Con una técnica no invasiva y en tiempo real, el movimiento nanoscópico del polímero dentro de un filamento de polímero se visualiza durante la impresión 3D. Afinar este movimiento es crucial para producir construcciones con un rendimiento y apariencia óptimos. Este método llega al núcleo de la fusión de capas de plástico, ofreciendo así información sobre las condiciones óptimas de impresión y los criterios de diseño de materiales.
Artículo de método
Imágenes en tiempo real de la unión en capas impresas en 3D
En este artículo
Resumen
Resumen
En los últimos tiempos, la tecnología de impresión 3D ha revolucionado nuestra capacidad para diseñar y producir productos, pero optimizar la calidad de impresión puede ser un desafío. El proceso de impresión 3D de extrusión consiste en presionar material fundido a través de una boquilla delgada y depositarlo sobre material previamente extruido. Este método se basa en la unión entre las capas consecutivas para crear un producto final fuerte y visualmente atractivo. Esta no es una tarea fácil, ya que muchos parámetros, como la temperatura de la boquilla, el grosor de la capa y la velocidad de impresión, deben ajustarse para lograr resultados óptimos. En este estudio, se presenta un método para visualizar la dinámica del polímero durante la extrusión, dando una idea del proceso de unión de capas. Usando imágenes de moteado láser, el flujo y la fusión de plástico se pueden resolver de forma no invasiva, interna y con alta resolución espaciotemporal. Esta medición, que es fácil de realizar, proporciona una comprensión profunda de la mecánica subyacente que influye en la calidad de impresión final. Esta metodología se probó con un rango de velocidades de ventilador de enfriamiento, y los resultados mostraron un mayor movimiento del polímero con velocidades de ventilador más bajas y, por lo tanto, explicaron la mala calidad de impresión cuando se apagó el ventilador de enfriamiento. Estos hallazgos muestran que esta metodología permite optimizar la configuración de impresión y comprender el comportamiento del material. Esta información se puede utilizar para el desarrollo y prueba de nuevos materiales de impresión o procedimientos avanzados de corte. Con este enfoque, se puede construir una comprensión más profunda de la extrusión para llevar la impresión 3D al siguiente nivel.
Introducción
El método de impresión 3D es una técnica de fabricación aditiva en la que se fabrica un objeto capa por capa para formar la forma deseada. Este método tiene una base de usuarios grande y diversa gracias a su versatilidad, asequibilidad y facilidad de uso. El modelado por deposición fundida presenta una extrusora móvil (con un diámetro de cientos de micras a un par de milímetros) para depositar plástico fundido en la forma deseada1. El plástico extruido debe comportarse de manera líquida durante un cierto período para lograr una buena fusión con el plástico previamente impreso y formar un material fuertemente cohesivo. Sin embargo, el plástico debe enfriarse y solidificarse rápidamente después de la impresión para evitar que el plástico fluya lejos de la ubicación de impresión y reduzca la calidad de impresión. Se ha demostrado que esta delicada interacción entre calefacción y refrigeración apuntala directamente el equilibrio entre la resistencia mecánica y la precisión geométrica del objeto final impreso en 3D2. Para lograr el equilibrio óptimo de calentamiento y enfriamiento, el plástico se extruye a una temperatura justo por encima de su temperatura de fusión, y se utiliza un cabezal de ventilador, conectado a la impresora, para enfriar el plástico rápidamente. Una comprensión profunda de los efectos de las temperaturas de impresión y las velocidades de enfriamiento podría proporcionar los conocimientos necesarios para desarrollar protocolos avanzados de corte e impresión que maximicen los resultados mecánicos o geométricos en las áreas donde son más importantes. Los esfuerzos para obtener más información sobre estos procesos a menudo se basan en imágenes infrarrojas (IR), que solo visualizan la temperatura de la superficie 3,4,5 y no indican la temperatura interna del plástico. El calentamiento local más allá de la transición de fusión aumenta drásticamente la movilidad del polímero y, por lo tanto, permite el enredo del polímero entre el material viejo y el nuevo. Este movimiento del polímero mejorado temporalmente es un requisito para la formación del material cohesivo final 6,7, pero las imágenes IR solo pueden medir el movimiento del polímero indirectamente a través de la temperatura de la superficie 8,9. Por lo tanto, traducir la temperatura de la superficie a la unión de capas requiere un conocimiento preciso del gradiente de temperatura núcleo-superficie y la compleja dinámica polimérica asociada en un rango de escalas de tiempo y longitud. Una medición directa de la unión de la capa (es decir, el proceso de entrelazamiento del polímero) permitiría la visualización del mecanismo subyacente a la cohesión del material a granel sin información o suposiciones a priori.
