Name: 3D 打印层中粘合的实时成像 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-09-01T12:20:00.000+00:00
Duration: 4 min 36 s
Description: 了解激光散斑成像技术在3D打印层粘合实时可视化中的应用。该方法可无创测量聚合物运动，帮助研究人员优化打印条件并提升材料性能。

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作者未获得外部资金支持。

1. LSI 仪器与 3D 打印机的设置与对准
<ol>
	<li>将3D打印机放置在稳固的表面上，以尽量减少振动。将LSI仪器放置在打印机旁边，使相机能够清晰观察打印区域。LSI仪器的位置应略高于3D打印机的构建平台，并轻微向下倾斜，以确保视野不受遮挡。</li>
	<li>打开激光器和明场照明，确认其与成像区域对齐。将激光功率设置为 20 mW，确保激光从装置箱体射出时覆盖较大面积（数平方厘米），并确保功率密度足够低（比激光笔低数倍），以保证使用安全。 原位 无需额外的安全措施，如激光护目镜或黑色封闭罩。 
	警告：切勿直视激光。</li>
	<li>从测试打印开始（例如， 补充编码文件 1 或 补充编码文件 2) 以使对准和实验装置更加方便（步骤 1.3–1.6）。确保 LSI 相机聚焦于打印区域。</li>
	<li>在首次测试打印过程中，优化调整照明和数码相机的位置。调节激光方向，使整个成像区域均匀受光，并调节光圈，使散斑尺寸略大于像素尺寸。</li>
	<li>优化帧率和曝光时间，以最小化欠曝光和过曝光像素的数量，从而实现最大的动态范围。</li>
	<li>选择合适的参数进行实时LSI数据分析；最重要的是，选择能够在熔融与凝固塑料之间产生最佳成像对比度的频率。调整感兴趣区域（ROI）和 colormap 的缩放范围。本实验中选用长度为16的傅里叶级数，并对第二频率的振幅进行可视化。由于散斑图像采集速率为每秒50帧，因此所可视化的频率为6.25 Hz。</li>
	<li>准备LSI仪器以采集一次3D打印实验的图像。设置图像保存的频率和持续时间。本实验中，图像每0.25秒保存一次，以确保打印头每次移动过程中保存多幅图像。每次实验均持续保存图像15分钟，因为每项打印任务最长不超过12分钟。</li>
</ol>
2. 3D打印设计与G代码的准备
<ol>
	<li>使用任意一款三维绘图软件绘制物体，并将其导出为 .stl 文件格式。本示例中使用的是带有脊状结构和孔洞的墙体模型，如图1所示，该模型可从补充代码文件1下载。</li>
	<li>将 .stl 文件导入切片软件，并选择打印参数。具体参数设置取决于所选材料和3D打印机型号；本研究所采用的设置如表1所示。建议使用白色或能有效散射激光光束而无明显吸收的其他颜色的打印耗材。</li>
	<li>在切片软件中点击切片按钮，以生成打印头的逐层打印路径和移动轨迹。切片软件的配置文件详见补充代码文件3。</li>
	<li>保存生成的G代码文件（补充代码文件2），并将其传输至3D打印机。</li>
</ol>
<img alt="3D建模示意图，结构设计；用于组装的网格布局，包含相互嵌合的组件。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65415/65415fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
图1：物体设计。 物体设计的三维视图（左）和从侧面、正面及顶部观察的二维视图（右）。网格代表1.0 mm × 1.0 mm，加粗线表示1.0 cm × 1.0 cm。壁面尺寸为25 mm × 12 mm × 1.2 mm（宽 × 高 × 深），凸脊宽度为1.0 mm，深度为0.4 mm，间距为1.0 mm。窗口宽度为1.0 mm，高度为2.0 mm。三维设计文件见补充代码文件1。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/65415fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>属性/设置</td>
			<td>数值</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>丝材</td>
			<td>聚乳酸 (PLA)，白色</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>喷嘴直径</td>
			<td>0.4 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>层厚</td>
			<td>0.2 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>喷嘴温度</td>
			<td>210 °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>冷却风扇速度</td>
			<td>100%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>打印速度</td>
			<td>10 mm/s</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>移动速度</td>
			<td>10 mm/s</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>热床温度</td>
			<td>60 °C</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：3D打印设置。 用于切片物体设计的设置和打印机属性。在第二次实验中，风扇速度被手动更改为0%。
3. 实验操作
<ol>
	<li>启动3D打印机，并等待预热阶段结束。</li>
	<li>LSI测量可在任意时刻开始，但为避免不必要的数据保存，建议在塑料开始挤出时启动LSI测量。</li>
	<li>等待3D打印机完成打印后，停止LSI测量。</li>
	<li>将获得的数据载入图像查看软件，对打印物体进行目视检查。将打印过程中测得的塑料聚合物流动情况与最终结构完整性和表面质量进行对比。</li>
</ol>

