Summary
Mit einer nicht-invasiven und Echtzeit-Technik wird die nanoskopische Polymerbewegung innerhalb eines Polymerfilaments während des 3D-Drucks abgebildet. Die Feinabstimmung dieser Bewegung ist entscheidend für die Herstellung von Konstrukten mit optimaler Leistung und Aussehen. Diese Methode erreicht den Kern der Kunststoffschichtfusion und bietet so Einblicke in optimale Druckbedingungen und Materialdesignkriterien.
Abstract
In jüngster Zeit hat die 3D-Drucktechnologie unsere Fähigkeit, Produkte zu entwerfen und herzustellen, revolutioniert, aber die Optimierung der Druckqualität kann eine Herausforderung sein. Beim 3D-Extrusionsdruck wird geschmolzenes Material durch eine dünne Düse unter Druck gesetzt und auf zuvor extrudiertes Material aufgebracht. Diese Methode beruht auf der Verbindung zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten, um ein starkes und optisch ansprechendes Endprodukt zu schaffen. Das ist keine leichte Aufgabe, denn viele Parameter wie Düsentemperatur, Schichtdicke und Druckgeschwindigkeit müssen fein abgestimmt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Visualisierung der Polymerdynamik während der Extrusion vorgestellt, die einen Einblick in den Schichtverklebungsprozess gibt. Mit Hilfe der Laser-Speckle-Bildgebung kann der plastische Fluss und die Fusion nicht-invasiv, intern und mit hoher raumzeitlicher Auflösung aufgelöst werden. Diese einfach durchzuführende Messung bietet ein tiefgreifendes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen, die die endgültige Druckqualität beeinflussen. Diese Methodik wurde mit einer Reihe von Lüftergeschwindigkeiten getestet, und die Ergebnisse zeigten eine erhöhte Polymerbewegung bei niedrigeren Lüftergeschwindigkeiten und erklärten somit die schlechte Druckqualität beim Ausschalten des Lüfters. Diese Ergebnisse zeigen, dass diese Methodik es ermöglicht, die Druckeinstellungen zu optimieren und das Materialverhalten zu verstehen. Diese Informationen können für die Entwicklung und Erprobung neuartiger Druckmaterialien oder fortschrittlicher Slicing-Verfahren genutzt werden. Mit diesem Ansatz kann ein tieferes Verständnis der Extrusion aufgebaut werden, um den 3D-Druck auf die nächste Stufe zu heben.
Introduction
Das Verfahren des 3D-Drucks ist eine additive Fertigungstechnik, bei der ein Objekt Schicht für Schicht hergestellt wird, um die gewünschte Form zu bilden. Diese Methode hat dank ihrer Vielseitigkeit, Erschwinglichkeit und Benutzerfreundlichkeit eine große und vielfältige Benutzerbasis. Bei der Fused Deposition Modeling wird ein sich bewegender Extruder (mit einem Durchmesser von Hunderten von Mikrometern bis zu einigen Millimetern) verwendet, um geschmolzenen Kunststoff in die gewünschte Formzu bringen 1. Der extrudierte Kunststoff sollte sich für eine gewisse Zeit flüssigkeitsartig verhalten, um eine gute Verschmelzung mit dem zuvor bedruckten Kunststoff zu erreichen und ein stark kohäsives Material zu bilden. Der Kunststoff sollte jedoch nach dem Druck schnell abkühlen und erstarren, um zu verhindern, dass der Kunststoff von der Druckstelle wegfließt und die Druckqualität beeinträchtigt. Es hat sich gezeigt, dass dieses empfindliche Zusammenspiel zwischen Heizen und Kühlen das Gleichgewicht zwischen der mechanischen Festigkeit und der geometrischen Genauigkeit des endgültigen 3D-gedruckten Objekts2 direkt untermauert. Um ein optimales Wärme-Kühl-Gleichgewicht zu erreichen, wird der Kunststoff bei einer Temperatur knapp über seiner Schmelztemperatur extrudiert, und ein am Drucker angebrachter Lüfterkopf wird verwendet, um den Kunststoff schnell abzukühlen. Ein tiefgreifendes Verständnis der Auswirkungen von Drucktemperaturen und Kühlgeschwindigkeiten könnte die Erkenntnisse liefern, die für die Entwicklung fortschrittlicher Slicing- und Druckprotokolle erforderlich sind, die die mechanischen oder geometrischen Ergebnisse in den Bereichen maximieren, in denen sie am wichtigsten sind. Um mehr Einblick in diese Prozesse zu erhalten, stützt man sich oft auf Infrarot (IR)-Bildgebung, die nur die Oberflächentemperatur 3,4,5 visualisiert und nicht die Innentemperatur des Kunststoffs anzeigt. Die lokale Erwärmung über den Schmelzübergang hinaus erhöht die Beweglichkeit des Polymers drastisch und ermöglicht so die Verschränkung des Polymers zwischen dem alten und dem neuen Material. Diese zeitlich verstärkte Polymerbewegung ist eine Voraussetzung für die Bildung des endgültigen kohäsiven Materials 6,7, aber die IR-Bildgebung kann die Polymerbewegung nur indirekt über die Oberflächentemperatur 8,9 messen. Die Übertragung der Oberflächentemperatur auf die Schichtbindung erfordert daher eine genaue Kenntnis des Kern-Oberflächen-Temperaturgradienten und der damit verbundenen komplexen Polymerdynamik über eine Reihe von Zeit- und Längenskalen. Eine direkte Messung der Schichtbindung (d.h. des Polymerverschränkungsprozesses) würde es ermöglichen, den Mechanismus, der der Schüttgutkohäsion zugrunde liegt, ohne a priori Informationen oder Annahmen zu visualisieren.