Para comprender la distribución espacial y temporal de la unión de capas, en este trabajo se emplea una técnica de imagen que cuantifica directamente la dinámica de los polímeros que componen el filamento plástico. Esta técnica, la imagen de moteado láser (LSI), se basa en la dispersión interferométrica de la luz para visualizar movimientos nanoscópicos, independientemente de la composición química. Dependiendo de las propiedades ópticas de la muestra, puede medir con precisión varios milímetros a centímetros en materiales no transparentes10,11,12, a diferencia de las imágenes IR, que informan solo temperaturas superficiales 8,9. Estos atributos han hecho recientemente que los métodos basados en moteados sean populares para comprender los procesos dinámicos en una gran cantidad de materiales, aunque originalmente fueron desarrollados para aplicaciones médicas10,11,12. Recientemente, LSI se ha utilizado para obtener información sobre el comportamiento de materiales poliméricos avanzados, como redes de polímeros de cristal líquido autolimpiantes 13,14, así como para predecir fracturas en caucho15 y para estudiar materiales autorreparables16.
La viabilidad de aplicar LSI a la impresión 3D se mostró en un artículoanterior 17, donde se presentó una configuración LSI portátil con capacidades de análisis en tiempo real, y se demostró que la deposición de plástico fundido da como resultado un mayor movimiento del polímero varias capas por debajo de la capa actual. En el documento presentado aquí, se realiza una investigación sistemática sobre los efectos de la velocidad del ventilador de enfriamiento en el grado de unión multicapa. Se utiliza una versión plug-and-play mejorada del instrumento portátil que puede ser operada por usuarios sin óptica o experiencia en programación. Las imágenes de moteado se analizan en tiempo real utilizando las transformadas de Fourier17, que visualizan la amplitud de las fluctuaciones de intensidad del moteado. Este instrumento tiene una cámara de campo claro adicional que está alineada con la cámara moteada para que los mapas de movimiento LSI se puedan superponer con las imágenes de campo claro para facilitar la interpretación sin que la luz de campo claro afecte a los mapas de movimiento. El enfoque experimental presentado en este artículo se puede utilizar para obtener más información sobre la fusión, la unión de capas y la solidificación del plástico extruido durante la impresión 3D de geometrías y materiales desafiantes.
Protocolo
1. Configuración y alineación del instrumento LSI con la impresora 3D
- Coloque la impresora 3D sobre una superficie estable para minimizar las vibraciones. Coloque el instrumento LSI junto a él para que la cámara tenga una visión clara del área de impresión. Coloque el instrumento LSI ligeramente más alto que la placa de construcción de la impresora 3D e inclínelo hacia abajo muy ligeramente para que la vista no se obstruya.
- Encienda la iluminación láser y de campo claro, y verifique que estén alineados con el área de imagen. Ajuste la potencia del láser a 20 mW, asegúrese de que el láser salga de la caja de configuración expandida sobre un área grande (varios centímetros cuadrados) y asegúrese de que la densidad de potencia sea lo suficientemente baja (varias veces menor que un puntero láser) para usarse in situ sin medidas de seguridad adicionales como gafas láser o carcasas negras.
PRECAUCIÓN: No mire directamente al láser. - Comience con una impresión de prueba (por ejemplo, Archivo de codificación suplementaria 1 o Archivo de codificación complementaria 2) para que la alineación y la configuración experimental sean más convenientes (pasos 1.3-1.6). Asegúrese de que la cámara LSI esté enfocada en el área de impresión.
