Summary
Med en ikke-invasiv og sanntidsteknikk avbildes nanoskopisk polymerbevegelse inne i et polymerfilament under 3D-utskrift. Finjustering av denne bevegelsen er avgjørende for å produsere konstruksjoner med optimal ytelse og utseende. Denne metoden når kjernen av plastlagsfusjon, og gir dermed innsikt i optimale utskriftsforhold og kriterier for materialdesign.
Abstract
I nyere tid har 3D-utskriftsteknologi revolusjonert vår evne til å designe og produsere produkter, men optimalisering av utskriftskvaliteten kan være utfordrende. Prosessen med ekstrudering 3D-utskrift innebærer å presse smeltet materiale gjennom en tynn dyse og deponere det på tidligere ekstrudert materiale. Denne metoden er avhengig av liming mellom de påfølgende lagene for å skape et sterkt og visuelt tiltalende sluttprodukt. Dette er ingen enkel oppgave, da mange parametere, for eksempel dysetemperatur, lagtykkelse og utskriftshastighet, må finjusteres for å oppnå optimale resultater. I denne studien presenteres en metode for å visualisere polymerdynamikken under ekstrudering, noe som gir innsikt i lagbindingsprosessen. Ved hjelp av laserflekkavbildning kan plaststrømmen og fusjonen løses ikke-invasivt, internt og med høy spatiotemporal oppløsning. Denne målingen, som er enkel å utføre, gir en grundig forståelse av den underliggende mekanikken som påvirker den endelige utskriftskvaliteten. Denne metoden ble testet med en rekke kjøleviftehastigheter, og resultatene viste økt polymerbevegelse med lavere viftehastigheter og forklarte dermed den dårlige utskriftskvaliteten når kjøleviften ble slått av. Disse funnene viser at denne metoden gjør det mulig å optimalisere utskriftsinnstillingene og forstå materialoppførselen. Denne informasjonen kan brukes til utvikling og testing av nye trykkmaterialer eller avanserte kutteprosedyrer. Med denne tilnærmingen kan en dypere forståelse av ekstrudering bygges for å ta 3D-utskrift til neste nivå.
Introduction
Metoden for 3D-utskrift er en additiv produksjonsteknikk der et objekt produseres lag for lag for å danne ønsket form. Denne metoden har en stor og mangfoldig brukerbase takket være allsidigheten, overkommeligheten og brukervennligheten. Smeltet avsetningsmodellering har en bevegelig ekstruder (med en diameter på hundrevis av mikron til et par millimeter) for å deponere smeltet plast i ønsket form1. Den ekstruderte plasten skal oppføre seg på en væskelignende måte i en viss varighet for å oppnå god fusjon med den tidligere trykte plasten og danne et sterkt sammenhengende materiale. Plasten bør imidlertid kjøles ned og stivne raskt etter utskrift for å forhindre at plasten renner bort fra utskriftsstedet og reduserer utskriftskvaliteten. Dette delikate samspillet mellom oppvarming og kjøling har vist seg å direkte underbygge balansen mellom den mekaniske styrken og den geometriske nøyaktigheten til det endelige 3D-printede objektet2. For å oppnå optimal varme- og kjølebalanse ekstruderes plasten ved en temperatur like over smeltetemperaturen, og et viftehode, festet til skriveren, brukes til å kjøle ned plasten raskt. En grundig forståelse av effekten av utskriftstemperaturer og kjølehastigheter kan gi innsikten som kreves for å utvikle avanserte kutte- og utskriftsprotokoller som maksimerer de mekaniske eller geometriske resultatene i områdene der de er viktigst. Arbeidet med å få mer innsikt i disse prosessene er ofte avhengig av infrarød (IR) avbildning, som bare visualiserer overflatetemperaturen 3,4,5 og ikke indikerer plastens indre temperatur. Lokal oppvarming utover smelteovergangen øker polymermobiliteten drastisk og tillater dermed polymersammenfiltring mellom det gamle og det nye materialet. Denne temporalt forsterkede polymerbevegelsen er et krav for dannelsen av det endelige kohesive materialet6,7, men IR-avbildning kan bare måle polymerbevegelse indirekte gjennom overflatetemperaturen 8,9. Å oversette overflatetemperaturen til lagbinding krever derfor presis kunnskap om temperaturgradienten mellom kjerne og overflate og tilhørende kompleks polymerdynamikk over en rekke tids- og lengdeskalaer. En direkte måling av lagbindingen (dvs. polymersammenfiltringsprosessen) vil tillate visualisering av mekanismen som ligger til grunn for bulkmaterialkohesjon uten a priori informasjon eller antagelser.
