Summary
Med en icke-invasiv och realtidsteknik avbildas nanoskopisk polymerrörelse inuti ett polymerfilament under 3D-utskrift. Finjustering av denna rörelse är avgörande för att producera konstruktioner med optimal prestanda och utseende. Denna metod når kärnan i plastskiktfusion och ger därmed insikter i optimala tryckförhållanden och materialdesignkriterier.
Abstract
På senare tid har 3D-utskriftstekniken revolutionerat vår förmåga att designa och producera produkter, men optimering av utskriftskvaliteten kan vara utmanande. Processen för extrudering 3D-utskrift innebär att man trycker smält material genom ett tunt munstycke och deponerar det på tidigare extruderat material. Denna metod bygger på bindning mellan de på varandra följande skikten för att skapa en stark och visuellt tilltalande slutprodukt. Detta är ingen lätt uppgift, eftersom många parametrar, såsom munstyckstemperatur, skikttjocklek och utskriftshastighet, måste finjusteras för att uppnå optimala resultat. I denna studie presenteras en metod för att visualisera polymerdynamiken under extrudering, vilket ger insikt i lagerbindningsprocessen. Med hjälp av laserspeckle-avbildning kan plastflödet och fusionen lösas icke-invasivt, internt och med hög spatiotemporal upplösning. Denna mätning, som är lätt att utföra, ger en djupgående förståelse för den underliggande mekaniken som påverkar den slutliga utskriftskvaliteten. Denna metod testades med en rad kylfläkthastigheter, och resultaten visade ökad polymerrörelse med lägre fläkthastigheter och förklarade därmed den dåliga utskriftskvaliteten när kylfläkten stängdes av. Dessa resultat visar att denna metod gör det möjligt att optimera utskriftsinställningarna och förstå materialets beteende. Denna information kan användas för utveckling och testning av nya tryckmaterial eller avancerade skivningsprocedurer. Med detta tillvägagångssätt kan en djupare förståelse för extrudering byggas för att ta 3D-utskrift till nästa nivå.
Introduction
Metoden för 3D-utskrift är en additiv tillverkningsteknik där ett objekt tillverkas lager för lager för att bilda önskad form. Denna metod har en stor och mångsidig användarbas tack vare dess mångsidighet, prisvärdhet och användarvänlighet. Smält deponeringsmodellering har en rörlig extruder (med en diameter på hundratals mikron till ett par millimeter) för att deponera smält plast i önskad form1. Den extruderade plasten bör bete sig på ett vätskeliknande sätt under en viss tid för att uppnå god fusion med den tidigare tryckta plasten och bilda ett starkt sammanhängande material. Plasten bör dock svalna och stelna snabbt efter utskrift för att förhindra att plasten rinner bort från utskriftsplatsen och minskar utskriftskvaliteten. Detta känsliga samspel mellan uppvärmning och kylning har visat sig direkt underbygga balansen mellan den mekaniska hållfastheten och den geometriska noggrannheten hos det slutliga 3D-utskrivna objektet2. För att uppnå optimal värme-kylbalans extruderas plasten vid en temperatur strax över smälttemperaturen och ett fläkthuvud, fäst vid skrivaren, används för att snabbt kyla ner plasten. En djupgående förståelse av effekterna av utskriftstemperaturer och kylningshastigheter kan ge de insikter som krävs för att utveckla avancerade skivnings- och utskriftsprotokoll som maximerar de mekaniska eller geometriska resultaten inom de områden där de är viktigast. Ansträngningar för att få mer insikt i dessa processer förlitar sig ofta på infraröd (IR) avbildning, som bara visualiserar yttemperaturen 3,4,5 och inte indikerar plastens inre temperatur. Lokal uppvärmning bortom smältövergången ökar drastiskt polymerrörligheten och möjliggör därmed polymersammanflätning mellan det gamla och det nya materialet. Denna tidsmässigt förstärkta polymerrörelse är en förutsättning för bildandet av det slutliga sammanhängande materialet 6,7, men IR-avbildning kan endast mäta polymerrörelse indirekt genom yttemperaturen 8,9. Att översätta yttemperaturen till skiktbindning kräver således exakt kunskap om kärnytans temperaturgradient och den tillhörande komplexa polymerdynamiken över ett intervall av tids- och längdskalor. En direkt mätning av skiktbindningen (dvs. polymersammanflätningsprocessen) skulle möjliggöra visualisering av mekanismen bakom bulkmaterialets sammanhållning utan a priori-information eller antaganden.