Um ein Verständnis der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Schichtbindung zu erlangen, wird in dieser Arbeit ein bildgebendes Verfahren eingesetzt, das die Dynamik der Polymere, aus denen das Kunststofffilament besteht, direkt quantifiziert. Diese Technik, die Laser-Speckle-Bildgebung (LSI), beruht auf interferometrischer Lichtstreuung, um nanoskopische Bewegungen unabhängig von der chemischen Zusammensetzung sichtbar zu machen. Abhängig von den optischen Eigenschaften der Probe kann es mehrere Millimeter bis Zentimeter in undurchsichtige Materialiengenau messen 10,11,12, im Gegensatz zur IR-Bildgebung, die nur Oberflächentemperaturen von 8,9 meldet. Diese Eigenschaften haben in jüngster Zeit Speckle-basierte Methoden zum Verständnis dynamischer Prozesse in einer Vielzahl von Materialien populär gemacht, obwohl sie ursprünglich für medizinische Anwendungen entwickelt wurden10,11,12. In jüngster Zeit wurde LSI eingesetzt, um Einblicke in das Verhalten fortschrittlicher polymerer Materialien wie selbstreinigender Flüssigkristallpolymernetzwerke zu gewinnen 13,14 sowie zur Vorhersage von Brüchen in Gummi15 und zur Untersuchung selbstheilender Materialien16.
Die Machbarkeit der Anwendung von LSI auf den 3D-Druck wurde in einem früheren Artikel17 vorgestellt, in dem ein tragbarer LSI-Aufbau mit Echtzeit-Analysefunktionen vorgestellt wurde, und es wurde gezeigt, dass die Abscheidung von geschmolzenem Kunststoff zu einer erhöhten Polymerbewegung mehrere Schichten unter der aktuellen Schicht führt. In der hier vorgestellten Arbeit werden die Auswirkungen der Drehzahl des Kühlgebläses auf den Grad der Mehrschichtverklebung systematisch untersucht. Zum Einsatz kommt eine verbesserte Plug-and-Play-Version des tragbaren Instruments, die von Anwendern ohne Optik oder Programmierkenntnisse bedient werden kann. Die Speckle-Bilder werden in Echtzeit mit Hilfe der Fourier-Transformationen17 analysiert, die die Amplitude der Speckle-Intensitätsschwankungen visualisieren. Dieses Instrument verfügt über eine zusätzliche Hellfeldkamera, die auf die Speckle-Kamera ausgerichtet ist, so dass die LSI-Motion-Maps zur einfacheren Interpretation mit den Hellfeldbildern überlagert werden können, ohne dass das Hellfeldlicht die Motion-Maps beeinflusst. Der in diesem Artikel vorgestellte experimentelle Ansatz kann verwendet werden, um mehr Einblicke in das Schmelzen, die Schichtverklebung und die Erstarrung von extrudiertem Kunststoff während des 3D-Drucks anspruchsvoller Geometrien und Materialien zu gewinnen.
Protocol
1. Einrichten und Ausrichten des LSI-Instruments mit dem 3D-Drucker
- Stellen Sie den 3D-Drucker auf eine stabile Oberfläche, um Vibrationen zu minimieren. Platzieren Sie das LSI-Instrument daneben, damit die Kamera freie Sicht auf den Druckbereich hat. Positionieren Sie das LSI-Instrument etwas höher als die Bauplatte des 3D-Druckers und neigen Sie es ganz leicht nach unten, damit die Sicht nicht behindert wird.
- Schalten Sie die Laser- und Hellfeldbeleuchtung ein und stellen Sie sicher, dass sie auf den Bildbereich ausgerichtet sind. Stellen Sie die Laserleistung auf 20 mW ein, stellen Sie sicher, dass der Laser die Setup-Box über eine große Fläche (mehrere Quadratzentimeter) erweitert verlässt, und stellen Sie sicher, dass die Leistungsdichte niedrig genug ist (um ein Vielfaches niedriger als bei einem Laserpointer), um vor Ort ohne zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen wie Laserbrillen oder schwarze Gehäuse verwendet zu werden.