For å få en forståelse av den romlige og tidsmessige fordelingen av lagbinding, brukes en avbildningsteknikk som direkte kvantifiserer dynamikken til polymerene som utgjør plastfilamentet i dette arbeidet. Denne teknikken, laser speckle imaging (LSI), er avhengig av interferometrisk lysspredning for å visualisere nanoskopiske bevegelser, uavhengig av kjemisk sammensetning. Avhengig av de optiske egenskapene til prøven, kan den nøyaktig måle flere millimeter til centimeter i ikke-gjennomsiktige materialer10,11,12, i motsetning til IR-bildebehandling, som bare rapporterer overflatetemperaturer 8,9. Disse egenskapene har nylig gjort flekkbaserte metoder populære for å forstå dynamiske prosesser i en mengde materialer, selv om de opprinnelig ble utviklet for medisinske applikasjoner10,11,12. Nylig har LSI blitt brukt til å få innsikt i oppførselen til avanserte polymere materialer som selvrensende flytende krystallpolymernettverk 13,14, samt for å forutsi brudd i gummi15 og for å studere selvhelbredende materialer16.
Muligheten for å bruke LSI til 3D-utskrift ble vist i en tidligere artikkel17, der et bærbart LSI-oppsett med sanntidsanalysefunksjoner ble presentert, og det ble vist at avsetning av smeltet plast resulterer i økt polymerbevegelse flere lag under det nåværende laget. I papiret som presenteres her, utføres systematisk forskning på effekten av kjøleviftehastigheten på graden av flerlagsbinding. En forbedret plug-and-play-versjon av det bærbare instrumentet brukes som kan betjenes av brukere uten optikk eller programmeringskompetanse. Flekkbildene analyseres i sanntid ved hjelp av Fourier-transformasjoner17, som visualiserer amplituden til flekkintensitetsfluktuasjonene. Dette instrumentet har et ekstra brightfield-kamera som er justert med speckle-kameraet, slik at LSI-bevegelseskartene kan legges over med lysfeltbildene for enklere tolkning uten at lysfeltet påvirker bevegelseskartene. Den eksperimentelle tilnærmingen som presenteres i denne artikkelen kan brukes til å få mer innsikt i smelting, lagbinding og størkning av ekstrudert plast under 3D-utskrift av utfordrende geometrier og materialer.
Protocol
1. Oppsett og justering av LSI-instrumentet med 3D-skriveren
- Plasser 3D-skriveren på en jevn overflate for å minimere vibrasjoner. Plasser LSI-instrumentet ved siden av det slik at kameraet har fri sikt over utskriftsområdet. Plasser LSI-instrumentet litt høyere enn byggeplaten til 3D-skriveren, og vipp det litt nedover slik at visningen ikke blokkeres.
- Slå på laser- og lysfeltbelysningen, og kontroller at de er justert etter bildeområdet. Sett lasereffekten til 20 mW, sørg for at laseren går ut av oppsettboksen utvidet over et stort område (flere kvadratcentimeter), og sørg for at strømtettheten er lav nok (flere ganger lavere enn en laserpeker) til å brukes in situ uten ytterligere sikkerhetstiltak som laserbriller eller svarte kabinetter.
FORSIKTIG: Ikke se direkte inn i laseren. - Start med en testutskrift (f.eks. tilleggskodefil 1 eller tilleggskodefil 2) for å gjøre justeringen og eksperimentoppsettet mer praktisk (trinn 1.3–1.6). Kontroller at LSI-kameraet er fokusert på utskriftsområdet.
- Under denne første testutskriften, juster belysningen og digitalkameraet optimalt. Juster laserretningen slik at hele bildeområdet belyses homogent, og juster membranen slik at flekkstørrelsen er litt større enn pikselstørrelsen.
- Optimaliser bildefrekvensen og eksponeringstiden slik at antallet undereksponerte og overeksponerte piksler minimeres for å oppnå maksimalt dynamisk område.
- Velg de riktige parametrene for live LSI-dataanalysen; Viktigst av alt, velg frekvensen som gir best bildekontrast mellom smeltet og størknet plast. Juster interesseområdet (ROI) og skalering av fargekart. I dette tilfellet ble en Fourier-serielengde på 16 valgt, og amplituden til den andre frekvensen ble visualisert. Siden innsamlingshastigheten for flekkbilder er 50 bilder per sekund, er den visualiserte frekvensen 6,25 Hz.
