Summary
Met een niet-invasieve en real-time techniek wordt nanoscopische polymeerbeweging in een polymeerfilament in beeld gebracht tijdens 3D-printen. Het finetunen van deze beweging is cruciaal voor het produceren van constructies met optimale prestaties en uiterlijk. Deze methode bereikt de kern van kunststoflaagfusie en biedt zo inzicht in optimale printomstandigheden en materiaalontwerpcriteria.
Abstract
In de afgelopen tijd heeft 3D-printtechnologie een revolutie teweeggebracht in ons vermogen om producten te ontwerpen en te produceren, maar het optimaliseren van de afdrukkwaliteit kan een uitdaging zijn. Het proces van extrusie 3D-printen omvat het onder druk zetten van gesmolten materiaal door een dun mondstuk en het deponeren op eerder geëxtrudeerd materiaal. Deze methode is gebaseerd op verlijming tussen de opeenvolgende lagen om een sterk en visueel aantrekkelijk eindproduct te creëren. Dit is geen gemakkelijke taak, omdat veel parameters, zoals de temperatuur van het mondstuk, de laagdikte en de afdruksnelheid, moeten worden afgestemd om optimale resultaten te bereiken. In deze studie wordt een methode gepresenteerd om de polymeerdynamica tijdens extrusie te visualiseren, die inzicht geeft in het laagbindingsproces. Met behulp van laserspikkelbeeldvorming kunnen de plastic stroom en fusie niet-invasief, intern en met een hoge spatiotemporale resolutie worden opgelost. Deze meting, die eenvoudig uit te voeren is, biedt een diepgaand inzicht in de onderliggende mechanica die van invloed is op de uiteindelijke afdrukkwaliteit. Deze methode werd getest met een reeks koelventilatorsnelheden en de resultaten toonden een verhoogde polymeerbeweging met lagere ventilatorsnelheden en verklaarden dus de slechte afdrukkwaliteit wanneer de koelventilator werd uitgeschakeld. Deze bevindingen tonen aan dat deze methodologie het mogelijk maakt om de afdrukinstellingen te optimaliseren en het materiaalgedrag te begrijpen. Deze informatie kan worden gebruikt voor de ontwikkeling en het testen van nieuwe drukmaterialen of geavanceerde snijprocedures. Met deze aanpak kan een dieper begrip van extrusie worden opgebouwd om 3D-printen naar een hoger niveau te tillen.
Introduction
De methode van 3D-printen is een additieve productietechniek waarbij een object laag voor laag wordt vervaardigd om de gewenste vorm te vormen. Deze methode heeft een groot en divers gebruikersbestand dankzij de veelzijdigheid, betaalbaarheid en gebruiksgemak. Fused deposition modeling bestaat uit een bewegende extruder (met een diameter van honderden microns tot een paar millimeter) om gesmolten plastic in de gewenste vorm te deponeren1. De geëxtrudeerde kunststof moet zich gedurende een bepaalde tijd op een vloeistofachtige manier gedragen om een goede fusie met het eerder geprinte plastic te bereiken en een sterk samenhangend materiaal te vormen. Het plastic moet echter snel afkoelen en stollen na het afdrukken om te voorkomen dat het plastic wegstroomt van de afdruklocatie en de afdrukkwaliteit vermindert. Van dit delicate samenspel tussen verwarming en koeling is aangetoond dat het de balans tussen de mechanische sterkte en de geometrische nauwkeurigheid van het uiteindelijke 3D-geprinte object2 direct ondersteunt. Om de optimale verwarmings-koelbalans te bereiken, wordt het plastic geëxtrudeerd bij een temperatuur net boven de smelttemperatuur en wordt een ventilatorkop, bevestigd aan de printer, gebruikt om het plastic snel af te koelen. Een diepgaand inzicht in de effecten van afdruktemperaturen en koelsnelheden kan de inzichten bieden die nodig zijn voor het ontwikkelen van geavanceerde snij- en afdrukprotocollen die de mechanische of geometrische resultaten maximaliseren in de gebieden waar ze het belangrijkst zijn. Pogingen om meer inzicht te krijgen in deze processen zijn vaak gebaseerd op infrarood (IR) beeldvorming, die alleen de oppervlaktetemperatuur 3,4,5 visualiseert en niet de binnentemperatuur van het plastic aangeeft. Lokale verwarming na de smeltovergang verhoogt de polymeermobiliteit drastisch en maakt zo polymeerverstrengeling tussen het oude en nieuwe materiaal mogelijk. Deze tijdelijk verbeterde polymeerbeweging is een vereiste voor de vorming van het uiteindelijke cohesieve materiaal6,7, maar IR-beeldvorming kan alleen de polymeerbeweging indirect meten via de oppervlaktetemperatuur 8,9. Het vertalen van de oppervlaktetemperatuur naar laagbinding vereist dus nauwkeurige kennis van de kern-oppervlaktetemperatuurgradiënt en de bijbehorende complexe polymeerdynamiek over een reeks tijd- en lengteschalen. Een directe meting van de laagbinding (d.w.z. het polymeerverstrengelingsproces) zou de visualisatie van het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de cohesie van bulkmateriaal mogelijk maken zonder a priori informatie of aannames.