Visualizing Polymer Dynamics for Optimizing 3D Printing Quality

<ol><li>Daminabo, S. C., Goel, S., Grammatikos, S. A., Nezhad, H. Y., Thakur, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fused+deposition+modeling-based+additive+manufacturing+%283D+printing%29%3A+Techniques+for+polymer+material+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Fused deposition modeling-based additive manufacturing (3D printing): Techniques for polymer material systems.</a> Materials Today Chemistry. 16, 100248(2020).</li>
<li>Lee, C. Y., Liu, C. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+influence+of+forced-air+cooling+on+a+3D+printed+PLA+part+manufactured+by+fused+filament+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">The influence of forced-air cooling on a 3D printed PLA part manufactured by fused filament fabrication.</a> Additive Manufacturing. 25, 196-203 (2019).</li>
<li>Seppala, J. E., Migler, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Infrared+thermography+of+welding+zones+produced+by+polymer+extrusion+additive+manufacturing%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Infrared thermography of welding zones produced by polymer extrusion additive manufacturing.</a> Additive Manufacturing. 12, 71-76 (2016).</li>
<li>Shmueli, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+in+situ+X-ray+scattering+and+infrared+imaging+of+polymer+extrusion+in+additive+manufacturing%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Polymer+Materials%22%5BJournal%5D)">Simultaneous in situ X-ray scattering and infrared imaging of polymer extrusion in additive manufacturing.</a> ACS Applied Polymer Materials. 1 (6), 1559-1567 (2019).</li>
<li>Dinwiddie, R. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Infrared+imaging+of+the+polymer+3D-printing+process%5BTitle%5D)+AND+%22Thermosense%3A+Thermal+Infrared+Applications+XXXVI%22%5BJournal%5D)">Infrared imaging of the polymer 3D-printing process.</a> Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVI. 9105, 910502(2014).</li>
<li>Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fusion+bonding%2Fwelding+of+thermoplastic+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Thermoplastic+Composite+Materials%22%5BJournal%5D)">Fusion bonding/welding of thermoplastic composites.</a> Journal of Thermoplastic Composite Materials. 17 (4), 303-341 (2004).</li>
<li>Peterson, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+acrylonitrile+butadiene+styrene+in+fused+filament+fabrication%3A+A+plastics+engineering-focused+perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Review of acrylonitrile butadiene styrene in fused filament fabrication: A plastics engineering-focused perspective.</a> Additive Manufacturing. 27, 363-371 (2019).</li>
<li>Menaka, M., Vasudevan, M., Venkatraman, B., Raj, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimating+bead+width+and+depth+of+penetration+during+welding+by+infrared+thermal+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Insight-Non-Destructive+Testing+and+Condition+Monitoring%22%5BJournal%5D)">Estimating bead width and depth of penetration during welding by infrared thermal imaging.</a> Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 47 (9), 564-568 (2005).</li>
<li>Möllmann, K. P., Vollmer, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Infrared+thermal+imaging+as+a+tool+in+university+physics+education%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Infrared thermal imaging as a tool in university physics education.</a> European Journal of Physics. 28 (3), 37(2007).</li>
<li>Dela Torre, I. M., Montes, M. D. S. H., Flores-Moreno, J. M., Santoyo, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+speckle+based+digital+optical+methods+in+structural+mechanics%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+and+Lasers+in+Engineering%22%5BJournal%5D)">Laser speckle based digital optical methods in structural mechanics: A review.</a> Optics and Lasers in Engineering. 87, 32-58 (2016).</li>
<li>Senarathna, J., Rege, A., Li, N., Thakor, N. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+speckle+contrast+imaging%3A+Theory%2C+instrumentation+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Reviews+in+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Laser speckle contrast imaging: Theory, instrumentation and applications.</a> IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 99-110 (2013).</li>
<li>Buĳs, J. J. Simpler, faster, and softer: Towards broad application of laser speckle imaging in art conservation and soft matter. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Wageningen+University+and+Research%22">Wageningen University and Research</a>. , The Netherlands. PhD Thesis (2022).</li>
<li>van der Kooij, H. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphing+of+liquid+crystal+surfaces+by+emergent+collectivity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Morphing of liquid crystal surfaces by emergent collectivity.</a> Nature Communications. 10 (1), 3501(2019).</li>
<li>van Der Kooij, H. M., Broer, D. J., Liu, D., Sprakel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroplasticization+of+liquid+crystal+polymer+networks%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Electroplasticization of liquid crystal polymer networks.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (17), 19927-19937 (2020).</li>
<li>van der Kooij, H. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+speckle+strain+imaging+reveals+the+origin+of+delayed+fracture+in+a+soft+solid%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Advances%22%5BJournal%5D)">Laser speckle strain imaging reveals the origin of delayed fracture in a soft solid.</a> Science Advances. 4 (5), (2018).</li>
<li>vander Kooij, H. M., Susa, A., García, S. J., vander Zwaag, S., Sprakel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+the+molecular+motions+of+autonomous+repair+in+a+self-healing+polymer%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Imaging the molecular motions of autonomous repair in a self-healing polymer.</a> Advanced Materials. 29 (26), 1701017(2017).</li>
<li>Buijs, J., Gucht, J. V. D., Sprakel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fourier+transforms+for+fast+and+quantitative+laser+speckle+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Fourier transforms for fast and quantitative laser speckle imaging.</a> Scientific Reports. 9 (1), 13279(2019).</li>
<li>Ehrmann, G., Ehrmann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+the+shape-memory+properties+of+3D+printed+PLA+structures+with+different+infills%5BTitle%5D)+AND+%22Polymers%22%5BJournal%5D)">Investigation of the shape-memory properties of 3D printed PLA structures with different infills.</a> Polymers. 13 (1), 164(2021).</li>
<li>Richards, L. M., Kazmi, S. S., Davis, J. L., Olin, K. E., Dunn, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+laser+speckle+contrast+imaging+of+blood+flow+using+a+webcam%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Low-cost laser speckle contrast imaging of blood flow using a webcam.</a> Biomedical Optics Express. 4 (10), 2269-2283 (2013).</li>
<li>Chen, H. L., Lai, C. L., Hsu, K. Y., Liu, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implementation+of+laser+speckle+imaging+system+with+low+cost+consumer+graded+instrumentation+for+skin+perfusion%5BTitle%5D)+AND+%222016+IEEE+International+Conference+on+Consumer+Electronics-Taiwan+%28ICCE-TW%29%22%5BJournal%5D)">Implementation of laser speckle imaging system with low cost consumer graded instrumentation for skin perfusion.</a> 2016 IEEE International Conference on Consumer Electronics-Taiwan (ICCE-TW). , 1-2 (2016).</li>
</ol>