- Forbered LSI-instrumentet for å ta bilder for ett 3D-utskriftseksperiment. Velg hvor ofte og hvor lenge bildene skal lagres. I dette tilfellet ble bildene lagret hver 0,25 s slik at flere bilder ble lagret per passering av skriverhodet. For hvert eksperiment ble bildene lagret i 15 minutter, siden hver utskriftsjobb tok maksimalt 12 minutter.
2. Utarbeidelse av 3D-printing design og G-kode
- Tegn objektet ved hjelp av et 3D-tegneprogram du velger, og eksporter objektet som en .stl-fil. I dette tilfellet ble det brukt en vegg med rygger og hull, som er vist i figur 1 og kan lastes ned fra Supplementary Coding File 1.
- Importer .stl-filen til slicing-programvaren, og velg utskriftsinnstillingene. Disse innstillingene vil avhenge av valg av materiale og 3D-skrivermodell; for tilfellet som ble brukt i denne studien, bruk innstillingene vist i tabell 1. Bruk et filament som helst er hvitt eller en hvilken som helst farge som sprer laserlyset uten betydelig absorpsjon.
- Trykk på Slice-knappen i slicing-programvaren for å hente lagene og reisebanen til skrivehodet. Konfigurasjonsfilen for slicing-programvaren finner du i Supplementary Coding File 3.
- Lagre den resulterende G-koden (tilleggsfil 2), og send den til 3D-skriveren.
Figur 1: Objektdesign. En 3D-visning (til venstre) og en 2D-visning (til høyre) fra siden, fronten og toppen av objektutformingen. Gitteret representerer 1,0 mm x 1,0 mm, med 1,0 cm x 1,0 cm i fet skrift. Veggen er 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (bredde x høyde x dybde), og ryggene har en bredde på 1,0 mm, har en dybde på 0,4 mm og er atskilt med 1,0 mm. Vinduene har en bredde på 1,0 mm og en høyde på 2,0 mm. 3D-designet finner du i Supplementary Coding File 1. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Egenskap/innstilling | Verdi |
| Filament | Polymelkesyre (PLA), hvit |
| Dyse diameter | 0,4 mm |
| Lagtykkelse | 0,2 mm |
| Dysetemperatur | 210 °C |
| Kjøleviftens hastighet | 100% |
| Utskriftshastighet | 10 mm/s |
| Reisehastighet | 10 mm/s |
| Seng temperatur | 60 °C |
Tabell 1: Innstillingene for 3D-utskrift. Innstillingene og skriveregenskapene som brukes til å dele opp objektutformingen. For det andre eksperimentet ble viftehastigheten manuelt endret til 0%.
3. Utføre eksperimentet
- Start 3D-skriveren, og vent til oppvarmingsperioden er over.
- LSI-målingen kan startes når som helst, men for å forhindre unødvendig datalagring må du starte LSI-målingen når plasten begynner å ekstrudere.
- Vent til 3D-skriveren er ferdig, og stopp deretter LSI-målingen.
- Last inn de resulterende dataene i et bildevisningsprogram, og inspiser visuelt det utskrevne objektet. Sammenlign de målte plastpolymerbevegelsene under utskrift med den endelige strukturelle integriteten og overflatekvaliteten.
Representative Results
En enkel gjenstand ble tegnet som testmål for forsøkene: en vegg med rygger på baksiden, to vinduer og et stort hull (figur 1). Objektet ble skåret opp med skriverinnstillingene og egenskapene oppført i tabell 1.
LSI-instrumentet ble justert med 3D-printeren, og eksperimentet ble utført. Det brukervennlige oppsettet har et ekstra brightfield-kamera, som hjelper under justering og muliggjør en enkel sammenligning mellom plastekstruderingen og den målte polymerbevegelsen. Speckle- og brightfield-kameraene er begge utstyrt med optiske filtre som forhindrer forstyrrelser fra den andre kanalen. Flere tekniske detaljer om oppsettet finnes i tilleggsfil 1, og en forklaring av analyserutinen er presentert i tilleggsfil 2. Høydepunktene fra resultatene av dette eksperimentet er vist i figur 2, og hele filmen finnes i tilleggsfilm 1. Som vist tidligere kan eksperimentet utføres like bra med et hjemmebygget instrument17.