Om inzicht te krijgen in de ruimtelijke en temporele verdeling van laagbinding, wordt in dit werk een beeldvormingstechniek gebruikt die de dynamiek van de polymeren waaruit het plastic filament bestaat direct kwantificeert. Deze techniek, laser speckle imaging (LSI), vertrouwt op interferometrische lichtverstrooiing om nanoscopische bewegingen te visualiseren, onafhankelijk van de chemische samenstelling. Afhankelijk van de optische eigenschappen van het monster, kan het nauwkeurig enkele millimeters tot centimeters meten in niet-transparante materialen10,11,12, in tegenstelling tot IR-beeldvorming, die alleen oppervlaktetemperaturen 8,9 rapporteert. Deze attributen hebben onlangs op spikkels gebaseerde methoden populair gemaakt bij het begrijpen van dynamische processen in een overvloed aan materialen, hoewel ze oorspronkelijk werden ontwikkeld voor medische toepassingen10,11,12. Onlangs is LSI gebruikt om inzicht te krijgen in het gedrag van geavanceerde polymere materialen zoals zelfreinigende vloeibare kristalpolymeernetwerken 13,14, evenals voor het voorspellen van breuken in rubber15 en voor het bestuderen van zelfherstellende materialen16.
De haalbaarheid van het toepassen van LSI op 3D-printen werd getoond in een eerder artikel17, waar een draagbare LSI-opstelling met real-time analysemogelijkheden werd gepresenteerd, en het werd aangetoond dat de afzetting van gesmolten plastic resulteert in verhoogde polymeerbeweging meerdere lagen onder de huidige laag. In het hier gepresenteerde artikel wordt systematisch onderzoek gedaan naar de effecten van de koelventilatorsnelheid op de mate van meerlaagse hechting. Er wordt een verbeterde plug-and-play-versie van het draagbare instrument gebruikt die door gebruikers kan worden bediend zonder optica of programmeerexpertise. De spikkelbeelden worden in realtime geanalyseerd met behulp van Fourier-transformaties17, die de amplitude van de spikkelintensiteitsfluctuaties visualiseren. Dit instrument heeft een extra brightfield-camera die is uitgelijnd met de spikkelcamera, zodat de LSI-bewegingskaarten kunnen worden bedekt met de brightfield-afbeeldingen voor eenvoudigere interpretatie zonder dat het brightfield-licht de bewegingskaarten beïnvloedt. De experimentele aanpak die in dit artikel wordt gepresenteerd, kan worden gebruikt om meer inzicht te krijgen in het smelten, laagverlijmen en stollen van geëxtrudeerd plastic tijdens het 3D-printen van uitdagende geometrieën en materialen.
Protocol
1. Installatie en uitlijning van het LSI-instrument met de 3D-printer
- Plaats de 3D-printer op een stabiel oppervlak om trillingen te minimaliseren. Plaats het LSI-instrument ernaast zodat de camera een duidelijk zicht heeft op het afdrukgebied. Plaats het LSI-instrument iets hoger dan de bouwplaat van de 3D-printer en kantel het heel licht naar beneden zodat het zicht niet wordt belemmerd.
- Schakel de laser- en brightfieldverlichting in en controleer of deze zijn uitgelijnd met het beeldgebied. Stel het laservermogen in op 20 mW, zorg ervoor dat de laser de installatiebox verlaat die is uitgebreid over een groot gebied (meerdere vierkante centimeters) en zorg ervoor dat de vermogensdichtheid laag genoeg is (meerdere malen lager dan een laseraanwijzer) om ter plaatse te worden gebruikt zonder extra veiligheidsmaatregelen zoals een laserbril of een zwarte behuizing.