ACHTUNG: Schauen Sie nicht direkt in den Laser. - Beginnen Sie mit einem Testdruck (z. B. Ergänzende Codierungsdatei 1 oder Ergänzende Codierungsdatei 2), um die Ausrichtung und den Versuchsaufbau bequemer zu gestalten (Schritte 1.3-1.6). Stellen Sie sicher, dass die LSI-Kamera auf den Druckbereich fokussiert ist.
- Richten Sie bei diesem ersten Testdruck die Beleuchtung und die Digitalkamera optimal aus. Stellen Sie die Laserrichtung so ein, dass der gesamte Bildbereich homogen ausgeleuchtet wird, und stellen Sie die Blende so ein, dass die Speckle-Größe etwas größer als die Pixelgröße ist.
- Optimieren Sie die Bildrate und Belichtungszeit so, dass die Anzahl der unter- und überbelichteten Pixel minimiert wird, um den maximalen Dynamikbereich zu erreichen.
- Wählen Sie die richtigen Parameter für die Live-LSI-Datenanalyse; Am wichtigsten ist, dass Sie die Frequenz wählen, die den besten Bildkontrast zwischen geschmolzenem und erstarrtem Kunststoff erzeugt. Passen Sie die Region of Interest (ROI) und die Colormap-Skalierung an. In diesem Fall wurde eine Fourierreihenlänge von 16 gewählt und die Amplitude der zweiten Frequenz visualisiert. Da die Speckle-Bilderfassungsrate 50 Bilder pro Sekunde beträgt, beträgt die visualisierte Frequenz 6,25 Hz.
- Bereiten Sie das LSI-Gerät vor, um die Bilder für ein 3D-Druckexperiment aufzunehmen. Wählen Sie aus, wie oft und wie lange die Bilder gespeichert werden sollen. In diesem Fall wurden die Bilder alle 0,25 s gespeichert, so dass mehrere Bilder pro Durchgang des Druckkopfes gespeichert wurden. Für jedes Experiment wurden die Bilder für 15 min gespeichert, da jeder Druckauftrag maximal 12 min dauerte.
2. Vorbereitung des 3D-Druck-Designs und des G-Codes
- Zeichnen Sie das Objekt mit einer 3D-Zeichensoftware Ihrer Wahl und exportieren Sie das Objekt als .stl-Datei. In diesem Fall wurde eine Wand mit Graten und Löchern verwendet, die in Abbildung 1 dargestellt ist und aus der ergänzenden Kodierungsdatei 1 heruntergeladen werden kann.
- Importieren Sie die .stl-Datei in die Slicing-Software und wählen Sie die Druckeinstellungen aus. Diese Einstellungen hängen von der Wahl des Materials und des 3D-Druckermodells ab. Verwenden Sie für den in dieser Studie verwendeten Fall die in Tabelle 1 dargestellten Einstellungen. Verwenden Sie ein Filament, das vorzugsweise weiß ist, oder eine beliebige Farbe, die das Laserlicht ohne nennenswerte Absorption streut.
- Drücken Sie die Slice-Taste in der Slicing-Software, um die Schichten und den Verfahrweg des Druckkopfs abzurufen. Die Konfigurationsdatei der Slicing-Software finden Sie in der ergänzenden Codierungsdatei 3.
- Speichern Sie den resultierenden G-Code (Supplementary Coding File 2) und senden Sie ihn an den 3D-Drucker.
Abbildung 1: Objektentwurf. Eine 3D-Ansicht (links) und eine 2D-Ansicht (rechts) von der Seite, der Vorderseite und der Oberseite des Objektdesigns. Das Raster stellt 1,0 mm x 1,0 mm dar, wobei 1,0 cm x 1,0 cm fett gedruckt sind. Die Wand ist 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (Breite x Höhe x Tiefe) groß, die Firste haben eine Breite von 1,0 mm, haben eine Tiefe von 0,4 mm und sind um 1,0 mm voneinander getrennt. Die Fenster haben eine Breite von 1,0 mm und eine Höhe von 2,0 mm. Das 3D-Design finden Sie in der ergänzenden Codierungsdatei 1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Eigenschaft/Einstellung | Wert |
| Faden | Polymilchsäure (PLA), weiß |
| Durchmesser der Düse | 0,4 mm |
| Schichtdicke | 0,2 mm |
| Temperatur der Düse | 210 °C |
| Drehzahl des Lüfters | 100% |
| Druckgeschwindigkeit | 10 mm/s |
| Fahrgeschwindigkeit | 10 mm/s |
| Temperatur des Bettes | 60 °C |
Tabelle 1: Die Einstellungen für den 3D-Druck. Die Einstellungen und Druckereigenschaften, die zum Aufteilen des Objektdesigns verwendet werden. Für das zweite Experiment wurde die Lüfterdrehzahl manuell auf 0% geändert.
3. Durchführung des Experiments
- Starten Sie den 3D-Drucker und warten Sie, bis die Aufwärmphase abgelaufen ist.
- Die LSI-Messung kann jederzeit gestartet werden, aber um unnötige Dateneinsparungen zu vermeiden, starten Sie die LSI-Messung, wenn der Kunststoff zu extrudieren beginnt.