Figur 2: Tidsforløp for utskrift med kjøleviftehastighet på 100 %. Venstre: Brightfield, frontbilde av objektet når skriveren er nesten ferdig. Kvaliteten på utskriften ser bra ut ved inspeksjon; Selv om overflaten viser laglinjene, er den overordnede utformede geometrien produsert. Høyre: Fire LSI-øyeblikksbilder fra det hvite avgrensede området under utskriftsprosessen; de blå pilene angir skrivehodeposisjonen på øyeblikksbildet, siden LSI-bildene ikke samsvarer tidsmessig med lysfeltbildet. De lysere fargene i hvert øyeblikksbilde indikerer økt polymerbevegelse, som observeres i de sist trykte lagene. Vær oppmerksom på at området med forbedret bevegelse (sveisesonen) er flere lag tykt. Den fullstendige detaljerte filmen av eksperimentet er tilgjengelig i tilleggsfilm 1. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
I tillegg til disse resultatene ble utskriften visuelt inspisert; Som forventet for disse vanlige polymerfilamenter og utskriftsinnstillinger, var kvaliteten god. Den designede geometrien ble faktisk reprodusert, og overflaten var jevn, med en liten linje synlig på hvert lag. Med LSI-dataene var det mulig å få inngående innsikt i utskriftsprosessen. Den nyekstruderte plasten var synlig som svært mobil, og mobiliteten avtok gradvis etter hvert som den ble avkjølt. Høyden på området med høy mobilitet (dvs. sveisesonen) var fire til fem lag tykt gjennom hele utskriftsprosessen, noe som indikerer en veldefinert varighet av lagfusjon.
Eksperimentet ble gjentatt med kjøleviftehastigheten manuelt justert til 0%. Med denne innstillingen ble ikke plasten avkjølt raskt nok, noe som påvirket utskriftskvaliteten. Høydepunktene fra resultatene er vist i figur 3, og hele filmen finner du i tilleggsfilm 2.
Figur 3: Tidsforløp for utskrift med en kjøleviftehastighet på 0 %. Venstre: Brightfield, frontbilde av objektet når skriveren er nesten ferdig. Den visuelle kvaliteten på utskriften ser dårlig ut; Overflaten viser uregelmessige laglinjer og store klumper. I tillegg har den overordnede utformede geometrien blitt ufullkomment gjengitt; Spesielt er vinduene og hullene deformert. Høyre: Fire LSI-øyeblikksbilder fra det hvite avgrensede området under utskriftsprosessen; de blå pilene angir skrivehodeposisjonen på øyeblikksbildet, siden LSI-bildene ikke samsvarer tidsmessig med lysfeltbildet. De lysere fargene i hvert øyeblikksbilde indikerer økt polymerbevegelse, som kan observeres gjennom hele objektet. Den fullstendige detaljerte filmen av eksperimentet er tilgjengelig i tilleggsfilm 2. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
I tråd med forventningene viste visuell inspeksjon av den 3D-printede konstruksjonen faktisk dårlig utskriftskvalitet. Lagene var ujevnt fordelt, og den designede geometrien ble gjengitt med deformasjoner. En sammenligning av brightfield-bildene i figur 2 og figur 3 viser den største effekten av kjøleviften på overflatekvaliteten og formen på utskriftsresultatet. Opprinnelsen til denne effekten ble bestemt ved å sammenligne LSI-resultatene fra figur 2 og figur 3. Med en kjøleviftehastighet på 100 % ble forbedret polymerbevegelse observert i et område bare noen få lag under ekstrudert plast. Derfor ble hvert lag flytende moderat et par ganger for å oppnå lagbinding uten plaststrøm. Med kjøleviftehastigheten på 0 % ble forbedret polymerbevegelse observert gjennom hele objektet. Dermed ble hvert lag flytende mange ganger og ekstremt nær den nyekstruderte plasten, noe som resulterte i tap av geometrisk nøyaktighet gjennom plaststrøm.
For å få et mer kvantitativt syn på kjølevifteeffekten i mer moderate situasjoner, ble kjøleviftehastigheten systematisk variert. Objektdesignet ble forenklet til en vegg på 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (bredde x høyde x dybde) uten hull eller rygger. De samme utskriftsinnstillingene som i tabell 1 ble brukt. Eksperimentet ble utført 12 ganger, med kjøleviftehastigheter på 0%, 20%, 40%, 60%, 80% og 100%, hver i duplikat. De resulterende filmene finnes i Supplementary Movies 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 og Supplementary Movie 8, samt Supplementary Coding File 6, Supplementary Coding File 7, Supplementary Coding File 8, Supplementary Coding File 9, Supplementary Coding File 10 og Supplementary Coding File 11.