LET OP: Kijk niet direct in de laser. - Begin met een testafdruk (bijvoorbeeld aanvullend coderingsbestand 1 of aanvullend coderingsbestand 2) om de uitlijning en experimentele opstelling gemakkelijker te maken (stappen 1.3-1.6). Zorg ervoor dat de LSI-camera is gericht op het afdrukgebied.
- Tijdens deze eerste testafdruk kunt u de verlichting en digitale camera optimaal uitlijnen. Pas de laserrichting aan zodat het hele beeldgebied homogeen wordt belicht en pas het diafragma zodanig aan dat de spikkelgrootte iets groter is dan de pixelgrootte.
- Optimaliseer de framerate en belichtingstijd zodanig dat het aantal onderbelichte en overbelichte pixels wordt geminimaliseerd om het maximale dynamische bereik te bereiken.
- Kies de juiste parameters voor de live LSI-data-analyse; Het belangrijkste is dat u de frequentie selecteert die het beste beeldcontrast tussen gesmolten en gestold plastic produceert. Pas de interesseregio (ROI) en de schaal van de kleurenkaart aan. In dit geval werd gekozen voor een Fourierreekslengte van 16 en werd de amplitude van de tweede frequentie gevisualiseerd. Omdat de spikkelsnelheid van het verzamelen van beelden 50 frames per seconde is, is de gevisualiseerde frequentie 6,25 Hz.
- Bereid het LSI-instrument voor om de beelden vast te leggen voor één 3D-printexperiment. Kies hoe vaak en hoe lang de afbeeldingen worden opgeslagen. In dit geval werden de afbeeldingen elke 0,25 s opgeslagen, zodat meerdere afbeeldingen per passage van de printerkop werden opgeslagen. Voor elk experiment werden de afbeeldingen 15 minuten bewaard, omdat elke afdruktaak maximaal 12 minuten duurde.
2. Voorbereiding van het 3D-printontwerp en de G-code
- Teken het object met een 3D-tekensoftware naar keuze en exporteer het object als een STL-bestand. In dit geval werd een muur met ribbels en gaten gebruikt, die wordt weergegeven in figuur 1 en kan worden gedownload van aanvullend coderingsbestand 1.
- Importeer het STL-bestand in de snijsoftware en kies de afdrukinstellingen. Deze instellingen zijn afhankelijk van de materiaalkeuze en het 3D-printermodel; gebruik voor het in dit onderzoek gebruikte geval de instellingen in tabel 1. Gebruik een gloeidraad die bij voorkeur wit is of een kleur die het laserlicht verstrooit zonder significante absorptie.
- Druk op de knop Slice in de snijsoftware om de lagen en het reispad van de printkop te verkrijgen. Het configuratiebestand van de slicingsoftware is te vinden in Supplementary Coding File 3.
- Sla de resulterende G-code (Supplementary Coding File 2) op en stuur deze naar de 3D-printer.
Figuur 1: Objectontwerp. Een 3D-weergave (links) en 2D-weergave (rechts) vanaf de zijkant, voorkant en bovenkant van het objectontwerp. Het raster vertegenwoordigt 1,0 mm x 1,0 mm, met 1,0 cm x 1,0 cm vetgedrukt. De wand is 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (breedte x hoogte x diepte) en de ribbels hebben een breedte van 1,0 mm, hebben een diepte van 0,4 mm en zijn gescheiden door 1,0 mm. De ramen hebben een breedte van 1,0 mm en een hoogte van 2,0 mm. Het 3D-ontwerp is te vinden in Aanvullend coderingsbestand 1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Eigenschap/omgeving | Waarde |
| Filament | Polymelkzuur (PLA), wit |
| Diameter van de spuitmond | 0,4 mm |
| Laagdikte | 0,2 mm |
| Temperatuur van de spuitmond | 210 °C |
| Ventilatorsnelheid koelen | 100% |
| Afdruksnelheid | 10 mm/s |
| Rijsnelheid | 10 mm/s |
| Temperatuur van het bed | 60 °C |
Tabel 1: De 3D-printinstellingen. De instellingen en printereigenschappen die worden gebruikt voor het segmenteren van het objectontwerp. Voor het tweede experiment werd de ventilatorsnelheid handmatig gewijzigd in 0%.
3. Het experiment uitvoeren
- Start de 3D-printer en wacht tot de opwarmperiode is afgelopen.