Jesse Buijs 正在创办一家初创公司，该公司销售本文所使用的 LSI 仪器和软件。其他作者声明不存在利益冲突。

本研究中描述的实验与结果表明，激光散斑成像（LSI）是一种易于应用的工具，可加深对增材制造过程中层间结合的理解。LSI能够直接测量聚合物的运动，而该运动必须经过精细调控，以通过聚合物链的相互渗透及随后的缠结形成连贯的材料。目前测量层间结合最常用的替代方法 原位 是红外成像3,4,5. 这种成熟的方法可对塑料的局部表面温度进行成像8,9，这是对材料内部聚合物运动的间接测量。塑料温度越高，分子运动越快，结合强度也越强。然而，温度与分子运动之间的关系并非线性，因为打印温度跨越了熔融温度和玻璃化转变温度。6,7这种非线性的关系可直接在LSI图像中观察到；具体而言，液体状的上部区域与固体状的下部区域之间存在明显的分界，而温度梯度则预期要平缓得多。红外成像的另一个缺点是仅能测量表面温度，而LSI通常可测量材料内部数毫米深度处的聚合物运动。
与红外成像类似，这种激光散斑成像（LSI）的实现本质上是一种即指即拍的方法；只要能够将相机对准感兴趣区域，就可以在现场（in situ）使用。其通用三脚架和0.7 m的长工作距离使得可以灵活选用任何可用的3D打印机。关键的是，LSI对纳米级运动敏感，因此必须尽量减少来自周围环境以及打印过程本身的振动17。例如，在同一张桌子上进行其他操作或猛然关门都会引起干扰。因此，操作人员应谨慎地在装置周围走动；不过，室内灯光或气流通常不会对过程造成干扰。
LSI 可深入揭示层间结合过程，其应用简便性与红外成像相当。我们预计，LSI 在推动和发展先进的 3D 打印技术方面具有巨大潜力。冷却风扇转速扫描实验展示了将 LSI 与 3D 打印结合所能实现的可能性。如引言中所述，最佳冷却速度需要在两个因素之间取得平衡：既要使塑料保持熔融状态足够长时间以改善层间结合，又要足够快速地冷却以防止材料流动。在 40% 至 100% 的冷却风扇转速下，实验结果非常相似；事实上，这些风扇转速下均未出现材料流动现象，并获得了良好的表面质量。在 0% 冷却风扇转速下，材料开始从打印位置发生流动，但在 LSI 测量中观察到了充分的层间结合。根据我们的结果，20% 的冷却风扇转速可能是在不牺牲表面质量的前提下实现略微改善层间结合的最佳选择。然而，要得出具有实际应用价值的结论，还需评估 0% 至 40% 之间更多档位的冷却风扇转速。此外，建立针对表面质量和材料强度的定量评价指标也十分必要，以便客观而全面地理解聚合物流动对目标性能的影响。若能补充这些内容，该方法将更有力地支持创新性 3D 打印技术的评估与发展。