- Durante esta primera impresión de prueba, alinee de manera óptima la iluminación y la cámara digital. Ajuste la dirección del láser para que toda el área de imagen se ilumine de manera homogénea y ajuste el diafragma de modo que el tamaño del moteado sea ligeramente mayor que el tamaño del píxel.
- Optimice la velocidad de fotogramas y el tiempo de exposición de modo que el número de píxeles subexpuestos y sobreexpuestos se minimice para lograr el rango dinámico máximo.
- Elija los parámetros correctos para el análisis de datos LSI en vivo; Lo más importante es seleccionar la frecuencia que produzca el mejor contraste de imagen entre el plástico fundido y solidificado. Ajuste la región de interés (ROI) y la escala del mapa de colores. En este caso, se eligió una longitud de serie de Fourier de 16, y se visualizó la amplitud de la segunda frecuencia. Como la tasa de recolección de imágenes moteadas es de 50 fotogramas por segundo, la frecuencia visualizada es de 6,25 Hz.
- Prepare el instrumento LSI para capturar las imágenes para un experimento de impresión 3D. Elija con qué frecuencia y durante cuánto tiempo se guardan las imágenes. En este caso, las imágenes se guardaron cada 0,25 s para que se guardaran varias imágenes por pasada del cabezal de la impresora. Para cada experimento, las imágenes se guardaron durante 15 minutos, ya que cada trabajo de impresión tomó un máximo de 12 minutos.
2. Preparación del diseño de impresión 3D y código G
- Dibuje el objeto utilizando un software de dibujo 3D de su elección y exporte el objeto como un archivo .stl. En este caso, se utilizó una pared con crestas y agujeros, que se muestra en la Figura 1 y se puede descargar desde el Archivo de codificación suplementario 1.
- Importe el archivo .stl en el software de corte y elija la configuración de impresión. Estos ajustes dependerán de la elección del material y del modelo de impresora 3D; para el caso utilizado en este estudio, utilice los ajustes que se muestran en la Tabla 1. Use un filamento que sea preferiblemente blanco o de cualquier color que disperse la luz láser sin una absorción significativa.
- Pulse el botón Slice en el software de corte para obtener las capas y la trayectoria de recorrido del cabezal de impresión. El archivo de configuración del software de corte se puede encontrar en Archivo de codificación suplementario 3.
- Guarde el código G resultante (Archivo de codificación suplementario 2) y envíelo a la impresora 3D.
Figura 1: Diseño de objetos. Una vista 3D (izquierda) y una vista 2D (derecha) desde el lateral, el frente y la parte superior del diseño del objeto. La cuadrícula representa 1,0 mm x 1,0 mm, con 1,0 cm x 1,0 cm en negrita. La pared es de 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (ancho x alto x profundidad), y las crestas tienen un ancho de 1,0 mm, tienen una profundidad de 0,4 mm y están separadas por 1,0 mm. Las ventanas tienen un ancho de 1,0 mm y una altura de 2,0 mm. El diseño 3D se puede encontrar en el Archivo de codificación suplementario 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Propiedad/entorno | Valor |
| Filamento | Ácido poliláctico (PLA), blanco |
| Diámetro de la boquilla | 0,4 mm |
| Espesor de capa | 0,2 mm |
| Temperatura de la boquilla | 210 °C |
| Velocidad del ventilador de refrigeración | 100% |
| Velocidad de impresión | 10 mm/s |
| Velocidad de desplazamiento | 10 mm/s |
| Temperatura de la cama | 60 °C |
Tabla 1: La configuración de impresión 3D. La configuración y las propiedades de impresora utilizadas para dividir el diseño del objeto. Para el segundo experimento, la velocidad del ventilador se cambió manualmente a 0%.
3. Realización del experimento
- Inicie la impresora 3D y espere a que finalice el período de calentamiento.
- La medición de LSI se puede iniciar en cualquier momento, pero para evitar el ahorro innecesario de datos, inicie la medición de LSI cuando el plástico comience a extruirse.