- De LSI-meting kan op elk moment worden gestart, maar om onnodige gegevensbesparing te voorkomen, start u de LSI-meting wanneer het plastic begint te extruderen.
- Wacht tot de 3D-printer is voltooid en stop de LSI-meting.
- Laad de resulterende gegevens in een software voor het bekijken van afbeeldingen en inspecteer het afgedrukte object visueel. Vergelijk de gemeten plastic polymeerbewegingen tijdens het printen met de uiteindelijke structurele integriteit en oppervlaktekwaliteit.
Representative Results
Een eenvoudig object werd getekend als testdoel voor de experimenten: een muur met richels aan de achterkant, twee ramen en een groot gat (figuur 1). Het object is gesegmenteerd met de printerinstellingen en -eigenschappen die in tabel 1 worden vermeld.
Het LSI-instrument werd uitgelijnd met de 3D-printer en het experiment werd uitgevoerd. De gebruiksvriendelijke opstelling is voorzien van een extra brightfield-camera, die helpt bij het uitlijnen en een eenvoudige vergelijking mogelijk maakt tussen de plastic extrusie en de gemeten polymeerbeweging. De speckle en de brightfield camera's zijn beide uitgerust met optische filters die interferentie van het andere kanaal voorkomen. Meer technische details over de installatie zijn te vinden in Aanvullend Dossier 1, en een uitleg van de analyseroutine is te vinden in Aanvullend Dossier 2. Hoogtepunten van de resultaten van dit experiment zijn te zien in figuur 2 en de volledige film is te vinden in aanvullende film 1. Zoals eerder aangetoond, kan het experiment net zo goed worden uitgevoerd met een zelfgebouwd instrument17.
Figuur 2: Time-lapse van afdrukken met een 100% koelventilatorsnelheid. Links: Brightfield, vooraanzicht van het object wanneer de printer bijna klaar is. De kwaliteit van de print ziet er bij inspectie goed uit; Hoewel het oppervlak de laaglijnen laat zien, is de algehele ontworpen geometrie geproduceerd. Rechts: Vier LSI-snapshots van het wit afgebakende gebied tijdens het afdrukproces; de blauwe pijlen geven de positie van de printkop aan op het moment van de momentopname, omdat de LSI-afbeeldingen niet in de tijd overeenkomen met de brightfield-afbeelding. De lichtere kleuren in elke momentopname duiden op een verhoogde polymeerbeweging, die wordt waargenomen in de meest recent afgedrukte lagen. Merk op dat het gebied met verbeterde beweging (de laszone) meerdere lagen dik is. De volledige gedetailleerde film van het experiment is beschikbaar in Aanvullende film 1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend op deze resultaten werd de afdruk visueel geïnspecteerd; Zoals verwacht voor deze veelgebruikte polymeerfilamenten en printinstellingen, was de kwaliteit goed. De ontworpen geometrie werd inderdaad gereproduceerd en het oppervlak was gelijkmatig, met een kleine lijn zichtbaar op elke laag. Met de LSI-gegevens was het mogelijk om diepgaand inzicht te krijgen in het drukproces. Het vers geëxtrudeerde plastic was zichtbaar als zeer mobiel en de mobiliteit nam geleidelijk af naarmate het afkoelde. De hoogte van het gebied met een hoge mobiliteit (d.w.z. de laszone) was vier tot vijf lagen dik gedurende het hele afdrukproces, wat wijst op een goed gedefinieerde duur van laagfusie.
Het experiment werd herhaald met de snelheid van de koelventilator handmatig ingesteld op 0%. Met deze instelling koelde het plastic niet snel genoeg af, wat de afdrukkwaliteit beïnvloedde. Hoogtepunten van de resultaten worden getoond in figuur 3 en de volledige gedetailleerde film is te vinden in aanvullende film 2.