För att få en förståelse för den rumsliga och tidsmässiga fördelningen av skiktbindning används en avbildningsteknik som direkt kvantifierar dynamiken hos polymererna som utgör plastfilamentet i detta arbete. Denna teknik, laser speckle imaging (LSI), bygger på interferometrisk ljusspridning för att visualisera nanoskopiska rörelser, oberoende av den kemiska sammansättningen. Beroende på provets optiska egenskaper kan det noggrant mäta flera millimeter till centimeter i icke-transparenta material10,11,12, till skillnad från IR-avbildning, som endast rapporterar yttemperaturer 8,9. Dessa attribut har nyligen gjort fläckbaserade metoder populära för att förstå dynamiska processer i en mängd material, även om de ursprungligen utvecklades för medicinska tillämpningar10,11,12. Nyligen har LSI använts för att få insikt i beteendet hos avancerade polymera material såsom självrengörande flytande kristallpolymernätverk 13,14, samt för att förutsäga fraktur i gummi15 och för att studera självläkande material16.
Möjligheten att tillämpa LSI på 3D-utskrift visades i en tidigare artikel17, där en bärbar LSI-installation med realtidsanalysfunktioner presenterades, och det visades att avsättningen av smält plast resulterar i ökad polymerrörelse flera lager under det nuvarande skiktet. I artikeln som presenteras här utförs systematisk forskning om effekterna av kylfläkthastigheten på graden av flerskiktsbindning. En förbättrad plug-and-play-version av det bärbara instrumentet används som kan användas av användare utan optik eller programmeringsexpertis. Fläckbilderna analyseras i realtid med hjälp av Fouriertransformer17, som visualiserar amplituden för fläckintensitetsfluktuationerna. Detta instrument har en extra ljusfältskamera som är inriktad mot fläckkameran så att LSI-rörelsekartorna kan överlagras med ljusfältsbilderna för enklare tolkning utan att ljusfältsljuset påverkar rörelsekartorna. Det experimentella tillvägagångssättet som presenteras i denna artikel kan användas för att få mer insikt i smältning, skiktbindning och stelning av extruderad plast under 3D-utskrift av utmanande geometrier och material.
Protocol
1. Installation och justering av LSI-instrumentet med 3D-skrivaren
- Placera 3D-skrivaren på en stadig yta för att minimera vibrationer. Placera LSI-instrumentet bredvid det så att kameran har fri sikt över utskriftsområdet. Placera LSI-instrumentet något högre än 3D-skrivarens byggplatta och luta det nedåt mycket lätt så att sikten inte skyms.
- Slå på laser- och ljusfältsbelysningen och kontrollera att de är i linje med bildområdet. Ställ in lasereffekten på 20 mW, se till att lasern lämnar installationsboxen expanderad över ett stort område (flera kvadratcentimeter) och se till att effekttätheten är tillräckligt låg (flera gånger lägre än en laserpekare) för att användas på plats utan ytterligare säkerhetsåtgärder som laserglasögon eller svarta höljen.
VARNING: Titta inte direkt in i lasern. - Börja med en testutskrift (t.ex. kompletterande kodningsfil 1 eller kompletterande kodningsfil 2) för att göra justeringen och experimentkonfigurationen bekvämare (steg 1.3-1.6). Se till att LSI-kameran är fokuserad på utskriftsområdet.