- Warten Sie, bis der 3D-Drucker fertig ist, und stoppen Sie dann die LSI-Messung.
- Laden Sie die resultierenden Daten in eine Bildbetrachtungssoftware und überprüfen Sie das gedruckte Objekt visuell. Vergleichen Sie die gemessenen Bewegungen des Kunststoffpolymers während des Drucks mit der endgültigen strukturellen Integrität und Oberflächenqualität.
Representative Results
Als Testobjekt für die Experimente wurde ein einfaches Objekt gezeichnet: eine Wand mit Graten auf der Rückseite, zwei Fenstern und einem großen Loch (Abbildung 1). Das Objekt wurde mit den in Tabelle 1 aufgeführten Druckereinstellungen und -eigenschaften aufgeteilt.
Das LSI-Instrument wurde auf den 3D-Drucker ausgerichtet und das Experiment durchgeführt. Der benutzerfreundliche Aufbau verfügt über eine zusätzliche Hellfeldkamera, die bei der Ausrichtung hilft und einen einfachen Vergleich zwischen der Kunststoffextrusion und der gemessenen Polymerbewegung ermöglicht. Sowohl die Speckle- als auch die Hellfeldkameras sind mit optischen Filtern ausgestattet, die Störungen durch den jeweils anderen Kanal verhindern. Weitere technische Details zum Aufbau finden Sie in Ergänzungsdatei 1, und eine Erläuterung der Analyseroutine finden Sie in Ergänzungsdatei 2. Die wichtigsten Ergebnisse dieses Experiments sind in Abbildung 2 dargestellt, und der vollständige Film ist in Supplementary Movie 1 zu finden. Wie bereits gezeigt, kann das Experiment genauso gut mit einem selbstgebauten Instrument17 durchgeführt werden.
Abbildung 2: Zeitraffer des Druckens mit einer Lüftergeschwindigkeit von 100 %. Links: Hellfeld, Vorderansicht des Objekts, wenn der Drucker fast fertig ist. Die Qualität des Drucks sieht bei der Inspektion gut aus; Obwohl die Oberfläche die Schichtlinien zeigt, wurde die insgesamt entworfene Geometrie erstellt. Rechts: Vier LSI-Schnappschüsse aus dem weiß umrandeten Bereich während des Druckvorgangs; Die blauen Pfeile zeigen die Druckkopfposition zum Zeitpunkt des Schnappschusses an, da die LSI-Bilder zeitlich nicht mit dem Hellfeldbild übereinstimmen. Die helleren Farben in jedem Schnappschuss deuten auf eine erhöhte Polymerbewegung hin, die in den zuletzt gedruckten Schichten beobachtet wird. Beachten Sie, dass der Bereich mit verstärkter Bewegung (die Schweißzone) mehrere Schichten dick ist. Den vollständigen Film des Experiments finden Sie in Supplementary Movie 1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Ergänzend zu diesen Ergebnissen wurde der Druck visuell inspiziert; Wie für diese häufig verwendeten Polymerfilamente und Druckeinstellungen zu erwarten, war die Qualität gut. Die entworfene Geometrie wurde in der Tat reproduziert, und die Oberfläche war eben, mit einer kleinen Linie, die auf jeder Schicht sichtbar war. Mit den LSI-Daten konnte ein tiefer Einblick in den Druckprozess gewonnen werden. Der frisch extrudierte Kunststoff war als sehr mobil zu sehen, und die Beweglichkeit nahm mit zunehmendem Abkühlen allmählich ab. Die Höhe des Bereichs mit hoher Beweglichkeit (d. h. der Schweißzone) war während des gesamten Druckvorgangs vier bis fünf Schichten dick, was auf eine genau definierte Dauer der Schichtverschmelzung hinweist.
Das Experiment wurde wiederholt, wobei die Lüfterdrehzahl manuell auf 0 % eingestellt wurde. Bei dieser Einstellung kühlte der Kunststoff nicht schnell genug ab, was sich auf die Druckqualität auswirkte. Die Höhepunkte der Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt, und der vollständige detaillierte Film ist in Supplementary Movie 2 zu finden.