Figuur 3: Time-lapse van afdrukken met een koelventilatorsnelheid van 0%. Links: Brightfield, vooraanzicht van het object wanneer de printer bijna klaar is. De visuele kwaliteit van de afdruk ziet er slecht uit; Het oppervlak vertoont onregelmatige laaglijnen en grote klodders. Bovendien is de algehele ontworpen geometrie onvolmaakt gereproduceerd; Met name de ramen en gaten zijn vervormd. Rechts: Vier LSI-snapshots van het wit afgebakende gebied tijdens het afdrukproces; de blauwe pijlen geven de positie van de printkop aan op het moment van de momentopname, omdat de LSI-afbeeldingen niet in de tijd overeenkomen met de brightfield-afbeelding. De lichtere kleuren in elke momentopname duiden op een verhoogde polymeerbeweging, die door het hele object kan worden waargenomen. De volledige gedetailleerde film van het experiment is beschikbaar in Supplementary Movie 2. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In lijn met de verwachtingen liet visuele inspectie van de 3D-geprinte constructie inderdaad een slechte printkwaliteit zien. De lagen waren ongelijk verdeeld en de ontworpen geometrie werd gereproduceerd met vervormingen. Een vergelijking van de brightfieldbeelden in figuur 2 en figuur 3 toont het belangrijkste effect van de koelventilator op de oppervlaktekwaliteit en vorm van het printresultaat. De oorsprong van dit effect werd bepaald door de LSI-resultaten uit figuur 2 en figuur 3 te vergelijken. Met een 100% koelventilatorsnelheid werd een verbeterde polymeerbeweging waargenomen in een gebied dat slechts enkele lagen onder het geëxtrudeerde plastic lag. Daarom werd elke laag een paar keer matig vloeibaar gemaakt om laagbinding te bereiken zonder plastic stroming. Met de 0% koelventilatorsnelheid werd een verbeterde polymeerbeweging waargenomen door het hele object. Zo werd elke laag vele malen vloeibaar gemaakt en extreem dicht bij het vers geëxtrudeerde plastic, wat resulteerde in een verlies van geometrische nauwkeurigheid door plastic stroming.
Om een meer kwantitatief beeld te krijgen van het koelventilatoreffect in meer gematigde situaties, werd de snelheid van de koelventilator systematisch gevarieerd. Het objectontwerp werd vereenvoudigd tot een wand van 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (breedte x hoogte x diepte) zonder gaten of ribbels. Dezelfde afdrukinstellingen als in tabel 1 werden gebruikt. Het experiment werd 12 keer uitgevoerd, met koelventilatorsnelheden van 0%, 20%, 40%, 60%, 80% en 100%, elk in tweevoud. De resulterende films zijn te vinden in Supplementary Movies 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 en Supplementary Movie 8, evenals Supplementary Coding File 6, Supplementary Coding File 7, Supplementary Coding File 8, Supplementary Coding File 9, Supplementary Coding File 10 en Supplementary Coding File 11.
Om de laszones voor verschillende ventilatorsnelheden kwantitatief te vergelijken, werd geavanceerde data-analyse uitgevoerd op de LSI-resultaten. Het doel van deze data-analyse was om een hoogteprofiel te verkrijgen van de mate van de polymeerbeweging in de laszone. Het bijbehorende matlab-script met volledig commentaar is te vinden in Supplementary Coding File 4 en wordt kort beschreven. Voor elke LSI-afbeelding in de film wordt een hoogteprofiel berekend door het gemiddelde langs de horizontale richting te nemen. De profielen van de afbeeldingen waar de printkop zich in de ROI bevindt, tonen een duidelijke piek rond de laszone. Om die profielen exclusief te selecteren, worden enkel profielen met een piek boven 8 dB in aanmerking genomen. Profielen waarin deze piek te dicht bij de rand van de ROI ligt, worden ook weggegooid. De piekposities van alle profielen worden vervolgens uitgelijnd om een gemiddeld profiel te geven ten opzichte van de hoogte waarop de polymeren het meest mobiel zijn. De resulterende profielen voor de zes verschillende koelventilatorsnelheden zijn uitgezet in figuur 4.
Figuur 4: Hoogteprofielen voor de systematische variatie van de snelheid van de koelventilator. Links: De laszoneprofielen voor koelventilatorsnelheden van 100% (zwart), 80% (blauw), 60% (paars), 40% (rood), 20% (oranje) en 0% (geel), verkregen uit het geavanceerde gegevensanalysescript in Supplementary Coding File 4. Het gearceerde gebied is de standaarddeviatie tussen dubbele experimenten. Het juiste schema legt de middelingsprocedure uit om het profiel van een typisch LSI-beeld te verkrijgen. Door de maxima van de pieken van alle verkregen profielen op elkaar af te stemmen, wordt de laszone verkregen. Het maximum van de laszone (relatieve hoogte = 0) is de hoogte waarop de polymeren het meest mobiel zijn. Volledige gedetailleerde LSI- en brightfield-films van elk experiment zijn beschikbaar in Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 en Supplementary Movie 8. Het objectdat voor deze figuur is afgedrukt, is te vinden in Supplementary Coding File 5, met bijbehorende G-codebestanden in Supplementary Coding File 6. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De laszoneprofielen voor 40%-100% koeling waren vrijwel identiek. De laszone voor 20% koeling had een schouder die reikte tot in verschillende diepere lagen. De laszone voor 0% koeling strekte zich uit over het gehele meetgebied. De hoogte waarop de polymeren het meest mobiel waren, lag in of iets onder de laatst geprinte laag. Dit fenomeen verklaart de aanwezigheid van een LSI-signaal op positieve relatieve hoogten, omdat er geprint materiaal boven de mobiliteitspiek ligt. In alle gevallen reikte de laszone veel dieper dan de laagdikte van 0,2 mm.