- Under detta första testtryck justerar du belysningen och digitalkameran optimalt. Justera laserriktningen så att hela bildområdet belyses homogent och justera membranet så att fläckstorleken är något större än pixelstorleken.
- Optimera bildrutehastigheten och exponeringstiden så att antalet underexponerade och överexponerade pixlar minimeras för att uppnå maximalt dynamiskt omfång.
- Välj rätt parametrar för live LSI-dataanalys; Viktigast av allt, välj den frekvens som ger den bästa bildkontrasten mellan smält och stelnad plast. Justera intresseområde (ROI) och färgkartskalning. I detta fall valdes en Fourier-serielängd på 16, och amplituden för den andra frekvensen visualiserades. Eftersom bildinsamlingshastigheten är 50 bilder per sekund är den visualiserade frekvensen 6,25 Hz.
- Förbered LSI-instrumentet för att ta bilderna för ett 3D-utskriftsexperiment. Välj hur ofta och hur länge bilderna ska sparas. I det här fallet sparades bilderna var 0,25: e sekund så att flera bilder sparades per pass av skrivarhuvudet. För varje experiment sparades bilderna i 15 minuter eftersom varje utskriftsjobb tog högst 12 minuter.
2. Förberedelse av 3D-utskriftsdesign och G-kod
- Rita objektet med valfri 3D-ritprogramvara och exportera objektet som en .stl-fil. I detta fall användes en vägg med åsar och hål, som visas i figur 1 och kan laddas ner från kompletterande kodningsfil 1.
- Importera .stl-filen till skivningsprogrammet och välj utskriftsinställningar. Dessa inställningar beror på materialval och 3D-skrivarmodell; för det fall som används i den här studien, använd inställningarna som visas i tabell 1. Använd en glödtråd som helst är vit eller någon färg som sprider laserljuset utan betydande absorption.
- Tryck på segmentknappen i skivningsprogrammet för att hämta skrivhuvudets lager och transportväg. Konfigurationsfilen för skivningsprogramvaran finns i kompletterande kodningsfil 3.
- Spara den resulterande G-koden (kompletterande kodningsfil 2) och skicka den till 3D-skrivaren.
Figur 1: Objektdesign. En 3D-vy (vänster) och 2D-vy (höger) från sidan, framsidan och överkanten av objektdesignen. Rutnätet representerar 1,0 mm x 1,0 mm, med 1,0 cm x 1,0 cm i fetstil. Väggen är 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (bredd x höjd x djup), och åsarna har en bredd på 1,0 mm, har ett djup på 0,4 mm och är åtskilda av 1,0 mm. Fönstren har en bredd på 1,0 mm och en höjd på 2,0 mm. 3D-designen finns i kompletterande kodningsfil 1. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Boende/miljö | Värde |
| Glödtråd | Polymjölksyra (PLA), vit |
| Munstyckets diameter | 0,4 mm |
| Skikt tjocklek | 0,2 mm |
| Munstyckstemperatur | 210 °C |
| Kylfläktens hastighet | 100% |
| Utskriftshastighet | 10 mm/s |
| Körhastighet | 10 mm/s |
| Sängtemperatur | 60 °C |
Tabell 1: Inställningar för 3D-utskrift. De inställningar och skrivaregenskaper som används för att segmentera objektdesignen. För det andra experimentet ändrades fläkthastigheten manuellt till 0%.
3. Utföra experimentet
- Starta 3D-skrivaren och vänta tills uppvärmningsperioden är slut.
- LSI-mätningen kan startas när som helst, men för att förhindra onödig databesparing, starta LSI-mätningen när plasten börjar extrudera.
- Vänta tills 3D-skrivaren är klar och stoppa sedan LSI-mätningen.
- Läs in resulterande data i ett bildvisningsprogram och inspektera det utskrivna objektet visuellt. Jämför de uppmätta plastpolymerrörelserna under utskrift med den slutliga strukturella integriteten och ytkvaliteten.