For å kvantitativt sammenligne sveisesonene for ulike viftehastigheter ble det utført avansert dataanalyse av LSI-resultatene. Målet med denne dataanalysen var å oppnå en høydeprofil av omfanget av polymerbevegelsen i sveisesonen. Det tilhørende fullstendig kommenterte MATLAB-skriptet finnes i Supplementary Coding File 4 og er kort beskrevet. For hvert LSI-bilde i filmen beregnes en høydeprofil ved å ta gjennomsnittet langs den horisontale retningen. Profilene på bildene der skrivehodet er i ROI, viser en tydelig topp rundt sveisesonen. For å velge disse profilene eksklusivt, tas det bare hensyn til profiler med en topp over 8 dB. Profiler der denne toppen er for nær kanten av avkastningen, forkastes også. Toppposisjonene til alle profilene justeres deretter for å gi en gjennomsnittlig profil i forhold til høyden der polymerene er mest mobile. De resulterende profilene for de seks forskjellige kjøleviftehastighetene er plottet i figur 4.
Figur 4: Høydeprofiler for systematisk variasjon av kjøleviftehastigheten. Venstre: Sveisesoneprofilene for kjøleviftehastigheter på 100 % (svart), 80 % (blå), 60 % (lilla), 40 % (rød), 20 % (oransje) og 0 % (gul), hentet fra det avanserte dataanalyseskriptet i tilleggskodefil 4. Det skyggelagte området er standardavviket mellom dupliserte eksperimenter. Det høyre skjemaet forklarer gjennomsnittsprosedyren for å få profilen til et typisk LSI-bilde. Ved å justere maksimumene til toppene til alle de oppnådde profilene, oppnås sveisesonen. Maksimum av sveisesonen (relativ høyde = 0) er høyden der polymerene er mest mobile. Alle detaljerte LSI- og brightfield-filmer av hvert eksperiment er tilgjengelige i Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 og Supplementary Movie 8. Objektetsom er trykt for denne figuren, finnes i Supplementary Coding File 5, med tilhørende G-kodefiler i Supplementary Coding File 6. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Sveisesoneprofilene for 40–100 % kjøling var nesten identiske. Sveisesonen for 20 % kjøling hadde en skulder som nådde inn i flere dypere lag. Sveisesonen for 0 % kjøling strakte seg over hele det målte området. Høyden der polymerene var mest mobile lå i eller litt under det sist trykte laget. Dette fenomenet forklarer tilstedeværelsen av et LSI-signal i positive relative høyder, da det er trykt materiale over mobilitetstoppen. I alle tilfeller nådde sveisesonen mye dypere enn lagtykkelsen på 0,2 mm.
Tilleggsfil 1: LSI-oppsett.xls. Maskinvareparametere for LSI-instrumentet som brukes her. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2: LSI-analyse.docx. Forklaring på konverteringen av de rå flekkbildene til LSI-bilder. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfilm 1: LSI- og brightfield-film av eksperimentet beskrevet i figur 2. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Supplerende film 2: LSI og brightfield-film av eksperimentet beskrevet i figur 3. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Tilleggsfilm 3: Eksperimentet med 100 % kjøleviftehastighet beskrevet i figur 4. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Tilleggsfilm 4: Eksperimentet med 80 % kjøleviftehastighet beskrevet i figur 4. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Tilleggsfilm 5: Eksperimentet med 60 % kjøleviftehastighet beskrevet i figur 4. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Tilleggsfilm 6: Eksperimentet med 40 % kjøleviftehastighet beskrevet i figur 4. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Tilleggsfilm 7: Eksperimentet med 20 % kjøleviftehastighet beskrevet i figur 4. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Tilleggsfilm 8: Eksperimentet med kjøleviftehastighet på 0 % beskrevet i figur 4. Filmen spilles av med 12.5x sanntidshastighet. Den øvre delen er LSI-resultatet, og den nedre delen er den synkroniserte lysfeltvisningen med LSI ROI angitt. Klikk her for å laste ned denne filmen.