Aanvullend bestand 1: LSI setup.xls. Hardwareparameters van het LSI-instrument dat hier wordt gebruikt. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 2: LSI-analyse.docx. Uitleg over de omzetting van de ruwe spikkelbeelden in LSI-beelden. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende film 1: LSI en brightfield-film van het experiment beschreven in figuur 2. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullende film 2: LSI en brightfield-film van het experiment beschreven in figuur 3. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullende film 3: Het 100% koelventilatorsnelheidsexperiment beschreven in figuur 4. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullende film 4: Het experiment met de 80% koelventilatorsnelheid beschreven in figuur 4. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullende film 5: Het experiment met de 60% koelventilatorsnelheid beschreven in figuur 4. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullende film 6: Het 40% koelventilatorsnelheidsexperiment beschreven in figuur 4. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullende film 7: Het 20% koelventilatorsnelheidsexperiment beschreven in figuur 4. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullende film 8: Het 0% koelventilatorsnelheidsexperiment beschreven in figuur 4. De film wordt afgespeeld op 12,5x real-time snelheid. Het bovenste deel is het LSI-resultaat en het onderste deel is de gesynchroniseerde brightfield-weergave met de aangegeven LSI ROI. Klik hier om deze film te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 1: wall_with_holes.stl. Het 3D-ontwerp voor het object beschreven in figuur 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 2: wall_with_holes.gcode. Het gesegmenteerde object wall_with_holes.stl met de instellingen uit tabel 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 3: config.ini. Het configuratiebestand voor de slicing-software. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Het script om de geavanceerde gegevensanalyse op de veeggegevens van de koelventilator uit te voeren en figuur 4 uit te zetten. Het script is volledig becommentarieerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 5: wall.stl. Het 3D-ontwerp van het object dat wordt gebruikt om de gegevens in figuur 4 te verzamelen. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 6: wall_100%fan.gcode. Het gesneden object wall.stl met een 100% koelventilatorsnelheid. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 7: wall_80%fan.gcode. Het gesneden object wall.stl met een 80% koelventilatorsnelheid. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 8: wall_60%fan.gcode. Het gesneden object wall.stl met een koelventilatorsnelheid van 60%. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 9: wall_40%fan.gcode. Het gesneden object wall.stl met een koelventilatorsnelheid van 40%. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 10: wall_20%fan.gcode. Het gesneden object wall.stl met een koelventilatorsnelheid van 20%. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 11: wall_0%fan.gcode. Het gesneden object wall.stl met een 0% koelventilatorsnelheid. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Discussion
De experimenten en resultaten die in dit onderzoek worden beschreven, tonen aan dat LSI een gemakkelijk toe te passen hulpmiddel is dat een dieper begrip van laagbinding tijdens additieve productie mogelijk maakt. LSI maakt de directe meting van de polymeerbeweging mogelijk, die nauwkeurig moet worden afgestemd om een coherent materiaal te vormen door de interpenetratie en daaropvolgende verstrengeling van de polymeerketens. Het meest voorkomende alternatief voor het meten van laagbinding in situ is infraroodbeeldvorming 3,4,5. Deze beproefde methode brengt de lokale oppervlaktetemperatuur van de kunststof8,9 in beeld, wat een indirecte meting is van de polymeerbeweging in het materiaal. Bij heter plastic is de beweging sneller en wordt de hechting sterker. De relatie tussen temperatuur en beweging is echter niet lineair, omdat de printtemperaturen de smelt- en glasovergangstemperaturen 6,7 overschrijden. Deze niet-triviale relatie kan direct worden waargenomen in de LSI-afbeeldingen; In het bijzonder is er een scherpe overgang tussen de vloeistofachtige bovenste en de vaste stofachtige ondergebieden, terwijl de temperatuurgradiënt naar verwachting veel geleidelijker zal zijn. Een ander nadeel van IR-beeldvorming is dat het alleen de oppervlaktetemperatuur meet, terwijl LSI de polymeerbeweging meet, meestal enkele millimeters diep in het materiaal.