Abbildung 3: Zeitraffer des Druckens mit einer Lüftergeschwindigkeit von 0 %. Links: Hellfeld, Vorderansicht des Objekts, wenn der Drucker fast fertig ist. Die visuelle Qualität des Drucks sieht schlecht aus; Die Oberfläche zeigt unregelmäßige Ebenenlinien und große Kleckse. Darüber hinaus wurde die insgesamt entworfene Geometrie unvollkommen reproduziert; Bemerkenswert ist, dass die Fenster und Löcher verformt sind. Rechts: Vier LSI-Schnappschüsse aus dem weiß umrandeten Bereich während des Druckvorgangs; Die blauen Pfeile zeigen die Druckkopfposition zum Zeitpunkt des Schnappschusses an, da die LSI-Bilder zeitlich nicht mit dem Hellfeldbild übereinstimmen. Die helleren Farben in jedem Schnappschuss deuten auf eine erhöhte Polymerbewegung hin, die im gesamten Objekt beobachtet werden kann. Den vollständigen Film des Experiments finden Sie in Supplementary Movie 2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Erwartungsgemäß zeigte die Sichtprüfung des 3D-gedruckten Konstrukts tatsächlich eine schlechte Druckqualität. Die Schichten waren ungleichmäßig verteilt, und die entworfene Geometrie wurde mit Verformungen reproduziert. Ein Vergleich der Hellfeldbilder in Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigt den großen Einfluss des Kühlgebläses auf die Oberflächenqualität und Form des Druckergebnisses. Der Ursprung dieses Effekts wurde durch den Vergleich der LSI-Ergebnisse aus Abbildung 2 und Abbildung 3 ermittelt. Bei einer Lüfterdrehzahl von 100 % wurde eine verbesserte Polymerbewegung in einem Bereich beobachtet, der nur wenige Schichten unter dem extrudierten Kunststoff lag. Daher wurde jede Schicht einige Male moderat verflüssigt, um eine Schichtverklebung ohne plastischen Fluss zu erreichen. Bei der Geschwindigkeit des Kühlgebläses von 0 % wurde eine verbesserte Polymerbewegung durch das gesamte Objekt beobachtet. So wurde jede Schicht viele Male und extrem nah am frisch extrudierten Kunststoff verflüssigt, was zu einem Verlust der geometrischen Genauigkeit durch den plastischen Fluss führte.
Um eine quantitativere Betrachtung des Lüftereffekts in moderateren Situationen zu erhalten, wurde die Lüfterdrehzahl systematisch variiert. Das Objektdesign wurde auf eine Wand von 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (Breite x Höhe x Tiefe) ohne Löcher oder Grate vereinfacht. Es wurden die gleichen Druckeinstellungen wie in Tabelle 1 verwendet. Das Experiment wurde 12 Mal durchgeführt, mit Lüftergeschwindigkeiten von 0 %, 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 %, jeweils in zweifacher Hinsicht. Die resultierenden Filme befinden sich in Supplementary Movies 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 und Supplementary Movie 8 sowie in Supplementary Coding File 6, Supplementary Coding File 7, Supplementary Coding File 8, Supplementary Coding File 9, Supplementary Coding File 10 und Supplementary Coding File 11.
Um die Schweißzonen für verschiedene Lüftergeschwindigkeiten quantitativ zu vergleichen, wurde eine erweiterte Datenanalyse der LSI-Ergebnisse durchgeführt. Ziel dieser Datenanalyse war es, ein Höhenprofil des Ausmaßes der Polymerbewegung in der Schweißzone zu erhalten. Das zugehörige vollständig kommentierte MATLAB-Skript finden Sie in Supplementary Coding File 4 und werden kurz beschrieben. Für jedes LSI-Bild im Film wird ein Höhenprofil berechnet, indem der Mittelwert entlang der horizontalen Richtung genommen wird. Die Profile der Bilder, auf denen sich der Druckkopf im ROI befindet, zeigen eine deutliche Spitze um die Schweißzone herum. Um ausschließlich diese Profile auszuwählen, werden nur Profile mit einer Spitze über 8 dB berücksichtigt. Profile, bei denen diese Spitze zu nahe am Rand des ROI liegt, werden ebenfalls verworfen. Die Spitzenpositionen aller Profile werden anschließend ausgerichtet, um ein durchschnittliches Profil relativ zu der Höhe zu erhalten, in der die Polymere am beweglichsten sind. Die resultierenden Profile für die sechs verschiedenen Lüfterdrehzahlen sind in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4: Höhenprofile zur systematischen Variation der Lüfterdrehzahl. Links: Die Schweißzonenprofile für Kühlgebläsedrehzahlen von 100 % (schwarz), 80 % (blau), 60 % (violett), 40 % (rot), 20 % (orange) und 0 % (gelb), die aus dem erweiterten Datenanalyseskript in der ergänzenden Codierungsdatei 4 abgerufen wurden. Der schattierte Bereich ist die Standardabweichung zwischen doppelten Experimenten. Das rechte Schema erläutert das Mittelungsverfahren, um das Profil eines typischen LSI-Bildes zu erhalten. Durch die Ausrichtung der Maxima der Spitzen aller erhaltenen Profile wird die Schweißzone erreicht. Das Maximum der Schweißzone (relative Höhe = 0) ist die Höhe, in der die Polymere am beweglichsten sind. Detaillierte LSI- und Hellfeld-Filme jedes Experiments sind in Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 und Supplementary Movie 8 verfügbar. Daszu dieser Abbildung gedruckte Objekt befindet sich in der Ergänzenden Kodierungsdatei 5, die entsprechenden G-Code-Dateien in der Ergänzenden Kodierungsdatei 6. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Schweißzonenprofile für 40%-100% Kühlung waren nahezu identisch. Die Schweißzone für 20 % Kühlung hatte eine Schulter, die in mehrere tiefere Schichten reichte. Die Schweißzone für 0% Kühlung erstreckte sich über die gesamte Messfläche. Die Höhe, in der die Polymere am beweglichsten waren, lag in oder leicht unter der zuletzt gedruckten Schicht. Dieses Phänomen erklärt das Vorhandensein eines LSI-Signals in positiven relativen Höhen, da sich oberhalb der Mobilitätsspitze gedrucktes Material befindet. In allen Fällen reichte die Schweißzone viel tiefer als die Schichtdicke von 0,2 mm.