只要能够清晰区分类液态塑料和类固态塑料相，LSI 分析所选择的具体参数设置就不易产生严重错误。当跨越熔融温度和玻璃化转变温度时，聚合物的运动会发生显著变化，因此较宽范围的 LSI 参数设置均能良好地捕捉到这种对比。这一点可以通过使用材料供应商推荐的 3D 打印机设置，打印一个结构简单的测试样品（例如直壁）来轻松验证。对于更高级的 LSI 用户，深入研究频率范围可以获得额外信息，因为不同类型的聚合物运动可以被定量区分。例如，高频聚合物运动与最高温度相关，而这些温度仅出现在靠近打印头的区域；低频聚合物运动则与中等温度相关，这些温度在打印头周围更大范围的区域以及更长的时间内存在17。累积的低频聚合物运动所带来的结合程度是否与短暂的高频运动（例如动态力学分析中的情况）相当，仍需进一步研究。大多数其他设置，如色图缩放、感兴趣区域（ROI）、保存间隔和实验时长，仅是为了获得视觉上清晰且直观的结果。关于 3D 打印参数，用户也有很大的自由度，因为 LSI 可使用户客观评估更改任何参数所带来的影响。值得注意的是，大幅改变打印速度会改变对 LSI 数据的解读。本研究中采用了较慢的打印和移动速度（10 mm/s），以便在打印头单次经过过程中捕获多幅 LSI 图像。如果采用 PLA 更常见的 60 mm/s 打印速度，则每幅 LSI 图像大约对应打印完整的一层，从而导致单层内的信号平均化。如果尝试使用 300 mm/s 或更快的高端打印速度，则会出现跨多层的平均化现象。然而，这种情况完全取决于具体的打印几何结构和 LSI 参数设置，经验丰富的 LSI 用户可通过先进的设备设计、调整视场大小或使用更快的相机来轻松缓解这一问题。这两种方法都需要更强大的激光器，结合反射性的打印头，还需采取额外的激光安全防护措施。相对较慢的打印速度对层间结合也有积极影响，因为已有研究证明，随着打印速度降低，传入塑料的热量会增加5。
该方法的一个可能的新方向是测试新型材料；例如，可以利用LSI来可视化相关转变过程，并客观量化推荐的打印机设置，以在顶层沉积时形成五层焊接区。另一个应用方向是研究在打印质量不稳定或较差的特定情况下的焊接区，例如桥梁结构、悬垂部分或尖锐拐角。如果能够更深入地理解这些复杂情况下的焊接区特性，则有望通过调整G代码进行补偿。目前，为了实现与打印平台的良好粘附，通常采用比其他层更高温度且更慢速度打印第一层，这已是常见做法18。我们设想可采用类似的动态G代码切片策略，例如，在打印拐角或桥梁结构时调节风扇冷却强度。此外，还可以对外壁材料采用更平滑的打印方式，而对内部材料和填充结构则采用较粗糙但强度更高的打印方式，从而同时最大化材料的力学性能和外观质量。
本文讨论了LSI在研究塑料挤出后层间结合过程中的应用。该技术非常适合此项任务，因为它能够在不破坏样品的情况下可视化聚合物内部的运动情况。 先验的 在3D打印过程中实时验证假设。然而，该方法无法提供有关材料内聚性的任何信息，因此需要额外的测试。其他所讨论的缺点具有情境依赖性：每秒四幅LSI图像的有限成像速度可通过使用更大功率的激光器及加强激光安全措施来提高；而对振动的敏感性则需要采取预防措施或配备减振硬件。LSI可采用廉价且小型的数码相机和激光器来实施。19,20，可集成到几乎所有的3D打印机中，实现打印过程的实时质量控制和打印参数的动态调节。然而，更合理的方式是利用LSI深入研究3D打印过程中层间结合的机理。若能基于这一理解开发出更先进的切片软件，所有消费级3D打印机都将受益于所获得的知识。