Representative Results
Ett enkelt objekt ritades som ett testmål för experimenten: en vägg med åsar på baksidan, två fönster och ett stort hål (figur 1). Objektet segmenterades med de skrivarinställningar och egenskaper som anges i tabell 1.
LSI-instrumentet anpassades till 3D-skrivaren och experimentet utfördes. Den användarvänliga installationen har en extra ljusfältskamera, som hjälper till under justeringen och möjliggör en enkel jämförelse mellan plaststrängsprutningen och den uppmätta polymerrörelsen. Speckle- och brightfield-kamerorna är båda utrustade med optiska filter som förhindrar störningar från den andra kanalen. Mer teknisk information om installationen finns i Kompletterande fil 1, och en förklaring av analysrutinen presenteras i Kompletterande fil 2. Höjdpunkterna i resultaten av detta experiment visas i figur 2, och hela filmen finns i kompletterande film 1. Som tidigare visats kan experimentet utföras lika bra med ett hemmabyggt instrument17.
Bild 2: Tidsfördröjning för utskrift med 100 % kylfläkthastighet. Vänster: Brightfield, framifrån bild av objektet när skrivaren nästan är klar. Kvaliteten på utskriften ser bra ut vid inspektion; Även om ytan visar lagerlinjerna har den övergripande designade geometrin producerats. Höger: Fyra LSI-ögonblicksbilder från det vita avgränsade området under utskriftsprocessen. De blå pilarna anger skrivhuvudets position vid tidpunkten för ögonblicksbilden, eftersom LSI-bilderna inte överensstämmer i tid med ljusfältsbilden. De ljusare färgerna i varje ögonblicksbild indikerar ökad polymerrörelse, vilket observeras i de senast tryckta skikten. Observera att området med förbättrad rörelse (svetszonen) är flera lager tjockt. Den fullständiga detaljerade filmen av experimentet finns i kompletterande film 1. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Som komplement till dessa resultat inspekterades trycket visuellt; Som förväntat för dessa vanliga polymerfilament och utskriftsinställningar var kvaliteten bra. Den designade geometrin reproducerades verkligen, och ytan var jämn, med en liten linje synlig på varje lager. Med LSI-data var det möjligt att få en djupgående inblick i utskriftsprocessen. Den nyextruderade plasten syntes som mycket rörlig och rörligheten minskade gradvis när den svalnade. Höjden på området med hög rörlighet (dvs. svetszonen) var fyra till fem lager tjockt under hela tryckproceduren, vilket indikerar en väldefinierad varaktighet av skiktfusion.
Experimentet upprepades med kylfläkthastigheten manuellt justerad till 0%. Med denna inställning svalnade plasten inte tillräckligt snabbt, vilket påverkade utskriftskvaliteten. Höjdpunkterna i resultaten visas i figur 3, och den fullständiga detaljerade filmen finns i kompletterande film 2.
Bild 3: Tidsfördröjning för utskrift med 0 % kylfläkthastighet. Vänster: Brightfield, framifrån bild av objektet när skrivaren nästan är klar. Den visuella kvaliteten på utskriften ser dålig ut; Ytan visar oregelbundna lagerlinjer och stora blobbar. Dessutom har den övergripande utformade geometrin reproducerats ofullständigt; I synnerhet deformeras fönstren och hålen. Höger: Fyra LSI-ögonblicksbilder från det vita avgränsade området under utskriftsprocessen. De blå pilarna anger skrivhuvudets position vid tidpunkten för ögonblicksbilden, eftersom LSI-bilderna inte överensstämmer i tid med ljusfältsbilden. De ljusare färgerna i varje ögonblicksbild indikerar ökad polymerrörelse, som kan observeras genom hela objektet. Den fullständiga detaljerade filmen av experimentet finns i kompletterande film 2. Klicka här för att se en större version av denna figur.