Supplerende kodefil 1: wall_with_holes.stl. 3D-designet for objektet beskrevet i figur 1. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 2: wall_with_holes.gcode. Det oppstykkede objektet wall_with_holes.stl med innstillingene fra tabell 1. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 3: config.ini. Konfigurasjonsfilen for kutteprogramvaren. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Skriptet for å utføre den avanserte dataanalysen på kjøleviften feier data og plotter figur 4. Manuset er i sin helhet kommentert. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 5: wall.stl. 3D-utformingen av objektet som brukes til å samle inn dataene i figur 4. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 6: wall_100%fan.gcode. Det oppskårne objektet wall.stl med en kjøleviftehastighet på 100 %. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 7: wall_80%fan.gcode. Det oppskårne objektet wall.stl med en kjøleviftehastighet på 80 %. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 8: wall_60%fan.gcode. Det oppskårne objektet wall.stl med en kjøleviftehastighet på 60 %. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 9: wall_40%fan.gcode. Det oppskårne objektet wall.stl med en kjøleviftehastighet på 40 %. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 10: wall_20%fan.gcode. Det oppskårne objektet wall.stl med en 20% kjøleviftehastighet. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefil 11: wall_0%fan.gcode. Det oppskårne objektet wall.stl med en kjøleviftehastighet på 0%. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Eksperimentene og resultatene beskrevet i denne undersøkelsen viser at LSI er et lett anvendt verktøy som muliggjør en dypere forståelse av lagbinding under additiv produksjon. LSI muliggjør direkte måling av polymerbevegelsen, som må finjusteres for å danne et sammenhengende materiale ved interpenetrasjon og påfølgende innblanding av polymerkjedene. Det vanligste alternativet for måling av lagbinding in situ er infrarød avbildning 3,4,5. Denne veletablerte metoden avbilder den lokale overflatetemperaturen til plasten8,9, som er en indirekte måling av polymerbevegelsen inne i materialet. Med varmere plast er bevegelsen raskere, og bindingen blir sterkere. Forholdet mellom temperatur og bevegelse er imidlertid ikke lineært, da utskriftstemperaturene krysser smelte- og glassovergangstemperaturene 6,7. Dette ikke-trivielle forholdet kan observeres direkte i LSI-bildene; Spesielt er det en skarp overgang mellom den væskelignende toppen og de faste bunnområdene, mens temperaturgradienten forventes å være langt mer gradvis. En annen ulempe med IR-avbildning er at den bare måler overflatetemperaturen, mens LSI måler polymerbevegelse vanligvis flere millimeter dypt inne i materialet.
Akkurat som med IR-bildebehandling, er denne implementeringen av LSI i hovedsak en pek-og-skyt-metode; Den kan brukes in situ hvis kameraet kan pekes mot interesseområdet. Det allsidige stativet og den lange arbeidsavstanden på 0,7 m gir friheten til å bruke hvilken som helst tilgjengelig 3D-skriver. Avgjørende er at LSI er følsom for nanoskopiske bevegelser, og dermed må vibrasjoner fra omgivelsene og selve utskriftsprosessen minimeres17. For eksempel vil det å utføre en annen oppgave på samme bord eller smelle en dør føre til forstyrrelser. Derfor bør man gå nøye rundt oppsettet; Imidlertid forstyrrer romlys eller luftstrøm vanligvis ikke prosessen.
LSI gir detaljert innsikt i lagbindingsprosessen og kan brukes like enkelt som IR-bildebehandling. Vi ser at LSI har stort potensial i å hjelpe utviklingen og forståelsen av avanserte 3D-utskriftsmetoder. Hastigheten på kjøleviften viser et glimt av hva som er mulig ved å kombinere LSI med 3D-utskrift. Som diskutert i innledningen, er den optimale kjølehastigheten en balanse mellom å holde plasten smeltet lenge nok til å forbedre lagbindingen, men avkjøle den raskt nok til å forhindre strømning. Resultatene fra 40%-100% kjøleviftehastigheten var veldig like; Faktisk viste disse viftehastighetene ingen flyt og ga en god overflatekvalitet. Med kjøleviftehastigheten på 0 % begynte materialet å strømme bort fra det trykte stedet, men det ble observert rikelig lagbinding i LSI-målingen. Basert på resultatene våre kan kjøleviftehastigheten på 20 % være optimal for å oppnå litt forbedret lagbinding uten at det går ut over overflatekvaliteten. For å trekke konklusjoner som kan brukes i praksis, må imidlertid flere kjøleviftehastigheter mellom 0% og 40% vurderes. Det er også ønskelig å etablere kvantitative mål for overflatekvalitet og materialstyrke for å få en objektiv og fullstendig oversikt over effekten av polymerbevegelse på de ønskede egenskapene. Med dette tillegget kan tilnærmingen gjøres kraftigere for å evaluere kreative 3D-utskriftsfremskritt.