3D打印是一种增材制造技术，通过逐层堆积材料来构建所需形状的物体。由于其多功能性、经济性和易用性，该技术拥有广泛而多样的用户群体。熔融沉积成型技术采用一个可移动的挤出机（直径为数百微米至几毫米），将熔融塑料沉积成所需形状。1挤出的塑料应在一定时间内保持类似液体的流动特性，以实现与先前打印层的良好融合，并形成具有较强内聚力的材料。然而，塑料在打印后应迅速冷却并固化，以防止其从打印位置流淌，从而降低打印质量。这种加热与冷却之间的微妙相互作用已被证实直接决定了最终3D打印物体机械强度与几何精度之间的平衡。2为了实现最佳的加热-冷却平衡，塑料在略高于其熔点的温度下被挤出，同时使用安装在打印机上的风扇头快速冷却塑料。深入理解打印温度和冷却速度的影响，有助于获得开发先进切片和打印方案所需的见解，从而在最关键区域最大限度地优化材料的力学性能或几何结构。为了更深入地研究这些过程，人们通常依赖红外（IR）成像技术，但该方法仅能显示材料表面的温度分布。3,4,5 且不反映塑料内部的温度。局部加热超过熔融转变温度会显著增加聚合物的流动性，从而促进新旧材料之间的聚合物链缠结。这种暂时增强的聚合物运动是最终形成内聚材料的必要条件6,7但红外成像只能通过表面温度间接测量聚合物的运动8,9因此，将表面温度转化为层间结合需要精确了解芯层-表面温度梯度，以及在多个时间和空间尺度上的相关复杂聚合物动力学。对层间结合（即聚合物缠结过程）进行直接测量，将有助于可视化体相材料内聚机制的基础过程，而无需 先验的 信息或假设
为了理解层间结合的空间和时间分布特性，本研究采用了一种成像技术，可直接量化构成塑料丝材的聚合物的动力学行为。该技术即激光散斑成像（LSI），依赖干涉式光散射来可视化纳米尺度的运动，且不受材料化学组成的影响。根据样品的光学特性，该技术能够准确测量数毫米至数厘米深度的不透明材料内部情况10,11,12，而红外成像仅能反映表面温度8,9。这些优势使得基于散斑的方法近年来在研究多种材料的动态过程方面广受欢迎，尽管该类方法最初是为医学应用而开发的10,11,12。最近，LSI 已被用于深入研究先进聚合物材料的行为，例如自清洁型液晶聚合物网络13,14，以及用于预测橡胶的断裂行为15和研究自修复材料16。
在之前的一篇文章中已展示了将激光散斑成像（LSI）应用于3D打印的可行性17，其中介绍了一种具备实时分析能力的便携式LSI装置，并证明了熔融塑料的沉积会导致当前层下方多个层内聚合物运动显著增强。本文则系统研究了冷却风扇转速对多层粘结程度的影响。实验采用了一款改进的即插即用型便携式仪器，无需具备光学或编程专业知识的用户亦可操作。散斑图像通过傅里叶变换进行实时分析17，以可视化散斑强度波动的幅值。该仪器额外配备了一个与散斑相机对齐的明场相机，从而可将LSI运动图与明场图像叠加，便于解读，同时明场照明不会干扰运动图的成像。本文所提出的实验方法可用于深入理解在3D打印复杂几何结构和材料过程中，挤出塑料的熔融、层间粘结及固化行为。

<table><tbody><tr><td>3D 绘图软件</td><td>Autodesk</td><td>TinkerCad</td><td>tinkercad.com</td></tr><tr><td>3D 打印机</td><td>Prusa3D</td><td>Original Prusa i3 MK3S</td><td></td></tr><tr><td>高级数据分析软件</td><td>MathWorks</td><td>MATLAB R2018b</td><td></td></tr><tr><td>图像查看软件</td><td>美国国立卫生研究院</td><td>ImageJ 1.47v</td><td></td></tr><tr><td>LSI 仪器</td><td>NanoMoI</td><td>NanoMoi allround</td><td>拟于 2023 年成立的公司</td></tr><tr><td>聚乳酸（PLA）线材</td><td>REAL</td><td>白色 1.75 mm PLA 线材 1 kg</td><td></td></tr><tr><td>切片软件</td><td>Prusa3D</td><td>PrusaSlicer-2.5.0</td><td></td></tr></tbody></table>

3d打印层间结合的实时成像

Real-Time Imaging of Bonding in 3D-Printed Layers

近年来，3D打印技术彻底改变了我们设计和制造产品的能力，但优化打印质量仍具挑战性。挤出式3D打印的过程是将熔融材料通过细小的喷嘴加压挤出，并沉积在先前已挤出的材料之上。该方法依赖于连续层之间的结合，以形成结构牢固且外观良好的最终产品。这并非易事，因为许多参数（如喷嘴温度、层厚和打印速度）必须经过精细调节才能获得最佳效果。本研究提出了一种可视化挤出过程中聚合物动态行为的方法，从而深入揭示层间结合的机制。通过激光散斑成像技术，可无创、内部、高时空分辨率地解析塑料的流动与熔合过程。该测量方法操作简便，能够深入理解影响最终打印质量的内在力学机制。本方法已针对不同冷却风扇转速进行了测试，结果表明，风扇转速越低，聚合物运动越剧烈，从而解释了关闭冷却风扇时打印质量下降的原因。这些发现表明，该方法有助于优化打印参数并理解材料行为。该信息可用于新型打印材料或先进切片工艺的开发与测试。通过这一方法，可进一步深化对挤出过程的理解，推动3D打印技术迈向更高水平。

