Receitas para impressão tridimensional (3-D), ou manufatura aditiva, de partes exigiu tanto trabalho de adivinhação quanto ciência. Até agora.

Resinas e outros materiais que reagem sob a luz para formar polímeros, ou longas cadeias de moléculas, são atraentes para impressão 3-D de peças que variam de modelos arquitetônicos a órgãos humanos em funcionamento. Mas é um mistério o que acontece com as propriedades mecânicas e de fluxo dos materiais durante o processo de cura na escala de um único voxel. Um voxel é uma unidade 3-D de volume, o equivalente a um pixel em uma foto.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) demonstraram uma nova técnica de microscopia de força atômica baseada em luz (AFM) - fotorreologia de ressonância acoplada de amostra (SCRPR) - que mede como e onde as propriedades de um material mudam em tempo real em as menores escamas durante o processo de cura.

"Temos muito interesse da indústria no método, apenas como resultado de algumas palestras na conferência, "Disse o engenheiro de pesquisa de materiais do NIST, Jason Killgore. Ele e seus colegas já publicaram a técnica no jornal Métodos Pequenos .

impressao 3D, ou manufatura aditiva, é elogiado por ser flexível, produção eficiente de peças complexas, mas tem a desvantagem de introduzir variações microscópicas nas propriedades de um material. Como o software renderiza as peças como camadas finas e as reconstrói em 3-D antes de imprimir, as propriedades de volume do material físico não correspondem mais às das peças impressas. Em vez de, o desempenho das peças fabricadas depende das condições de impressão.

O novo método do NIST mede como os materiais evoluem com resolução espacial submicrométrica e resolução de tempo submilissegundo - em escala milhares de vezes menor e mais rápida do que as técnicas de medição em massa. Os pesquisadores podem usar o SCRPR para medir as mudanças ao longo de uma cura, coleta de dados críticos para otimizar o processamento de materiais que variam de géis biológicos a resinas rígidas.

O novo método combina AFM com estereolitografia, o uso de luz para padronizar materiais foto-reativos que variam de hidrogéis a acrílicos reforçados. Um voxel impresso pode resultar irregular devido a variações na intensidade da luz ou a difusão de moléculas reativas.

AFM pode detectar rapidamente, mudanças mínimas nas superfícies. No método NIST SCRPR, a sonda AFM está continuamente em contato com a amostra. Os pesquisadores adaptaram um AFM comercial para usar um laser ultravioleta para iniciar a formação do polímero ("polimerização") no ou próximo ao ponto onde a sonda de AFM entra em contato com a amostra.

O método mede dois valores em um local no espaço durante um intervalo de tempo finito. Especificamente, ele mede a frequência de ressonância (a frequência de vibração máxima) e o fator de qualidade (um indicador de dissipação de energia) da sonda AFM, rastrear mudanças nesses valores ao longo do processo de polimerização. Esses dados podem então ser analisados ​​com modelos matemáticos para determinar as propriedades do material, como rigidez e amortecimento.

O método foi demonstrado com dois materiais. Um era um filme de polímero transformado pela luz de borracha em vidro. Os pesquisadores descobriram que o processo de cura e as propriedades dependiam do poder de exposição e do tempo e eram espacialmente complexos, confirmando a necessidade de rápido, medições de alta resolução. O segundo material era uma resina de impressão 3-D comercial que mudou da forma líquida para a forma sólida em 12 milissegundos. Um aumento na frequência de ressonância parecia sinalizar a polimerização e aumentar a elasticidade da resina de cura. Portanto, os pesquisadores usaram o AFM para fazer imagens topográficas de um único voxel polimerizado.

Surpreendendo os pesquisadores, o interesse na técnica NIST se estendeu muito além das aplicações iniciais de impressão 3-D. Empresas nos revestimentos, os campos de ótica e manufatura aditiva alcançaram, e alguns estão buscando colaborações formais, Pesquisadores do NIST dizem.