De nøyaktige innstillingene som er valgt for LSI-analysen, er ikke utsatt for kritiske feil så lenge væskelignende plast og solidlignende plastfaser kan skilles tydelig. Polymerbevegelsen endres dramatisk når man krysser smelte- og glassovergangstemperaturene, så et bredt spekter av LSI-innstillinger fanger kontrastbrønnen. Dette kan enkelt testes med en testutskrift av et enkelt objekt (f.eks. en rett vegg) med 3D-skriverinnstillingene som anbefales av materialleverandøren. For mer avanserte LSI-brukere kan det å dykke dypere inn i frekvensområdet gi ekstra informasjon, da forskjellige typer polymerbevegelser kan skilles kvantitativt. For eksempel er høyfrekvent polymerbevegelse forbundet med de høyeste temperaturene, som bare er tilstede nær skriverhodet. Lavfrekvent polymerbevegelse er forbundet med moderate temperaturer, som er tilstede i et mye større område rundt skriverhodet og også i mye lengre tid17. Hvorvidt graden av binding for kumulativ lavfrekvent polymerbevegelse kan være lik den med kort, høyfrekvent bevegelse (f.eks. med dynamisk mekanisk analyse) må undersøkes. De fleste andre innstillinger, som fargekartskalering, avkastning, lagringsintervall og eksperimentlengde, velges bare for å gi et visuelt klart og tiltalende resultat. Når det gjelder 3D-utskriftsinnstillingene, er det også mye frihet, ettersom LSI lar brukeren objektivt vurdere resultatene av å endre noen av innstillingene. Spesielt endrer utskriftshastigheten drastisk tolkningen av LSI-dataene. I dette arbeidet ble det brukt en langsom utskrifts- og kjørehastighet på 10 mm / s for å ta flere LSI-bilder i løpet av en omgang av skriverhodet. Hvis en mer vanlig utskriftshastighet på 60 mm / s for PLA ble brukt, ville omtrent ett fullt lag bli skrevet ut per LSI-bilde, og dermed ville gjennomsnitt innen ett lag oppstå. Hvis du eksperimenterer med avanserte hastigheter som 300 mm / s og raskere, vil gjennomsnitt over flere lag oppstå. Likevel er dette helt avhengig av den nøyaktige utskriftsgeometrien og LSI-innstillingene, og kan enkelt reduseres av en erfaren LSI-bruker gjennom avansert maskindesign, justering av størrelsen på synsfeltet eller bruk av et raskere kamera. Begge tilnærmingene krever en kraftigere laser, som i kombinasjon med det reflekterende skriverhodet krever ekstra lasersikkerhetstiltak. Den relativt langsomme utskriftshastigheten har også en positiv innvirkning på lagbindingen, da det tidligere ble bevist at varmeoverføringen til plasten øker med langsommere utskriftshastigheter5.
En mulig ny retning for denne tilnærmingen er testing av nye materialer; LSI kan for eksempel brukes til å visualisere de relevante overgangene og objektivt kvantifisere de anbefalte skriverinnstillingene som gir en femlags sveisesone ved påføring av topplaget. Et annet bruksområde kan være å studere sveisesonen i spesifikke situasjoner der utskriftskvaliteten ikke er pålitelig god, for eksempel for broer, overheng eller skarpe hjørner. Hvis sveisesonen i vanskelige situasjoner kan forstås bedre, bør det være mulig å kompensere i G-koden. Det er allerede vanlig praksis å skrive ut det første laget varmere og langsommere enn resten av lagene for å oppnå god vedheft til byggeplaten18. Vi ser for oss bruk av lignende dynamisk G-kodekutting der for eksempel viftekjølingen kan justeres for å produsere hjørner eller broer. Det skal også være mulig å printe ytterveggmaterialet med en jevnere finish og resten av materialet og innfyllet grovere, men sterkere for å maksimere både materialstyrken og det visuelle utseendet.
Denne artikkelen har diskutert anvendelsen av LSI for å studere lagbindingsprosessen etter plastekstrudering. Teknikken er utmerket for denne oppgaven, da den kan visualisere den underliggende polymerbevegelsen uten a priori forutsetninger i sanntid under 3D-utskrift. Det gir imidlertid ingen informasjon om materialkohesjonen, så ytterligere testing vil være nødvendig. De andre ulempene som diskuteres er situasjonsbestemte; den begrensede bildehastigheten på fire LSI-bilder per sekund kan økes med en større laser og ekstra lasersikkerhetstiltak, og vibrasjonsfølsomheten krever forholdsregler eller maskinvare for vibrasjonsreduksjon. LSI kan utføres med billige og små digitale kameraer og lasere19,20, noe som gjør det mulig å integrere i praktisk talt alle 3D-skrivere for live kvalitetskontroll og dynamisk justering av utskriftsparametrene. Det er imidlertid mer fornuftig å bruke LSI for å utvikle grundig kunnskap om lagbinding under 3D-utskrift. Hvis denne forståelsen brukes til å utvikle mer avansert kutteprogramvare, kan hver forbruker 3D-skriver dra nytte av kunnskapen som er oppnådd.