I linje med förväntningarna visade visuell inspektion av den 3D-utskrivna konstruktionen verkligen dålig utskriftskvalitet. Skikten var ojämnt fördelade och den konstruerade geometrin reproducerades med deformationer. En jämförelse av ljusfältsbilderna i figur 2 och figur 3 visar kylfläktens stora effekt på ytkvaliteten och formen på utskriftsresultatet. Ursprunget till denna effekt bestämdes genom att jämföra LSI-resultaten från figur 2 och figur 3. Med en 100% kylfläkthastighet observerades förbättrad polymerrörelse i ett område bara några lager under den extruderade plasten. Därför kondenserades varje lager måttligt några gånger för att uppnå skiktbindning utan plastflöde. Med 0% kylfläkthastighet observerades förbättrad polymerrörelse genom hela objektet. Således blev varje lager flytande många gånger och extremt nära den nyligen extruderade plasten, vilket resulterade i en förlust av geometrisk noggrannhet genom plastflöde.
För att få en mer kvantitativ bild av kylfläkteffekten i mer måttliga situationer varierades kylfläktens hastighet systematiskt. Objektdesignen förenklades till en vägg på 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (bredd x höjd x djup) utan hål eller åsar. Samma utskriftsinställningar som i tabell 1 användes. Experimentet utfördes 12 gånger, med kylfläkthastigheter på 0%, 20%, 40%, 60%, 80% och 100%, vardera i två exemplar. De resulterande filmerna finns i kompletterande filmer 3, kompletterande film 4, kompletterande film 5, kompletterande film 6, kompletterande film 7 och kompletterande film 8, samt kompletterande kodningsfil 6, kompletterande kodningsfil 7, kompletterande kodningsfil 8, kompletterande kodningsfil 9, kompletterande kodningsfil 10 och kompletterande kodningsfil 11.
För att kvantitativt jämföra svetszonerna för olika fläkthastigheter utfördes avancerad dataanalys av LSI-resultaten. Målet med denna dataanalys var att erhålla en höjdprofil av polymerrörelsens utbredning i svetszonen. Det tillhörande fullständigt kommenterade MATLAB-skriptet finns i kompletterande kodningsfil 4 och beskrivs kortfattat. För varje LSI-bild i filmen beräknas en höjdprofil genom att medelvärdet tas längs den horisontella riktningen. Profilerna på bilderna där skrivhuvudet är i ROI visar en tydlig topp runt svetszonen. För att uteslutande välja dessa profiler beaktas endast profiler med en topp över 8 dB. Profiler där denna topp är för nära kanten av avkastningen kasseras också. Topppositionerna för alla profiler justeras därefter för att ge en genomsnittlig profil i förhållande till den höjd där polymererna är mest rörliga. De resulterande profilerna för de sex olika kylfläkthastigheterna visas i figur 4.
Figur 4: Höjdprofiler för systematisk variation av kylfläktens hastighet. Vänster: Svetszonsprofilerna för kylfläkthastigheter på 100 % (svart), 80 % (blå), 60 % (lila), 40 % (röd), 20 % (orange) och 0 % (gul), erhållna från det avancerade dataanalysskriptet i kompletterande kodningsfil 4. Det skuggade området är standardavvikelsen mellan dubbla experiment. Det högra schemat förklarar medelvärdesproceduren för att få profilen för en typisk LSI-bild. Genom att justera maximalt topparna för alla erhållna profiler erhålls svetszonen. Svetszonens maximala (relativ höjd = 0) är den höjd vid vilken polymererna är mest rörliga. Fullständiga detaljerade LSI- och ljusfältsfilmer av varje experiment finns i kompletterande film 3, kompletterande film 4, kompletterande film 5, kompletterande film 6, kompletterande film 7 och kompletterande film 8. Objektetsom skrivs ut för denna figur finns i kompletterande kodningsfil 5, med motsvarande G-kodfiler i kompletterande kodningsfil 6. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Svetszonsprofilerna för 40–100 % kylning var nästan identiska. Svetszonen för 20% kylning hade en axel som sträckte sig in i flera djupare lager. Svetszonen för 0% kylning sträckte sig över hela det uppmätta området. Den höjd där polymererna var mest rörliga låg i eller något under det senast tryckta skiktet. Detta fenomen förklarar närvaron av en LSI-signal vid positiva relativa höjder, eftersom det finns tryckt material ovanför mobilitetstoppen. I alla fall nådde svetszonen mycket djupare än skikttjockleken på 0,2 mm.