Ergänzende Datei 1: LSI-Einrichtung.xls. Hardware-Parameter des hier verwendeten LSI-Geräts. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzendes Dossier 2: LSI-Analyse.docx. Erläuterung der Konvertierung der Raw-Speckle-Bilder in LSI-Bilder. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzender Film 1: LSI- und Hellfeldfilm des in Abbildung 2 beschriebenen Experiments. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzender Film 2: LSI- und Hellfeldfilm des in Abbildung 3 beschriebenen Experiments. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzender Film 3: Das in Abbildung 4 beschriebene Experiment mit einer Lüfterdrehzahl von 100 %. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzender Film 4: Das in Abbildung 4 beschriebene Experiment mit einer Lüfterdrehzahl von 80 %. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzender Film 5: Das in Abbildung 4 beschriebene Experiment mit einer Lüfterdrehzahl von 60 %. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzender Film 6: Das in Abbildung 4 beschriebene Experiment mit einer Lüfterdrehzahl von 40 %. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzender Film 7: Das in Abbildung 4 beschriebene Experiment mit einer Lüfterdrehzahl von 20 %. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzender Film 8: Das in Abbildung 4 beschriebene Experiment mit einer Lüfterdrehzahl von 0 %. Der Film wird mit 12,5-facher Echtzeitgeschwindigkeit abgespielt. Der obere Teil ist das LSI-Ergebnis und der untere Teil ist die synchronisierte Hellfeldansicht mit dem angegebenen LSI-ROI. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterzuladen.
Ergänzende Kodierungsdatei 1: wall_with_holes.stl. Der 3D-Entwurf für das in Abbildung 1 beschriebene Objekt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 2: wall_with_holes.gcode. Das in Scheiben geschnittene Objekt wall_with_holes.stl mit den Einstellungen aus Tabelle 1. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 3: config.ini. Die Konfigurationsdatei für die Slicing-Software. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Kodierdatei 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Das Skript zum Ausführen der erweiterten Datenanalyse für die Sweep-Daten des Lüfters und das Darstellen von Abbildung 4. Das Skript ist vollständig kommentiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 5: wall.stl. Der 3D-Entwurf des Objekts, das zum Erfassen der Daten in Abbildung 4 verwendet wurde. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 6: wall_100%fan.gcode. Das in Scheiben geschnittene Objekt wall.stl mit einer Lüftergeschwindigkeit von 100 %. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 7: wall_80%fan.gcode. Das in Scheiben geschnittene Objekt wall.stl mit einer Lüftergeschwindigkeit von 80 %. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 8: wall_60%fan.gcode. Das in Scheiben geschnittene Objekt wall.stl mit einer Lüftergeschwindigkeit von 60 %. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 9: wall_40%fan.gcode. Das geschnittene Objekt wall.stl mit einer Lüftergeschwindigkeit von 40 %. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 10: wall_20%fan.gcode. Das in Scheiben geschnittene Objekt wall.stl mit einer Lüftergeschwindigkeit von 20 %. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdatei 11: wall_0%fan.gcode. Das in Scheiben geschnittene Objekt wall.stl mit einer Lüftergeschwindigkeit von 0 %. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Discussion
Die in dieser Forschung beschriebenen Experimente und Ergebnisse zeigen, dass LSI ein einfach anzuwendendes Werkzeug ist, das ein tieferes Verständnis der Schichtbindung während der additiven Fertigung ermöglicht. LSI ermöglicht die direkte Messung der Polymerbewegung, die durch die gegenseitige Durchdringung und anschließende Verschränkung der Polymerketten fein abgestimmt werden muss, um ein kohärentes Material zu bilden. Die gebräuchlichste Alternative zur Messung der Schichtverklebung in situ ist die Infrarotbildgebung 3,4,5. Diese etablierte Methode bildet die lokale Oberflächentemperatur des Kunststoffs8,9 ab, was eine indirekte Messung der Polymerbewegung im Inneren des Materials darstellt. Bei heißerem Kunststoff ist die Bewegung schneller und die Verklebung wird stärker. Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Bewegung ist jedoch nicht linear, da die Drucktemperaturen die Schmelz- und Glasübergangstemperatur 6,7 kreuzen. Dieser nicht-triviale Zusammenhang kann direkt in den LSI-Bildern beobachtet werden; Konkret gibt es einen scharfen Übergang zwischen dem flüssigkeitsartigen oberen und dem festkörperartigen unteren Bereich, während der Temperaturgradient voraussichtlich weitaus gradueller sein wird. Ein weiterer Nachteil der IR-Bildgebung besteht darin, dass sie nur die Oberflächentemperatur misst, während LSI die Polymerbewegung in der Regel mehrere Millimeter tief im Inneren des Materials misst.
