Nature子刊：卡爾斯魯厄理工學院尋找激光直寫（DLW）最佳打印參數！

導讀：激光直寫3D打印技術是利用超短激光脈沖制造復雜的三維模型的一種有效技術。雖然，激光直寫技術已經被廣泛應用，但設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院（KIT）納米技術研究所（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模擬方法對激光直接寫入（DLW）進行過程模擬，并研究打印條件和長寬比對打印聚合物網絡機械性能的影響。研究表明，改變打印條件可以調整打印零件的機械性能，最佳打印條件可用于制造具有更好機械性能的結構。同時，研究者們指出，長寬比在調整打印結構的剛度方面也起著重要作用。


打印聚合物網絡的表征
單體轉化率，即結合的官能團占官能團總數的比例，是聚合反應的一個重要參數，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)地研究轉換程度（DC）與激光功率和曝光時間的關系，研究者利用立方聚合物網絡進行了實驗和模擬。正如預期的那樣，單體轉化率隨著更高的激光功率或相應的更高的曝光時間而增加，并在高寫入功率下達到飽和。根據實驗結果可知，激光功率對單體轉換程度的影響比曝光時間更大且在較低的激光功率下，曝光時間對單體轉化率有更明顯的影響。同時根據實驗結果和模擬結果的擬合情況可知，所提出的模擬模型能夠在一個可接受的偏差范圍內定性和定量地再現DC的實驗結果，能為后續(xù)實驗進行指導。


△單體轉化程度的實驗和仿真結果

為了研究機械性能，研究人員應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絡。通過實驗分析可知，激光功率的增加導致了更高的交聯密度。在所應用的激光功率下，單體的轉換程度從49%增加到75%。他們通過模擬應力-應變關系和計算不同書寫條件下的應力-應變曲線的斜率來研究打印網絡的機械性能，結果表明應力隨著激光功率的增加而增加。


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

打印物體的機械性能需要調整，以提高在某些應用中的性能。
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械性能的影響，研究人員。通過應用不同的曝光時間（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絡。試驗結果表明，楊氏模量隨著暴露時間的增加而增加，這是單體轉換程度增加的直接結果。


△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絡在外部負載力下的表現（可能導致裂縫）。因此，在80σ×8 0σ×240σ的單體池中，應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，進行試驗。實驗結果顯示了不同激光功率下的最大撓度與橫截面直徑的關系。它表明，在所有應用的激光功率下，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變的分布，結果表明，高長寬比結構的高應變區(qū)域是產生斷裂的開始（無論激光功率有多少）。


△最大撓度與橫截面直徑的關系


△應變分布模擬圖

要制造出具有高機械性能的結構，應該采用最佳的打印條件。研究人員強調了在DLW中制造高長寬比結構的局限性，這不能通過改變打印條件完全克服。當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。此項研究可以擴展到任何光刻膠，以研究寫入條件和結構對聚合物網絡的機械性能的影響，從而減少實驗次數，為更多問題提供解決方案，并探索工藝改進方案。

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