Nature子刊：卡尔斯鲁厄理工学院寻找激光直写（DLW）最佳打印参数！

导读：激光直写3D打印技术是利用超短激光脉冲制造复杂的三维模型的一种有效技术。虽然，激光直写技术已经被广泛应用，但设计和制造具有不同功能的高性能材料仍然是一个挑战，这些材料通常需要兼具高强度、高延展性和特制功能。同时，在小尺寸模型制造方面，激光直写工艺也有一定的困难。在打印过程中很难观测打印过程。

2022年4月，南极熊获悉，来自卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）纳米技术研究所（INT）的研究人员们在《Nature Communications》中，发表了一篇名为《Challenges and limits of mechanical stability in 3D direct laser writing》（《三维直接激光书写中机械稳定性的挑战和限制》）的研究文章。他们提出利用分子动力学模拟方法对激光直接写入（DLW）进行过程模拟，并研究打印条件和长宽比对打印聚合物网络机械性能的影响。研究表明，改变打印条件可以调整打印零件的机械性能，最佳打印条件可用于制造具有更好机械性能的结构。同时，研究者们指出，长宽比在调整打印结构的刚度方面也起着重要作用。


打印聚合物网络的表征
单体转化率，即结合的官能团占官能团总数的比例，是聚合反应的一个重要参数，特别是在DLW过程中。他们首先考虑聚合时间与暴露时间的影响情况。为了系统地研究转换程度（DC）与激光功率和曝光时间的关系，研究者利用立方聚合物网络进行了实验和模拟。正如预期的那样，单体转化率随着更高的激光功率或相应的更高的曝光时间而增加，并在高写入功率下达到饱和。根据实验结果可知，激光功率对单体转换程度的影响比曝光时间更大且在较低的激光功率下，曝光时间对单体转化率有更明显的影响。同时根据实验结果和模拟结果的拟合情况可知，所提出的模拟模型能够在一个可接受的偏差范围内定性和定量地再现DC的实验结果，能为后续实验进行指导。


△单体转化程度的实验和仿真结果

为了研究机械性能，研究人员应用不同的激光功率和恒定的写入速度制造了立方体聚合物网络。通过实验分析可知，激光功率的增加导致了更高的交联密度。在所应用的激光功率下，单体的转换程度从49%增加到75%。他们通过模拟应力-应变关系和计算不同书写条件下的应力-应变曲线的斜率来研究打印网络的机械性能，结果表明应力随着激光功率的增加而增加。


△激光功率的影响 a 应用不同激光功率打印的三维聚合物块，（黄色区域代表交联的单体）说明了随着激光功率从10到46 mW的增加，交联密度也在增加；b 应用不同激光功率打印的网络的应力-应变曲线；c 根据模拟和实验测量，杨氏模量（E）是激光功率的函数。

打印物体的机械性能需要调整，以提高在某些应用中的性能。
在实验中，在单个物体的制造过程中，改变写入速度比改变激光功率更容易。为了研究曝光时间对打印对象的机械性能的影响，研究人员。通过应用不同的曝光时间（不同的写入速度）和恒定的激光功率（46毫瓦）制造立方体聚合物网络。试验结果表明，杨氏模量随着暴露时间的增加而增加，这是单体转换程度增加的直接结果。


△曝光时间的影响

打印的聚合物棒的刚度
研究人员为了了解不同长宽比的聚合物网络在外部负载力下的表现（可能导致裂缝）。因此，在80σ×8 0σ×240σ的单体池中，应用不同的激光功率从10到50毫瓦，制造了具有不同长宽比（长径比）即10σ、20σ、30σ和40σ截面直径和100σ高度的纳米棒，进行试验。实验结果显示了不同激光功率下的最大挠度与横截面直径的关系。它表明，在所有应用的激光功率下，随着横截面直径的增加，偏移量减少，这表明具有较高长宽比的打印品具有较低的刚度，因此具有较高的灵活性（可变形性）。随着激光功率的增加而变小。研究还给出了所有制造的样品在其最大变形时的应变的分布，结果表明，高长宽比结构的高应变区域是产生断裂的开始（无论激光功率有多少）。


△最大挠度与横截面直径的关系


△应变分布模拟图

要制造出具有高机械性能的结构，应该采用最佳的打印条件。研究人员强调了在DLW中制造高长宽比结构的局限性，这不能通过改变打印条件完全克服。当打印物体的长宽比增加时，激光功率的影响变得越来越不重要。由于观察纳米级3D打印过程的实验方法有限，研究人员提出了通过微观模型的模拟可以帮助优化打印条件，特别是对于较小的特征尺寸。此项研究可以扩展到任何光刻胶，以研究写入条件和结构对聚合物网络的机械性能的影响，从而减少实验次数，为更多问题提供解决方案，并探索工艺改进方案。

更多内容请下载原文查看：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29749-9