为实验绘制了一个简单物体作为测试目标：一个背面带有脊状突起、两个窗户和一个大孔的墙体（图1）。该物体使用 表1 中列出的打印机设置和参数进行切片处理。
LSI 仪器与3D打印机对齐后，进行了实验。该用户友好的装置配备了一个额外的明场相机，在对齐过程中提供帮助，并可轻松比较塑料挤出与测得的聚合物流动情况。散斑相机和明场相机均配有光学滤光片，可防止彼此通道之间的干扰。有关该装置的更多技术细节，请参见补充文件1，分析流程的说明见补充文件2。本实验结果的亮点如图2所示，完整视频见补充视频1。如前所示，该实验同样可使用自制仪器成功完成17。
<img alt="光激发装置及其光谱分析的功率分布示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65415/65415fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2：以100%冷却风扇速度打印的时间延时图像。 左图：打印机即将完成时物体的明场前视图像。经检查，打印质量良好；尽管表面可见层纹，但整体设计的几何结构已成功实现。右图：打印过程中白色框选区域的四帧LSI快照；蓝色箭头指示快照时刻打印头的位置，因为LSI图像与明场图像在时间上并不对应。每帧快照中较亮的颜色表示聚合物运动增强，这种现象出现在最近打印的层中。请注意，运动增强的区域（即焊接区）厚度为多个打印层。该实验的完整详细视频见补充视频1。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/65415fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
与这些结果相补充的是，对打印件进行了目视检查；正如预期的那样，对于这些常用的聚合物丝材和打印设置，打印质量良好。设计的几何形状确实得到了再现，表面均匀，每层上仅可见一条细线。通过LSI数据，可以深入洞察打印过程。新挤出的塑料呈现出高流动性，随着冷却，其流动性逐渐降低。在整个打印过程中，高流动性区域（即焊接区）的高度为四到五层厚，表明层间融合具有明确的持续时间。
实验以手动将散热风扇速度调整为0%的条件下重复进行。在此设置下，塑料冷却速度不足，影响了打印质量。图3展示了实验结果的要点，完整的详细视频见补充视频2。
<img alt="用于表面纹理测量的显微镜装置与热图分析示意图；功率标度 [dB]。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65415/65415fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：打印过程中冷却风扇速度为0%的时间序列图像。 左图：打印机即将完成时物体的明场前视图像。打印件的视觉质量较差，表面显示出不规则的层纹和较大的液滴堆积。此外，整体设计的几何形状未能准确再现，尤其是窗户和孔洞出现明显变形。右图：打印过程中来自白色框选区域的四帧激光散斑成像（LSI）快照；蓝色箭头指示快照时刻打印头的位置，因为LSI图像与明场图像在时间上并不对应。每帧快照中较亮的颜色表示聚合物运动增强，这种现象在整个物体中均可观察到。该实验的完整详细视频见补充视频2。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/65415fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
与预期一致，对3D打印结构的目视检查确实显示出较差的打印质量。各层分布不均，设计的几何形状出现变形。对明场图像的比较显示 图2 和 图3 显示了冷却风扇对打印结果表面质量和形状的主要影响。通过比较LSI结果确定了该效应的来源。 图2 和 图3在100%冷却风扇转速下，仅在挤出塑料下方几层的区域观察到聚合物运动增强。因此，每一层仅被适度熔融数次，以实现层间结合，同时避免塑料流动。在0%冷却风扇转速下，整个物体内部均观察到显著的聚合物运动。因此，每一层被多次反复熔融，且在接近新挤出塑料的区域尤为明显，导致因塑料流动而丧失几何精度。
为了在较为温和的情况下更定量地观察散热风扇的影响，系统性地改变了散热风扇的转速。物体设计简化为一个尺寸为 25 mm × 12 mm × 0.8 mm（宽 × 高 × 深）的墙体结构，无孔洞或加强筋。打印参数与表 1中相同。实验共进行 12 次，散热风扇转速分别为 0%、20%、40%、60%、80% 和 100%，每种条件重复两次。所得视频文件见补充视频 3、补充视频 4、补充视频 5、补充视频 6、补充视频 7和补充视频 8，相应的编码文件见补充编码文件 6、补充编码文件 7、补充编码文件 8、补充编码文件 9、补充编码文件 10和补充编码文件 11。
为了定量比较不同风扇转速下的焊接区域，对LSI结果进行了高级数据分析。该数据分析的目的是获得焊接区内聚合物运动范围的高度分布曲线。相关的完整注释MATLAB脚本见于补充代码文件4，此处简要描述其内容。对于视频中的每一帧LSI图像，通过在水平方向上取均值来计算其高度分布曲线。当打印头位于感兴趣区域（ROI）内时，其对应的分布曲线在焊接区域附近显示出明显的峰值。为仅选择此类曲线，只纳入峰值高于8 dB的曲线；同时剔除峰值过于接近ROI边缘的曲线。随后将所有选中曲线的峰值位置对齐，以获得相对于聚合物流动性最大位置处的高度平均分布曲线。六种不同冷却风扇转速下的最终分布曲线如图4所示。
<img alt="3D打印分析中的功率与相对高度图及高度图，显示材料分布情况。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65415/65415fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4：冷却风扇速度系统性变化的高度轮廓。 左图：通过补充代码文件4中的高级数据分析脚本获得的焊接区轮廓，对应冷却风扇速度分别为100%（黑色）、80%（蓝色）、60%（紫色）、40%（红色）、20%（橙色）和0%（黄色）。阴影区域表示重复实验之间的标准偏差。右图示意图解释了获取典型LSI图像轮廓的平均化处理过程。通过将所有获得轮廓中峰顶位置对齐，得到焊接区。焊接区的最大值（相对高度 = 0）即聚合物流动性最强时的高度。各实验完整的LSI和明场视频详见补充视频3、补充视频4、补充视频5、补充视频6、补充视频7、和补充视频8。本图所用打印对象可在补充代码文件5中找到，对应的G代码文件位于补充代码文件6中。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/65415fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的放大版本。</a>
40%至100%冷却条件下的焊接区轮廓几乎相同。20%冷却条件下的焊接区具有延伸至若干较深层的肩部。0%冷却条件下的焊接区则扩展至整个测量区域。聚合物流动性最高的位置位于最新打印层内部或略低于该层。这一现象解释了在正的相对高度处出现LSI信号的原因，即在流动性峰值上方存在已打印材料。在所有情况下，焊接区的深度均远超过0.2 mm的层厚。