Net als bij IR-beeldvorming is deze implementatie van LSI in wezen een point-and-shoot-methode; Het kan ter plaatse worden gebruikt als de camera op het betreffende gebied kan worden gericht. Het veelzijdige statief en de lange werkafstand van 0,7 m geven de vrijheid om elke beschikbare 3D-printer te gebruiken. Cruciaal is dat LSI gevoelig is voor nanoscopische bewegingen, en dus moeten trillingen uit de omgeving en het printproces zelf worden geminimaliseerd17. Als u bijvoorbeeld een andere taak op dezelfde tafel uitvoert of een deur dichtslaat, wordt er interferentie veroorzaakt. Daarom moet men voorzichtig rond de opstelling lopen; kamerverlichting of luchtstroom interfereren echter over het algemeen niet met het proces.
LSI geeft gedetailleerd inzicht in het laagbindingsproces en kan net zo eenvoudig worden toegepast als IR-beeldvorming. We stellen ons voor dat LSI een groot potentieel heeft bij het helpen ontwikkelen en begrijpen van geavanceerde 3D-printmethoden. De cooling fan speed sweep laat een glimp zien van wat er mogelijk is door LSI te combineren met 3D-printen. Zoals besproken in de inleiding, is de optimale koelsnelheid een balans tussen het lang genoeg gesmolten houden van het plastic om de laaghechting te verbeteren, maar het snel genoeg afkoelen om stroming te voorkomen. De 40% -100% koelventilatorsnelheidsresultaten waren zeer vergelijkbaar; Deze ventilatorsnelheden vertoonden inderdaad geen stroming en produceerden een goede oppervlaktekwaliteit. Met de 0% koelventilatorsnelheid begon het materiaal weg te stromen van de geprinte locatie, maar er werd voldoende laagbinding waargenomen in de LSI-meting. Op basis van onze resultaten zou de 20% koelventilatorsnelheid optimaal kunnen zijn voor het bereiken van een licht verbeterde laaghechting zonder afbreuk te doen aan de oppervlaktekwaliteit. Om echter conclusies te trekken die in de praktijk kunnen worden toegepast, moeten meer koelventilatorsnelheden tussen 0% en 40% worden beoordeeld. Het is ook wenselijk om kwantitatieve metingen vast te stellen voor de oppervlaktekwaliteit en materiaalsterkte om een objectief en volledig beeld te krijgen van de effecten van polymeerbeweging op de gewenste eigenschappen. Met deze toevoeging kan de aanpak krachtiger worden gemaakt voor het evalueren van creatieve 3D-printvooruitgang.
De exacte instellingen die voor de LSI-analyse worden gekozen, zijn niet gevoelig voor kritieke fouten, zolang vloeistofachtige plastic en vaste, vaste, plastic fasen duidelijk kunnen worden onderscheiden. De polymeerbeweging verandert drastisch bij het overschrijden van de smelt- en glasovergangstemperaturen, dus een breed scala aan LSI-instellingen legt het contrast goed vast. Dit kan eenvoudig worden getest met een testafdruk van een eenvoudig object (bijvoorbeeld een rechte muur) met de 3D-printerinstellingen die worden aanbevolen door de materiaalleverancier. Voor meer gevorderde LSI-gebruikers kan dieper graven in het frequentiebereik extra informatie opleveren, omdat verschillende soorten polymeerbewegingen kwantitatief kunnen worden onderscheiden. Hoogfrequente polymeerbeweging wordt bijvoorbeeld geassocieerd met de hoogste temperaturen, die alleen dicht bij de printerkop aanwezig zijn. Lagerfrequente polymeerbeweging wordt geassocieerd met gematigde temperaturen, die aanwezig zijn in een veel groter gebied rond de printerkop en ook voor een veel langere tijd17. Of de mate van binding voor cumulatieve laagfrequente polymeerbeweging gelijk kan zijn aan die bij korte, hoogfrequente beweging (bijvoorbeeld met dynamische mechanische analyse) moet worden onderzocht. De meeste andere instellingen, zoals de colormap-schaling, ROI, het opslaginterval en de lengte van het experiment, zijn uitsluitend gekozen om een visueel duidelijk en aantrekkelijk resultaat te geven. Met betrekking tot de 3D-printinstellingen is er ook veel vrijheid, omdat LSI de gebruiker in staat stelt om objectief