Kompletterande fil 1: LSI-installation.xls. Hårdvaruparametrar för LSI-instrumentet som används här. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 2: LSI-analys.docx. Förklaring av konverteringen av de råa fläckbilderna till LSI-bilder. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande film 1: LSI och ljusfältsfilm av experimentet som beskrivs i figur 2. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande film 2: LSI och ljusfältsfilm av experimentet som beskrivs i figur 3. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande film 3: Experimentet med 100 % kylfläkthastighet som beskrivs i figur 4. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande film 4: Experimentet med 80 % kylfläkthastighet som beskrivs i figur 4. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande film 5: Experimentet med 60 % kylfläkthastighet som beskrivs i figur 4. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande film 6: Experimentet med 40 % kylfläkthastighet som beskrivs i figur 4. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande film 7: Experimentet med 20 % kylfläkthastighet som beskrivs i figur 4. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande film 8: Experimentet med 0 % kylfläkthastighet som beskrivs i figur 4. Filmen spelas upp med 12,5x realtidshastighet. Den övre delen är LSI-resultatet och den nedre delen är den synkroniserade ljusfältsvyn med LSI-ROI som anges. Klicka här för att ladda ner den här filmen.
Kompletterande kodningsfil 1: wall_with_holes.stl. 3D-designen för objektet som beskrivs i figur 1. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 2: wall_with_holes.gcode. Det segmenterade objektet wall_with_holes.stl med inställningarna från tabell 1. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 3: config.ini. Konfigurationsfilen för skivprogramvaran. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Skriptet för att utföra den avancerade dataanalysen på kylfläktens svepdata och rita figur 4. Manuset är fullständigt kommenterat. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 5: wall.stl. 3D-designen för objektet som används för att samla in data i figur 4. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 6: wall_100%.gcode. Det skivade objektet wall.stl med en 100% kylfläkthastighet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 7: wall_80%.gcode. Det skivade objektet wall.stl med en 80% kylfläkthastighet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 8: wall_60%.gcode. Det skivade objektet wall.stl med en 60% kylfläkthastighet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 9: wall_40%.gcode. Det skivade objektet wall.stl med en 40% kylfläkthastighet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 10: wall_20%.gcode. Det skivade objektet wall.stl med en 20% kylfläkthastighet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfil 11: wall_0%.gcode. Det skivade objektet wall.stl med en 0% kylfläkthastighet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Experimenten och resultaten som beskrivs i denna forskning visar att LSI är ett lättanvänt verktyg som möjliggör en djupare förståelse av lagerbindning under additiv tillverkning. LSI möjliggör direkt mätning av polymerrörelsen, som måste finjusteras för att bilda ett sammanhängande material genom interpenetration och efterföljande intrassling av polymerkedjorna. Det vanligaste alternativet för att mäta lagerbindning in situ är infraröd avbildning 3,4,5. Denna väletablerade metod avbildar den lokala yttemperaturen hos plasten8,9, vilket är en indirekt mätning av polymerrörelsen inuti materialet. Med varmare plast är rörelsen snabbare och bindningen blir starkare. Förhållandet mellan temperatur och rörelse är dock inte linjärt, eftersom trycktemperaturerna passerar smält- och glasövergångstemperaturerna 6,7. Detta icke-triviala förhållande kan observeras direkt i LSI-bilderna; Specifikt finns det en skarp övergång mellan den vätskeliknande toppen och de fasta bottenregionerna, medan temperaturgradienten förväntas vara mycket mer gradvis. En annan nackdel med IR-avbildning är att den endast mäter yttemperaturen, medan LSI mäter polymerrörelse vanligtvis flera millimeter djupt inuti materialet.