Genau wie bei der IR-Bildgebung handelt es sich bei dieser Implementierung von LSI im Wesentlichen um eine Point-and-Shoot-Methode. Es kann vor Ort verwendet werden, wenn die Kamera auf den interessierenden Bereich gerichtet werden kann. Das vielseitige Stativ und der große Arbeitsabstand von 0,7 m geben die Freiheit, jeden verfügbaren 3D-Drucker zu verwenden. Entscheidend ist, dass LSI empfindlich auf nanoskopische Bewegungen reagiert, so dass Vibrationen aus der Umgebung und dem Druckprozess selbst minimiert werden müssen17. Wenn Sie beispielsweise eine andere Aufgabe auf demselben Tisch ausführen oder eine Tür zuschlagen, führt dies zu Störungen. Daher sollte man vorsichtig um das Setup herumlaufen; Raumbeleuchtung oder Luftstrom stören den Prozess jedoch in der Regel nicht.
LSI gibt einen detaillierten Einblick in den Schichtverklebungsprozess und kann genauso einfach angewendet werden wie die IR-Bildgebung. Wir gehen davon aus, dass LSI ein großes Potenzial bei der Entwicklung und dem Verständnis fortschrittlicher 3D-Druckverfahren hat. Der Drehzahl-Sweep des Kühlgebläses zeigt einen Einblick in das, was durch die Kombination von LSI mit 3D-Druck möglich ist. Wie in der Einleitung erläutert, ist die optimale Abkühlgeschwindigkeit ein Gleichgewicht zwischen dem langen Schmelzen des Kunststoffs, um die Schichtbindung zu verbessern, und dem schnellen Abkühlen, um ein Fließen zu verhindern. Die Ergebnisse der Lüfterdrehzahl von 40 % bis 100 % waren sehr ähnlich. In der Tat zeigten diese Lüftergeschwindigkeiten keine Strömung und erzeugten eine gute Oberflächenqualität. Mit der Geschwindigkeit des Kühlgebläses von 0 % begann das Material von der gedruckten Stelle wegzufließen, aber bei der LSI-Messung wurde eine ausreichende Schichtbindung beobachtet. Basierend auf unseren Ergebnissen könnte die Lüfterdrehzahl von 20 % optimal sein, um eine leicht verbesserte Schichtbindung zu erreichen, ohne die Oberflächenqualität zu beeinträchtigen. Um jedoch Schlussfolgerungen zu ziehen, die in der Praxis angewendet werden können, müssen mehr Lüfterdrehzahlen zwischen 0 % und 40 % bewertet werden. Es ist auch wünschenswert, quantitative Maße für die Oberflächenqualität und Materialfestigkeit zu etablieren, um einen objektiven und vollständigen Überblick über die Auswirkungen der Polymerbewegung auf die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Mit dieser Ergänzung könnte der Ansatz für die Bewertung kreativer 3D-Druckfortschritte leistungsfähiger gemacht werden.
Die genauen Einstellungen, die für die LSI-Analyse gewählt werden, sind nicht anfällig für kritische Fehler, solange flüssigkeitsartige plastische und feststoffartige plastische Phasen klar unterschieden werden können. Die Polymerbewegung ändert sich dramatisch, wenn die Schmelz- und Glasübergangstemperaturen überschritten werden, sodass eine breite Palette von LSI-Einstellungen den Kontrast gut einfängt. Dies lässt sich leicht mit einem Testdruck eines einfachen Objekts (z. B. einer geraden Wand) mit den vom Materiallieferanten empfohlenen 3D-Druckereinstellungen testen. Für fortgeschrittene LSI-Anwender kann ein tieferes Eintauchen in den Frequenzbereich zusätzliche Informationen liefern, da verschiedene Arten von Polymerbewegungen quantitativ unterschieden werden können. Zum Beispiel ist die hochfrequente Bewegung von Polymeren mit den höchsten Temperaturen verbunden, die nur in der Nähe des Druckkopfes vorhanden sind. Niederfrequente Polymerbewegungen sind mit moderaten Temperaturen verbunden, die in einem viel größeren Bereich um den Druckkopf herum und auch für eine viel längere Zeit vorhanden sind17. Es muss untersucht werden, ob der Bindungsgrad bei kumulativer niederfrequenter Polymerbewegung gleich dem bei kurzen, hochfrequenten Bewegungen (z. B. bei dynamisch-mechanischer Analyse) sein könnte. Die meisten anderen Einstellungen, wie z. B. die Colormap-Skalierung, der ROI, das Speicherintervall und die Dauer des Experiments, werden ausschließlich ausgewählt, um ein visuell klares und ansprechendes Ergebnis zu erzielen. Auch bei den Einstellungen für den 3D-Druck gibt es viele Freiheiten, da LSI es dem Benutzer ermöglicht, die Ergebnisse einer Änderung der Einstellungen objektiv