补充文件 1：LSI setup.xls。 本研究所用 LSI 仪器的硬件参数。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/LSI%20analysis_RE.docx" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 2：LSI 分析.docx。 将原始散斑图像转换为 LSI 图像的说明。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Lsi%20setup_RE.xls" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充视频1：LSI与明场显微视频，展示上述实验过程 图2. 视频以12.5倍实时速度播放。上半部分为LSI结果，下半部分为同步的明场图像，其中标示了LSI的感兴趣区域（ROI）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%201.zip" target="_blank">请点击此处下载此视频。</a>
补充视频 2：LSI 与明场显微视频，展示上述实验过程 图3. 视频以12.5倍实时速度播放。上半部分为LSI结果，下半部分为同步的明场图像，其中标示了LSI的感兴趣区域（ROI）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%202.zip" target="_blank">请点击此处下载此视频。</a>
补充视频3：如图4所述的100%冷却风扇转速实验。 视频以12.5倍实时速度播放。上半部分为LSI结果，下半部分为与LSI感兴趣区域（ROI）同步的明场图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%203.zip" target="_blank">请点击此处下载该视频。</a>
补充视频 4：如图 4所述的 80% 冷却风扇转速实验。 视频以实际时间的 12.5 倍速度播放。上半部分为 LSI 结果，下半部分为与 LSI 感兴趣区域（ROI）同步的明场图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%204.zip" target="_blank">请点击此处下载该视频。</a>
补充视频 5：如图 4所述的 60% 冷却风扇转速实验。 视频以实际时间的 12.5 倍速度播放。上半部分为 LSI 结果，下半部分为与 LSI ROI 区域对应的同步明场图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%205.zip" target="_blank">请点击此处下载该视频。</a>
补充视频6：如图4所述的40%冷却风扇转速实验。 视频以12.5倍实时速度播放。上半部分为LSI结果，下半部分为与LSI感兴趣区域（ROI）同步的明场图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%206.zip" target="_blank">请点击此处下载该视频。</a>
补充视频 7：如图 4所述的 20% 冷却风扇转速实验。 视频以 12.5 倍实时速度播放。上半部分为 LSI 结果，下半部分为与 LSI ROI 区域对应的同步明场图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%207.zip" target="_blank">请点击此处下载该视频。</a>
补充视频 8：如图 4所述的 0% 冷却风扇转速实验。 视频以实际时间速度的 12.5 倍播放。上半部分为 LSI 结果，下半部分为与 LSI ROI 区域对应的同步明场图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/Movie%208.zip" target="_blank">请点击此处下载该视频。</a>
补充代码文件 1：wall_with_holes.stl。 用于 图 1 中所述物体的三维设计。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_with_holes.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 2：wall_with_holes.gcode。 使用 表 1 中的设置对切片对象 wall_with_holes.stl 生成的 G 代码文件。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_with_holes_gcode.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 3：config.ini。 切片软件的配置文件。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/config.ini" target="_blank" rel="nofollow">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 4：AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m。 用于对散热风扇扫描数据进行高级数据分析并绘制图 4的脚本。该脚本已添加完整注释。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 5：wall.stl。 用于采集 图 4 中数据的物体的三维设计。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 6：wall_100%fan.gcode。 对切片后的物体 wall.stl 使用 100% 冷却风扇速度生成的 G 代码文件。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_100FAn.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 7：wall_80%fan.gcode。 切片后的物体 wall.stl，冷却风扇速度为 80%。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_80FAn.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 8：wall_60%fan.gcode。 切片后的物体 wall.stl，冷却风扇速度为 60%。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_60FAn.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 9：wall_40%fan.gcode。 切片后的物体 wall.stl，冷却风扇速度为 40%。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_40FAn.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 10：wall_20%fan.gcode。 切片后的物体 wall.stl，冷却风扇速度为 20%。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_20FAn.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充代码文件 11：wall_0%fan.gcode。 切片后的物体 wall.stl，冷却风扇速度为 0%。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/wall_0FAn.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