Precis som med IR-avbildning är denna implementering av LSI i huvudsak en peka-och-skjut-metod; Den kan användas på plats om kameran kan riktas mot området av intresse. Det mångsidiga stativet och det långa arbetsavståndet på 0,7 m ger friheten att använda alla tillgängliga 3D-skrivare. Avgörande är att LSI är känslig för nanoskopiska rörelser, och därför måste vibrationer från omgivningen och själva tryckprocessen minimeras17. Att till exempel utföra en annan uppgift på samma bord eller smälla en dörr kommer att orsaka störningar. Därför bör man försiktigt gå runt installationen; Rumsbelysning eller luftflöde stör dock i allmänhet inte processen.
LSI ger detaljerad inblick i lagerbindningsprocessen och kan appliceras lika enkelt som IR-avbildning. Vi ser framför oss att LSI har stor potential att hjälpa utvecklingen och förståelsen av avancerade 3D-utskriftsmetoder. Svepet med kylfläkthastighet visar en glimt av vad som är möjligt genom att kombinera LSI med 3D-utskrift. Som diskuterades i inledningen är den optimala kylhastigheten en balans mellan att hålla plasten smält tillräckligt länge för att förbättra lagerbindningen men kyla ner den tillräckligt snabbt för att förhindra flöde. Resultaten på 40% -100% kylfläkthastighet var mycket lika; Faktum är att dessa fläkthastigheter inte visade något flöde och gav en bra ytkvalitet. Med 0% kylfläkthastighet började materialet flöda bort från den tryckta platsen, men riklig lagerbindning observerades i LSI-mätningen. Baserat på våra resultat kan kylfläktens hastighet på 20 % vara optimal för att uppnå något förbättrad lagerbindning utan att kompromissa med ytkvaliteten. För att dra slutsatser som kan tillämpas i praktiken måste dock fler kylfläkthastigheter mellan 0% och 40% bedömas. Det är också önskvärt att fastställa kvantitativa mått för ytkvalitet och materialstyrka för att få en objektiv och fullständig bild av effekterna av polymerrörelse på de önskade egenskaperna. Med detta tillägg kan tillvägagångssättet göras mer kraftfullt för att utvärdera kreativa 3D-utskriftsframsteg.
De exakta inställningarna som väljs för LSI-analysen är inte utsatta för kritiska fel så länge vätskeliknande plast och fasta plastfaser kan särskiljas tydligt. Polymerrörelsen förändras dramatiskt när den passerar smält- och glasövergångstemperaturerna, så ett brett spektrum av LSI-inställningar fångar kontrasten väl. Detta kan enkelt testas med en testutskrift av ett enkelt objekt (t.ex. en rak vägg) med de 3D-skrivarinställningar som rekommenderas av materialleverantören. För mer avancerade LSI-användare kan djupdykning i frekvensområdet ge extra information, eftersom olika typer av polymerrörelser kan särskiljas kvantitativt. Till exempel är högfrekvent polymerrörelse associerad med de högsta temperaturerna, som endast finns nära skrivarhuvudet. Polymerrörelse med lägre frekvens är förknippad med måttliga temperaturer, som finns i ett mycket större område runt skrivarhuvudet och även under mycket längre tid17. Huruvida bindningsgraden för kumulativ lågfrekvent polymerrörelse kan vara lika med den med kort, högfrekvent rörelse (t.ex. med dynamisk mekanisk analys) måste undersökas. De flesta andra inställningar, som färgkartans skalning, ROI, sparintervall och experimentlängd, väljs enbart för att ge ett visuellt tydligt och tilltalande resultat. När det gäller 3D-utskriftsinställningarna finns det också mycket frihet, eftersom LSI tillåter användaren att objektivt bedöma resultaten av att ändra någon av inställningarna. I synnerhet ändrar drastiskt utskriftshastigheten