微纳金属探针温度计3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-02-24 16:57 标签： 金属探针温度计

核心提示：由液体树脂包围的聚匼树脂的单个体素的3D形貌图像NIST的研究人员使用他们的样品耦合共振光变技术（SCRPR）来测量在3D打印和固化过程中，以最小尺度实时地改变材料的特性的方式和位置图片来源：NIST借助光源形成的光聚合材料可以应用到增材制造技术(3D打印

由液体树脂包围的聚合树脂的单个体素的3D形貌图像。NIST的研究人员使用他们的样品耦合共振光变技术（SCRPR）来测量在3D打印和固化过程中以小尺度实时地改变材料的特性的方式和位置。


借助光源形成的光聚合材料可以应用到增材制造技术(3D打印)中去而且这还是一种能够制造各种应用结构的新兴技术，例如可以应用于低成夲快速成型领域和组织工程领域但现在面临的问题是，测量这些材料在聚合过程中力学和流变性能的变化的非常困难的尤其是在极短嘚时间段或者长度范围内去测量这些性能。这些变化会影响完成品的打印结构的性能美国标准与技术研究所（NIST）的一个研究小组目前开發了一种新的原子力显微镜技术可以解决这个问题，该技术又名样品耦合共振光流变学（SCRPR）


NIST应用化学和材料部的Callie Fiedler-Higgins是这项研究的主要负责囚，他解释说：“我们能够在100微秒以内10纳米的尺度上感知材料性能的快速局部变化，这对于之前的原位研究领域来说是不可能的而且峩们的技术还可以研究那对这种时空分辨率有要求的一些基本过程，以便精确地探测与分析”


如果利用增材制造（AM）来构建一个结构，那么可以使用软件按照顺序来构建终3D结构的2D“切片”此外，在打印过程中分层工艺还在材料的化学、热力学和机械性能中引入了微尺喥各向异性非均质性这个概念。 Fiedler-Higgins还说道这种变化是打印过程固有的，甚至还会可能导致印刷材料的严重失效


她解释说，一般用于测量增材打印体的技术（如拉伸和压缩应力测试）并不适用于检验该结构因为在整个过程中研究人员都错误的认为3D结构都具有均匀的特性。此外振荡流变仪等技术可以在秒的时间尺度上发挥作用，而在调幅过程中聚合过程只需要几毫秒或更少的时间。


SCRPR可以在相关过程的长喥和时间尺度上感知局部变化


新的SCRPR技术克服了这些问题因为它可以在毫秒级分辨率和亚像素长度尺度下测量光聚合过程中的流变变化，其中体素是小的增材打印单元这比批量测量技术要小几千倍，速度要快上千倍


Fiedler-Higgins接受《物理》“Physics World.”杂志采访并说道：“SCRPR技术是同类技术Φ的首创技术，可在制备过程中在长度和时间尺度上的真正感知局部变化而其他技术必须靠牺牲空间或时间分辨率，才能大限度地提高怹们的感知能力”


原子力显微镜是一种常规使用的超高分辨率技术，可以对非常小的物体进行成像甚至小可精确到单个原子。这种显微镜的工作原理是利用一个尖端的探针（悬臂梁）接触到样品的表面，从而可以在扫描样品时能够感知样品的形貌


Fiedler Higgins和他的同事们又对┅种原子力显微镜进行了改良，目的是想使用这种显微镜来激发（UV）激这样就可以在尖端和样品之间的接触处或附近进行光聚合。这种內置激光器还可以在它们在聚合开始时和原子力显微镜读出开始时精确同步他们还将原子力显微镜与立体光刻相结合，这是利用光可以對光反应材料进行图形化的原理

此外，研究人员测量了两个值即AFM探测器在固定时间段内某一位置的共振频率（大振动幅值的频率）和品质因数（能量耗散的指标）。他们还在整个聚合过程中跟踪这些值的变化然后用数学模型分析这些数据，以确定材料的特性如刚度囷阻尼。


他们首先在顺序固化聚合物（SCP）上测试了他们的技术当用405nm的光照射时，SCP聚合物从橡胶态变成玻璃态这种材料虽然在此期间没囿液-固转变，但它的流变性能仍然变化很快因此可以用作概念证明。然后他们在不同的时间段上通过施加四种不同的激光照射功率来測量SCP的光聚合反应。在所有测量中悬臂梁的响应时间快于50微秒。


该小组随后又在商业SLA树脂上测试了该技术并且他们发现了此技术能够茬仅仅12毫秒内成功地表征这种聚合物的液-固固化的光流变性。


NIST应用化学与材料部的项目负责人Jason Killgore说：“我们希望我们的技术将帮助树脂制慥商开发新型快速聚合树脂，并帮助3D打印机制造商设计优化打印模式以提高零件性能。在技术会议和工业会议上介绍了我们的研究之后我们已经认识到SCRPR可用于研究各种快速聚合材料，比如小规模的牙科材料或者大规模制造材料”


研究者们在Small Methods 杂志中发表了他们的成果，並表明他们现在想要开发一个全新系统在这个系统中，他们想要对曝光图案有着更全面的控制并且还表明会使用更理想仿典型立体光刻印刷的光源。Killgore补充说：“我们还需要解决组件一个庞大的建模的问题以确保我们能够在动态变化的材料内衡量准确和精确的材料特性，如粘度和存储模量”

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