de resultaten van het wijzigen van een van de instellingen te beoordelen. Met name het drastisch veranderen van de afdruksnelheid verandert de interpretatie van de LSI-gegevens. In dit werk werd een langzame afdruk- en reissnelheid van 10 mm/s gebruikt om meerdere LSI-afbeeldingen vast te leggen tijdens één passage van de printerkop. Als een meer gebruikelijke afdruksnelheid van 60 mm /s voor PLA zou worden gebruikt, zou ongeveer één volledige laag per LSI-afbeelding worden afgedrukt en zou er dus een gemiddelde binnen één laag optreden. Bij het experimenteren met high-end snelheden zoals 300 mm/s en sneller, zou er een gemiddelde over meerdere lagen optreden. Dit is echter volledig afhankelijk van de exacte afdrukgeometrie en LSI-instellingen en kan gemakkelijk worden verzacht door een ervaren LSI-gebruiker door middel van geavanceerd machineontwerp, het aanpassen van de grootte van het gezichtsveld of het gebruik van een snellere camera. Beide benaderingen vereisen een krachtigere laser, die in combinatie met de reflecterende printerkop extra laserveiligheidsmaatregelen vereist. De relatief lage printsnelheid heeft ook een positieve invloed op de laagverlijming, omdat eerder is bewezen dat de warmteoverdracht naar het plastic toeneemt bij lagere printsnelheden5.
Een mogelijke nieuwe richting voor deze aanpak is het testen van nieuwe materialen; LSI kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de relevante overgangen te visualiseren en objectief de aanbevolen printerinstellingen te kwantificeren die een laszone met vijf lagen geven bij het aanbrengen van de toplaag. Een andere toepassing kan zijn om de laszone te bestuderen in specifieke situaties waarin de afdrukkwaliteit niet betrouwbaar goed is, zoals voor bruggen, overhangen of scherpe hoeken. Als de laszone in moeilijke situaties beter kan worden begrepen, moet het mogelijk zijn om te compenseren in de G-code. Het is al gebruikelijk om de eerste laag heter en langzamer te printen dan de rest van de lagen om een goede hechting op de bouwplaat18 te bereiken. We denken aan het gebruik van vergelijkbare dynamische G-code slicing waarbij bijvoorbeeld de ventilatorkoeling kan worden aangepast om hoeken of bruggen te produceren. Het moet ook mogelijk zijn om het buitenwandmateriaal te printen met een gladdere afwerking en de rest van het materiaal en de vulling ruwer maar sterker om zowel de materiaalsterkte als het visuele uiterlijk te maximaliseren.
Dit artikel heeft de toepassing van LSI besproken om het laagbindingsproces na plastic extrusie te bestuderen. De techniek is uitstekend geschikt voor deze taak, omdat het de onderliggende polymeerbeweging kan visualiseren zonder a priori aannames in realtime tijdens 3D-printen. Het geeft echter geen informatie over de materiaalsamenhang, dus aanvullende tests zullen nodig zijn. De andere besproken nadelen zijn situationeel; de beperkte beeldsnelheid van vier LSI-beelden per seconde kan worden verhoogd met een grotere laser en extra laserveiligheidsmaatregelen, en de trillingsgevoeligheid vereist voorzorgsmaatregelen of trillingsreductiehardware. LSI kan worden uitgevoerd met goedkope en kleine digitale camera's en lasers19,20, wat integratie in vrijwel elke 3D-printer mogelijk maakt voor live kwaliteitscontrole en dynamische afstemming van de printparameters. Het is echter logischer om LSI in te zetten om grondige kennis van laagverlijming tijdens 3D-printen te ontwikkelen. Als dit inzicht wordt gebruikt om meer geavanceerde snijsoftware te ontwikkelen, kan elke 3D-printer voor consumenten profiteren van de opgedane kennis.
Disclosures
Jesse Buijs is bezig met het starten van een startend bedrijf dat het LSI-instrument en de software verkoopt die in dit artikel worden gebruikt. De andere auteurs verklaren geen belangenverstrengeling te hebben.
Acknowledgments
De auteurs ontvingen geen externe financiering.
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).
