Het creëren van sterkere en meer taaie microroostermaterialen met kleinere unitafmetingen

Bereiding en karakterisering van PμSL-microvezel. (a) De treksterkte werd vervaardigd door stereolithografie en het werkgedeelte en het klemgedeelte werden gelijktijdig vervaardigd door middel van een enkele belichtingsmethode. (b) Schema van het trekproces. (c) Extra klemsecties zijn ontworpen om de stijfheid te vergroten. (d) Het SEM-beeld van het gefabriceerde trekmonster. Credit: International Journal of Extreme Manufacturing (2022). DOI: 10.1088/2631-7990/ac93c2

Projectiemicrostereolithografie (PμSL) is naar voren gekomen als een krachtige driedimensionale (3D) printtechniek voor het vervaardigen van polymeerstructuren met een hoge resolutie op micronschaal bij hoge printsnelheid, wat de productie mogelijk maakt van op maat gemaakte 3D-microroosters met functiegroottes tot enkele microns. De mechanische eigenschappen van als-gedrukte polymeren werden echter niet systemisch bestudeerd op de relevante lengteschalen, vooral wanneer de functiegroottes in micron/submicron-niveau stappen, waardoor de betrouwbare prestatievoorspelling in micro/nanolattice en andere metamateriaaltoepassingen wordt beperkt.

Prof. Yang Lu van de City University of Hong Kong, gebaseerd op een zelfontwikkeld in situ micromechanisch platform, toont aan dat microvezels met micro-stereolithografie (PμSL) bedrukte projectie sterker en aanzienlijk ductieler zouden kunnen worden met een kleinere afmeting variërend van 20 m tot 60 m, met een duidelijk grootte-afhankelijk mechanisch gedrag, waarbij de grootte afneemt tot 20 m met een breukrek tot ~ 100% en een breuksterkte tot ~ 100 MPa.

Een dergelijk grootte-effect maakt het mogelijk om de materiaalsterkte en stijfheid van PμSL-geprinte microroosters over een breed bereik aan te passen, waardoor de microroostermetamaterialen kunnen worden gefabriceerd met gewenste/afstembare mechanische eigenschappen voor verschillende structurele en functionele toepassingen.

Door het grootte-effect van het PμSL-geprinte polymeer op te nemen, kunnen we microroosters verkrijgen met verschillende mechanische eigenschappen en toch dezelfde topografie en relatieve dichtheid. De modulus van het microrooster met 20 m wordt ongeveer twee keer gemeten als ~ 87 MPa vergeleken met die van het rooster met een diameter van 60 m (~ 43 MPa). Nadat de roosters waren opgeleverd, nam de spanning van het rooster met 20 m stutten toe met de spanning. Dit kan worden toegeschreven aan de spanningsverhardende fase van de micro-sized stutten. Terwijl het rooster met een diameter van 60 m typische spanningscurven van brosse materialen vertoont.

Dit resultaat herinnert ons eraan om rekening te houden met de grootte van het polymeer bij het ontwerpen van microroostermetamaterialen. Dergelijk grootte-afhankelijk mechanisch gedrag van PμSL-geprinte op acrylaat gebaseerde harsstructuren maakt het mogelijk om de materiaalsterkte en stijfheid van microroostereenheden over een breed bereik aan te passen, waardoor de rationele fabricage van microroostersteigers met gewenste/programmeerbare mechanische eigenschappen voor de ontwikkeling van nieuwe micro/nano-rooster mechanische metamaterialen.

“Tegenwoordig kunnen 3D-printtechnologieën voor btw-fotopolymerisatie, zoals PµSL, een uitstekende combinatie bieden van ultrahoge afdrukresolutie en grote afdrukgrootte, waardoor de paden worden geplaveid voor geometrisch complexe componenten met goed gedefinieerde hiërarchische structuren voor structurele en functionele metamaterialen”, legt professor Lu uit. Yang van de faculteit Werktuigbouwkunde, die dit onderzoek leidde.

“Een diepgaand begrip van de mechanische eigenschappen van PμSL-geprint polymeer op kleine lengteschalen zal de ontwikkeling van geavanceerde mechanische metamaterialen versnellen, zoals micro-/nanolatticematerialen met ongeëvenaarde prestaties. Grootte-afhankelijke mechanische eigenschappen van materialen is altijd de centrale focus van mijn onderzoek van de groep. Het inspireert ons ook om meer aandacht te besteden aan het gebruik van dergelijke grootte-effecten voor het ontwerpen van geavanceerde mechanische metamaterialen met kritische kenmerkenstappen in micro-/nanoschalen.”

Het onderzoek is gepubliceerd in de International Journal of Extreme Manufacturing.