利用一种非侵入性且实时的技术，在3D打印过程中对聚合物细丝内部的纳米级聚合物运动进行成像。精确调控这种运动对于制造具有最佳性能和外观的结构至关重要。该方法深入揭示了塑料层融合的核心机制，从而为优化打印条件和材料设计准则提供了重要见解。

3D打印层间结合的实时成像

近年来，3D打印技术彻底改变了我们设计和制造产品的能力，但优化打印质量可能具有挑战性……

我们的研究旨在改善3D打印过程中的层间结合。我们采用一种称为激光散斑成像的方法，以实时可视化结合过程。这些见解将指导打印条件的优化，有望促进材料设计和性能的提升。目前，层间结合主要通过红外成像技术进行研究，该技术可显示塑料表面温度。利用红外成像研究层间结合时，需假设材料内部温度与表面温度相等。此外，还需了解温度与塑料流动性之间的复杂关系。我们已将激光散斑成像技术应用于3D打印，并展示了如何轻松深入理解层间结合情况。我们的LSI方法可测量塑料内部的偏振运动，无需任何假设即可实现对层间结合的可视化。该技术还具有非侵入性、易于使用以及高灵敏度的优点。本研究中展示的方法可用于研究具有挑战性的3D打印或图案。研究结果可用于了解应如何调整设置以提高打印质量。首先将3D打印机放置在稳定的表面上，以尽量减少振动。将LSI仪器放置在打印机旁边，确保相机能够清晰地观察打印区域。将LSI的位置略高于相机的构建平台，并轻微向下倾斜，以避免视野受阻。接下来，打开激光和明场照明。确保它们与成像区域对齐。首先进行试打印，确认LSI相机聚焦于打印区域。在试打印过程中，优化调整光源和数码相机的位置，并调节激光方向，使整个成像区域被均匀照射。调节光圈，使散斑尺寸略大于像素尺寸。选择活体激光散斑成像（LSI）数据分析的参数，确保选用能产生熔融与凝固塑料之间最佳成像对比度的频率。选择图像保存的频率和时长，以准备LSI仪器进行图像采集。首先使用任意一款三维绘图软件绘制物体，并将该物体导出为 SDL 文件。接着，将 SDL 文件导入切片软件，并选择打印设置。在切片软件中点击“切片”按钮，以生成打印头的各层切片及移动路径。保存生成的 G 代码并将其发送到 3D 打印机。现在停止 3D 打印机并使其预热。当塑料开始挤出时启动 LSI 测量，以避免不必要的数据保存。3D 打印机完成打印后，停止 LSI 测量。将获得的数据载入图像查看软件，并对打印物体进行目视检查。物体的打印质量良好，表面可见层纹。LSI成像显示，最近打印的层中聚合物运动增加。当以0%风扇转速重复该实验时，塑料冷却速度较慢，导致打印外观质量较差，表面层纹不规则，并出现液滴状缺陷。整体设计的几何形状未能完美复制，窗口和孔洞出现变形。LSI成像显示整个物体内部聚合物运动增加。对六种风扇速度下的对比焊接区域进行高级数据分析，结果显示聚合物流动性最高的峰值轮廓位置。40%至100%冷却条件下的焊接区域轮廓几乎相同，而0%冷却条件下的区域则覆盖了整个测量区域。

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