, confermando la necessità di un veloce, misurazioni ad alta risoluzione. Il secondo materiale era una resina per stampa 3D commerciale che si è trasformata da liquida in forma solida in 12 millisecondi. Un aumento della frequenza di risonanza sembrava segnalare la polimerizzazione e una maggiore elasticità della resina polimerizzante. Perciò, i ricercatori hanno utilizzato l'AFM per creare immagini topografiche di un singolo voxel polimerizzato.

Sorprendendo i ricercatori, l'interesse per la tecnica NIST si è esteso ben oltre le iniziali applicazioni di stampa 3D. Aziende nei rivestimenti, i settori dell'ottica e della manifattura additiva hanno raggiunto, e alcuni stanno perseguendo collaborazioni formali, Dicono i ricercatori del NIST.