zu beurteilen. Insbesondere eine drastische Änderung der Druckgeschwindigkeit ändert die Interpretation der LSI-Daten. In dieser Arbeit wurde eine langsame Druck- und Verfahrgeschwindigkeit von 10 mm/s verwendet, um mehrere LSI-Bilder während eines Durchlaufs des Druckkopfes aufzunehmen. Wenn eine üblichere Druckgeschwindigkeit von 60 mm/s für PLA verwendet würde, würde ungefähr eine volle Schicht pro LSI-Bild gedruckt werden, und somit würde eine Mittelung innerhalb einer Schicht erfolgen. Beim Experimentieren mit High-End-Geschwindigkeiten wie 300 mm/s und schneller würde es zu einer Mittelung über mehrere Schichten kommen. Dies hängt jedoch vollständig von der genauen Druckgeometrie und den LSI-Einstellungen ab und kann von einem erfahrenen LSI-Benutzer durch fortschrittliches Maschinendesign, Anpassung der Größe des Sichtfelds oder Verwendung einer schnelleren Kamera leicht gemildert werden. Beide Ansätze erfordern einen leistungsstärkeren Laser, der in Kombination mit dem reflektierenden Druckkopf zusätzliche Laserschutzvorkehrungen erfordert. Auch die relativ langsame Druckgeschwindigkeit hat einen positiven Einfluss auf die Schichtverklebung, da bereits nachgewiesen wurde, dass die Wärmeübertragung auf den Kunststoff mit langsameren Druckgeschwindigkeiten zunimmt5.
Eine mögliche neue Richtung für diesen Ansatz ist die Erprobung neuartiger Materialien; LSI könnte beispielsweise verwendet werden, um die relevanten Übergänge zu visualisieren und die empfohlenen Druckereinstellungen objektiv zu quantifizieren, die beim Auftragen der obersten Schicht eine fünfschichtige Schweißzone ergeben. Eine weitere Anwendung könnte darin bestehen, die Schweißzone in bestimmten Situationen zu untersuchen, in denen die Druckqualität nicht zuverlässig gut ist, z. B. bei Brücken, Überhängen oder scharfen Ecken. Wenn die Schweißzone in schwierigen Situationen besser verstanden werden kann, sollte es möglich sein, im G-Code zu kompensieren. Es ist bereits gängige Praxis, die erste Schicht heißer und langsamer als die übrigen Schichten zu drucken, um eine gute Haftung auf der Bauplatte18 zu erreichen. Wir stellen uns die Verwendung eines ähnlichen dynamischen G-Code-Slicings vor, bei dem beispielsweise die Lüfterkühlung angepasst werden könnte, um Ecken oder Brücken zu erzeugen. Es sollte auch möglich sein, das Außenwandmaterial mit einer glatteren Oberfläche und den Rest des Materials und der Füllung rauer, aber stärker zu bedrucken, um sowohl die Materialstärke als auch das optische Erscheinungsbild zu maximieren.
In diesem Artikel wurde die Anwendung von LSI zur Untersuchung des Schichtverklebungsprozesses nach der Kunststoffextrusion erörtert. Die Technik eignet sich hervorragend für diese Aufgabe, da sie die zugrunde liegende Polymerbewegung ohne A-priori-Annahmen in Echtzeit während des 3D-Drucks visualisieren kann. Es gibt jedoch keine Informationen über die Materialkohäsion, so dass zusätzliche Tests erforderlich sind. Die anderen diskutierten Nachteile sind situativ; Die begrenzte Abbildungsgeschwindigkeit von vier LSI-Bildern pro Sekunde kann mit einem größeren Laser und zusätzlichen Lasersicherheitsmaßnahmen erhöht werden, und die Vibrationsempfindlichkeit erfordert Vorsichtsmaßnahmen oder Hardware zur Vibrationsreduzierung. LSI kann mit billigen und kleinen Digitalkameras und Lasern19,20 durchgeführt werden, was die Integration in praktisch jeden 3D-Drucker zur Live-Qualitätskontrolle und dynamischen Abstimmung der Druckparameter ermöglicht. Es ist jedoch sinnvoller, LSI einzusetzen, um fundierte Kenntnisse über die Schichtverklebung während des 3D-Drucks zu entwickeln. Wenn dieses Verständnis genutzt wird, um fortschrittlichere Slicing-Software zu entwickeln, könnte jeder 3D-Drucker von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren.
Disclosures
Jesse Buijs ist dabei, ein Start-up-Unternehmen zu gründen, das das in diesem Artikel verwendete LSI-Instrument und die LSI-Software verkauft. Die anderen Autoren erklären keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Die Autorinnen und Autoren erhielten keine Drittmittel.
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 |
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