Disclosures
Jesse Buijs er i ferd med å starte et oppstartsselskap som selger LSI-instrumentet og programvaren som brukes i denne artikkelen. De øvrige forfatterne oppgir ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne mottok ingen ekstern finansiering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D-drawing sofware | Autodesk | TinkerCad | tinkercad.com |
| 3D-Printer | Prusa3D | Original Prusa i3 MK3S | |
| Advanced data analysis software | MathWorks | MATLAB R2018b | |
| Image viewing sofware | National Institutes of Health | ImageJ 1.47v | |
| LSI instrument | NanoMoI | NanoMoi allround | company to be founded 2023 |
| Polylactic acid (PLA) filament | REAL | filament white 1,75 mm PLA 1 kg | |
| Slicing software | Prusa3D | PrusaSlicer-2.5.0 |
References
- Daminabo, S. C., Goel, S., Grammatikos, S. A., Nezhad, H. Y., Thakur, V. K. Fused deposition modeling-based additive manufacturing (3D printing): Techniques for polymer material systems. Materials Today Chemistry. 16, 100248 (2020).
- Lee, C. Y., Liu, C. Y. The influence of forced-air cooling on a 3D printed PLA part manufactured by fused filament fabrication. Additive Manufacturing. 25, 196-203 (2019).
- Seppala, J. E., Migler, K. D. Infrared thermography of welding zones produced by polymer extrusion additive manufacturing. Additive Manufacturing. 12, 71-76 (2016).
- Shmueli, Y., et al. Simultaneous in situ X-ray scattering and infrared imaging of polymer extrusion in additive manufacturing. ACS Applied Polymer Materials. 1 (6), 1559-1567 (2019).
- Dinwiddie, R. B., et al. Infrared imaging of the polymer 3D-printing process. Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVI. 9105, 910502 (2014).
- Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P.
- Peterson, A. M. Review of acrylonitrile butadiene styrene in fused filament fabrication: A plastics engineering-focused perspective. Additive Manufacturing. 27, 363-371 (2019).
- Menaka, M., Vasudevan, M., Venkatraman, B., Raj, B. Estimating bead width and depth of penetration during welding by infrared thermal imaging. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 47 (9), 564-568 (2005).
- Möllmann, K. P., Vollmer, M. Infrared thermal imaging as a tool in university physics education. European Journal of Physics. 28 (3), 37 (2007).
- Dela Torre, I. M., Montes, M. D. S. H., Flores-Moreno, J. M., Santoyo, F. M. Laser speckle based digital optical methods in structural mechanics: A review. Optics and Lasers in Engineering. 87, 32-58 (2016).
- Senarathna, J., Rege, A., Li, N., Thakor, N. V. Laser speckle contrast imaging: Theory, instrumentation and applications. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 99-110 (2013).
- Buijs, J. J. Simpler, faster, and softer: Towards broad application of laser speckle imaging in art conservation and soft matter. Wageningen University and Research. , The Netherlands. PhD Thesis (2022).
- van der Kooij, H. M., et al. Morphing of liquid crystal surfaces by emergent collectivity. Nature Communications. 10 (1), 3501 (2019).
- van Der Kooij, H. M., Broer, D. J., Liu, D., Sprakel, J. Electroplasticization of liquid crystal polymer networks. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (17), 19927-19937 (2020).
- van der Kooij, H. M., et al. Laser speckle strain imaging reveals the origin of delayed fracture in a soft solid. Science Advances. 4 (5), (2018).
- vander Kooij, H. M., Susa, A., García, S. J., vander Zwaag, S., Sprakel, J. Imaging the molecular motions of autonomous repair in a self-healing polymer. Advanced Materials. 29 (26), 1701017 (2017).
- Buijs, J., Gucht, J. V. D., Sprakel, J. Fourier transforms for fast and quantitative laser speckle imaging. Scientific Reports. 9 (1), 13279 (2019).
- Ehrmann, G., Ehrmann, A. Investigation of the shape-memory properties of 3D printed PLA structures with different infills. Polymers. 13 (1), 164 (2021).
- Richards, L. M., Kazmi, S. S., Davis, J. L., Olin, K. E., Dunn, A. K. Low-cost laser speckle contrast imaging of blood flow using a webcam. Biomedical Optics Express. 4 (10), 2269-2283 (2013).
- Chen, H. L., Lai, C. L., Hsu, K. Y., Liu, W. M. Implementation of laser speckle imaging system with low cost consumer graded instrumentation for skin perfusion. 2016 IEEE International Conference on Consumer Electronics-Taiwan (ICCE-TW). , 1-2 (2016).
