Micrografia SEM de uma varredura de parâmetro cubóide compreendendo 10 x 10 elementos fabricados via TPP a partir do fotorresistente IP-Q. Crédito:Os Autores doi:10.1117/1.JOM.2.3.033501.
A manufatura aditiva (MA) usando litografia de polimerização de dois fótons (TPP) aumentou em uso na indústria e na pesquisa. Atualmente, uma das principais restrições do TPP em geral e especificamente do material IP-Q (Nanoscribe GmbH, Alemanha) é o acesso limitado dos usuários ao conhecimento sobre as propriedades do material. Devido à natureza do processo, as propriedades elásticas em particular dependem não apenas do material utilizado, mas também do tamanho da estrutura, processo e parâmetros de fabricação. Por exemplo, antes da pesquisa publicada recentemente no
Journal of Optical Microsystems , não foram relatados valores de grau de conversão (DC) e módulo de Young (E) para IP-Q.
Devido à natureza do processo, as propriedades elásticas em particular dependem não apenas do material utilizado, mas também do tamanho da estrutura, dos parâmetros do processo e da estratégia de eclosão. Uma abordagem comum usa uma combinação de espectroscopia Raman e nanoindentação para caracterizar a DC de monômero para polímero mensurável via espectroscopia Raman, que pode então ser relacionada ao comportamento mecânico do material, mensurável via nanoindentação.
Pesquisas em andamento sobre metarredes acústicas e metamateriais fabricados em MEMS se beneficiariam de parâmetros elásticos otimizados para fornecer ajustabilidade do comportamento acústico, pois afetam diretamente a impedância acústica característica. AM engloba processos com os quais objetos podem ser criados tridimensionalmente a partir de um desenho técnico. Os dados são enviados para um sistema AM, que então realiza a fabricação. AM via TPP é baseado na cura seletiva de um precursor líquido para criar estruturas sólidas dentro de uma gota de monômero. Depois, o líquido restante é lavado. As aplicações TPP bem conhecidas são estruturas ópticas submicrométricas, onde o IP-Dip fotorresistente (Nanoscribe GmbH, Alemanha) é comumente utilizado. O fotorresistente IP-Q desenvolvido mais recentemente foi projetado pelo mesmo fabricante para aplicações maiores, por ex. montagens, moldes e metamateriais estruturais. Estruturas de amostra de cada um dos dois fotorresistentes foram produzidas em varreduras de parâmetros. Isso permite a comparação dos parâmetros do processo com as características resultantes. Foi empregada a espectroscopia Raman, que é um método de análise sem contato para caracterização de materiais em que a luz monocromática é espalhada pelo material.
A reflexão compreende não apenas o comprimento de onda irradiado, mas também o espalhamento Raman. Os picos característicos do espectro de espalhamento Raman podem ser usados para a identificação de substâncias químicas. Em nosso trabalho, ele foi usado para determinar a proporção de monômero para polímero – ou DC – nas amostras de TPP.
Gráfico de dispersão do módulo de Young de 92 cubóides viáveis baseados em IP-Dip em comparação com seu valor DC correspondente, incluindo uma linha tracejada com =(9,52 DC – 0,56) GPa representando pontos de dados ajustados de Bauer et al. (a) e um gráfico de dispersão do valor de 68 cubóides viáveis baseados em IP-Q (b) em comparação com seus correspondentes DC. As medições de indentação das amostras IP-Q e IP-Dip têm um desvio padrão relativo médio de 2,5% e 3,7%, respectivamente. Crédito:Os Autores doi:10.1117/1.JOM.2.3.033501
Micro e nanoindentação foram usadas para testar as propriedades mecânicas das amostras. Uma ponta dura cujas propriedades mecânicas são conhecidas é pressionada na amostra cujas propriedades são desconhecidas. A partir da inclinação da curva de carga versus deslocamento, foram calculados os valores de E.
Finalmente, varreduras de parâmetros de estruturas de amostra cubóides fabricadas usando TPP foram investigadas através dos parâmetros potência do laser e velocidade de varredura para encontrar propriedades dependentes. Os fotorresistes empregados foram examinados usando espectroscopia Raman para encontrar a DC de monômero para polímero e, posteriormente, micro ou nanoindentação foram usadas para encontrar E.
Para IP-Dip, a DC e E alcançadas variaram de 20 a 45% e 1 a 2,1 GPa, respectivamente. Os resultados foram comparados com relatos encontrados na literatura. Para IP-Q, a DC e E alcançadas variaram de 53 a 80% e 0,5 a 1,3 GPa, respectivamente. As propriedades caracterizadas do IP-Q se manifestam como o estado atual do conhecimento do material.
"Desta forma, oferecer uma abordagem para otimizar os parâmetros elásticos de estruturas fabricadas em TPP será benéfico para vários tópicos de pesquisa em andamento. Uma aplicação promissora para este método é a caracterização dos parâmetros elásticos de metarredes acústicas e metamateriais fabricados em MEMS. Esses dispositivos pode ser implementado de forma benéfica em ciências da vida, mobilidade e aplicações industriais", disse Severin Schweiger, do Instituto Fraunhofer de Microsistemas Fotônicos e da Universidade de Tecnologia de Brandenburgo, na Alemanha.
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