Nature子刊：卡爾斯魯厄理工學(xué)院尋找激光直寫（DLW）最佳打印參數(shù)！

導(dǎo)讀：激光直寫3D打印技術(shù)是利用超短激光脈沖制造復(fù)雜的三維模型的一種有效技術(shù)。雖然，激光直寫技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但設(shè)計和制造具有不同功能的高性能材料仍然是一個挑戰(zhàn)，這些材料通常需要兼具高強度、高延展性和特制功能。同時，在小尺寸模型制造方面，激光直寫工藝也有一定的困難。在打印過程中很難觀測打印過程。

2022年4月，南極熊獲悉，來自卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）納米技術(shù)研究所（INT）的研究人員們在《Nature Communications》中，發(fā)表了一篇名為《Challenges and limits of mechanical stability in 3D direct laser writing》（《三維直接激光書寫中機(jī)械穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)和限制》）的研究文章。他們提出利用分子動力學(xué)模擬方法對激光直接寫入（DLW）進(jìn)行過程模擬，并研究打印條件和長寬比對打印聚合物網(wǎng)絡(luò)機(jī)械性能的影響。研究表明，改變打印條件可以調(diào)整打印零件的機(jī)械性能，最佳打印條件可用于制造具有更好機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)。同時，研究者們指出，長寬比在調(diào)整打印結(jié)構(gòu)的剛度方面也起著重要作用。


打印聚合物網(wǎng)絡(luò)的表征
單體轉(zhuǎn)化率，即結(jié)合的官能團(tuán)占官能團(tuán)總數(shù)的比例，是聚合反應(yīng)的一個重要參數(shù)，特別是在DLW過程中。他們首先考慮聚合時間與暴露時間的影響情況。為了系統(tǒng)地研究轉(zhuǎn)換程度（DC）與激光功率和曝光時間的關(guān)系，研究者利用立方聚合物網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了實驗和模擬。正如預(yù)期的那樣，單體轉(zhuǎn)化率隨著更高的激光功率或相應(yīng)的更高的曝光時間而增加，并在高寫入功率下達(dá)到飽和。根據(jù)實驗結(jié)果可知，激光功率對單體轉(zhuǎn)換程度的影響比曝光時間更大且在較低的激光功率下，曝光時間對單體轉(zhuǎn)化率有更明顯的影響。同時根據(jù)實驗結(jié)果和模擬結(jié)果的擬合情況可知，所提出的模擬模型能夠在一個可接受的偏差范圍內(nèi)定性和定量地再現(xiàn)DC的實驗結(jié)果，能為后續(xù)實驗進(jìn)行指導(dǎo)。


△單體轉(zhuǎn)化程度的實驗和仿真結(jié)果

為了研究機(jī)械性能，研究人員應(yīng)用不同的激光功率和恒定的寫入速度制造了立方體聚合物網(wǎng)絡(luò)。通過實驗分析可知，激光功率的增加導(dǎo)致了更高的交聯(lián)密度。在所應(yīng)用的激光功率下，單體的轉(zhuǎn)換程度從49%增加到75%。他們通過模擬應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和計算不同書寫條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率來研究打印網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械性能，結(jié)果表明應(yīng)力隨著激光功率的增加而增加。


△激光功率的影響 a 應(yīng)用不同激光功率打印的三維聚合物塊，（黃色區(qū)域代表交聯(lián)的單體）說明了隨著激光功率從10到46 mW的增加，交聯(lián)密度也在增加；b 應(yīng)用不同激光功率打印的網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；c 根據(jù)模擬和實驗測量，楊氏模量（E）是激光功率的函數(shù)。

打印物體的機(jī)械性能需要調(diào)整，以提高在某些應(yīng)用中的性能。
在實驗中，在單個物體的制造過程中，改變寫入速度比改變激光功率更容易。為了研究曝光時間對打印對象的機(jī)械性能的影響，研究人員。通過應(yīng)用不同的曝光時間（不同的寫入速度）和恒定的激光功率（46毫瓦）制造立方體聚合物網(wǎng)絡(luò)。試驗結(jié)果表明，楊氏模量隨著暴露時間的增加而增加，這是單體轉(zhuǎn)換程度增加的直接結(jié)果。


△曝光時間的影響

打印的聚合物棒的剛度
研究人員為了了解不同長寬比的聚合物網(wǎng)絡(luò)在外部負(fù)載力下的表現(xiàn)（可能導(dǎo)致裂縫）。因此，在80σ×8 0σ×240σ的單體池中，應(yīng)用不同的激光功率從10到50毫瓦，制造了具有不同長寬比（長徑比）即10σ、20σ、30σ和40σ截面直徑和100σ高度的納米棒，進(jìn)行試驗。實驗結(jié)果顯示了不同激光功率下的最大撓度與橫截面直徑的關(guān)系。它表明，在所有應(yīng)用的激光功率下，隨著橫截面直徑的增加，偏移量減少，這表明具有較高長寬比的打印品具有較低的剛度，因此具有較高的靈活性（可變形性）。隨著激光功率的增加而變小。研究還給出了所有制造的樣品在其最大變形時的應(yīng)變的分布，結(jié)果表明，高長寬比結(jié)構(gòu)的高應(yīng)變區(qū)域是產(chǎn)生斷裂的開始（無論激光功率有多少）。


△最大撓度與橫截面直徑的關(guān)系


△應(yīng)變分布模擬圖

要制造出具有高機(jī)械性能的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用最佳的打印條件。研究人員強調(diào)了在DLW中制造高長寬比結(jié)構(gòu)的局限性，這不能通過改變打印條件完全克服。當(dāng)打印物體的長寬比增加時，激光功率的影響變得越來越不重要。由于觀察納米級3D打印過程的實驗方法有限，研究人員提出了通過微觀模型的模擬可以幫助優(yōu)化打印條件，特別是對于較小的特征尺寸。此項研究可以擴(kuò)展到任何光刻膠，以研究寫入條件和結(jié)構(gòu)對聚合物網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械性能的影響，從而減少實驗次數(shù)，為更多問題提供解決方案，并探索工藝改進(jìn)方案。

更多內(nèi)容請下載原文查看：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29749-9