tolkningen av LSI-data. I detta arbete användes en långsam utskrifts- och körhastighet på 10 mm/s för att fånga flera LSI-bilder under ett pass av skrivarhuvudet. Om en vanligare utskriftshastighet på 60 mm/s för PLA användes, skulle ungefär ett helt lager skrivas ut per LSI-bild, och därmed skulle medelvärdet inom ett lager inträffa. Om du experimenterar med avancerade hastigheter som 300 mm / s och snabbare, skulle medelvärdet över flera lager inträffa. Detta är dock helt beroende av den exakta utskriftsgeometrin och LSI-inställningarna och kan enkelt mildras av en erfaren LSI-användare genom avancerad maskindesign, justering av synfältets storlek eller användning av en snabbare kamera. Båda tillvägagångssätten kräver en kraftfullare laser, som i kombination med det reflekterande skrivarhuvudet kräver ytterligare lasersäkerhetsåtgärder. Den relativt långsamma utskriftshastigheten har också en positiv inverkan på skiktbindningen, eftersom det tidigare bevisats att värmeöverföringen till plasten ökar med långsammare utskriftshastigheter5.
En möjlig ny riktning för detta tillvägagångssätt är testning av nya material; LSI kan till exempel användas för att visualisera relevanta övergångar och objektivt kvantifiera de rekommenderade skrivarinställningarna som ger en svetszon med fem lager vid applicering av toppskiktet. En annan tillämpning kan vara att studera svetszonen i specifika situationer där utskriftskvaliteten inte är tillförlitligt bra, till exempel för broar, överhäng eller skarpa hörn. Om svetszonen i svåra situationer kan förstås bättre, bör det vara möjligt att kompensera i G-koden. Det är redan vanligt att skriva ut det första lagret varmare och långsammare än resten av lagren för att uppnå god vidhäftning till byggplattan18. Vi föreställer oss användningen av liknande dynamisk G-kodskärning där till exempel fläktkylningen kan justeras för att producera hörn eller broar. Det ska också vara möjligt att trycka ytterväggsmaterialet med en jämnare finish och resten av materialet och fyllningen grövre, men starkare för att maximera både materialstyrka och visuellt utseende.
Denna artikel har diskuterat tillämpningen av LSI för att studera skiktbindningsprocessen efter plastextrudering. Tekniken är utmärkt för denna uppgift, eftersom den kan visualisera den underliggande polymerrörelsen utan a priori-antaganden i realtid under 3D-utskrift. Det ger emellertid ingen information om materialsammanhållningen, så ytterligare testning kommer att krävas. De andra nackdelarna som diskuteras är situationella; den begränsade bildhastigheten på fyra LSI-bilder per sekund kan ökas med en större laser och ytterligare lasersäkerhetsåtgärder, och vibrationskänsligheten kräver försiktighetsåtgärder eller vibrationsreducerande hårdvara. LSI kan utföras med billiga och små digitalkameror och lasrar19,20, vilket möjliggör integration i praktiskt taget alla 3D-skrivare för livekvalitetskontroll och dynamisk inställning av utskriftsparametrarna. Det är dock mer meningsfullt att använda LSI för att utveckla grundlig kunskap om lagerbindning under 3D-utskrift. Om denna förståelse används för att utveckla mer avancerad skivningsprogramvara kan varje konsument 3D-skrivare dra nytta av den kunskap som erhållits.
Disclosures
Jesse Buijs är i färd med att starta ett nystartat företag som säljer LSI-instrumentet och programvaran som används i den här artikeln. Övriga författare uppger inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna fick ingen extern 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).