- Espere a que finalice la impresora 3D y luego detenga la medición LSI.
- Cargue los datos resultantes en un software de visualización de imágenes e inspeccione visualmente el objeto impreso. Compare los movimientos medidos del polímero plástico durante la impresión con la integridad estructural final y la calidad de la superficie.
Resultados
Se dibujó un objeto simple como objetivo de prueba para los experimentos: una pared con crestas en la parte posterior, dos ventanas y un gran agujero (Figura 1). El objeto se dividió con la configuración y las propiedades de la impresora enumeradas en la tabla 1.
El instrumento LSI se alineó con la impresora 3D y se realizó el experimento. La configuración fácil de usar cuenta con una cámara de campo claro adicional, que ayuda durante la alineación y permite una fácil comparación entre la extrusión de plástico y el movimiento medido del polímero. Las cámaras speckle y brightfield están equipadas con filtros ópticos que evitan la interferencia del otro canal. Se pueden encontrar más detalles técnicos sobre la configuración en el Archivo complementario 1, y una explicación de la rutina de análisis se presenta en el Archivo complementario 2. Los aspectos más destacados de los resultados de este experimento se muestran en la Figura 2, y la película completa se puede encontrar en la Película complementaria 1. Como se mostró anteriormente, el experimento se puede realizar igual de bien con un instrumento construido en casa17.
Figura 2: Time-lapse de impresión con una velocidad del ventilador de refrigeración del 100%. Izquierda: campo claro, imagen frontal del objeto cuando la impresora está casi terminada. La calidad de la impresión se ve bien después de la inspección; Aunque la superficie muestra las líneas de capa, se ha producido la geometría general diseñada. Derecha: Cuatro instantáneas LSI de la región delineada en blanco durante el proceso de impresión; las flechas azules indican la posición del cabezal de impresión en el momento de la instantánea, ya que las imágenes LSI no se corresponden en el tiempo con la imagen de campo claro. Los colores más claros en cada instantánea indican un mayor movimiento del polímero, que se observa en las capas impresas más recientemente. Tenga en cuenta que la región con movimiento mejorado (la zona de soldadura) tiene varias capas de espesor. La película completa y detallada del experimento está disponible en la película complementaria 1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Como complemento a estos resultados, la impresión fue inspeccionada visualmente; Como era de esperar para estos filamentos de polímero de uso común y configuraciones de impresión, la calidad fue buena. La geometría diseñada fue, de hecho, reproducida, y la superficie era uniforme, con una pequeña línea visible en cada capa. Con los datos de LSI, fue posible obtener una visión profunda del proceso de impresión. El plástico recién extruido era visible como altamente móvil, y la movilidad disminuyó gradualmente a medida que se enfriaba. La altura del área con alta movilidad (es decir, la zona de soldadura) fue de cuatro a cinco capas de espesor durante todo el procedimiento de impresión, lo que indica una duración bien definida de la fusión de la capa.
El experimento se repitió con la velocidad del ventilador de refrigeración ajustada manualmente al 0%. Con esta configuración, el plástico no se enfrió lo suficientemente rápido, lo que afectó la calidad de impresión. Los aspectos más destacados de los resultados se muestran en la Figura 3, y la película detallada completa se puede encontrar en la Película complementaria 2.
Figura 3: Time-lapse de impresión con una velocidad del ventilador de refrigeración del 0%. Izquierda: campo claro, imagen frontal del objeto cuando la impresora está casi terminada. La calidad visual de la impresión se ve pobre; La superficie muestra líneas de capa irregulares y grandes manchas. Además, la geometría general diseñada se ha reproducido de manera imperfecta; En particular, las ventanas y los agujeros están deformados. Derecha: Cuatro instantáneas LSI de la región delineada en blanco durante el proceso de impresión; las flechas azules indican la posición del cabezal de impresión en el momento de la instantánea, ya que las imágenes LSI no se corresponden en el tiempo con la imagen de campo claro. Los colores más claros en cada instantánea indican un mayor movimiento del polímero, que se puede observar en todo el objeto. La película completa y detallada del experimento está disponible en la película complementaria 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En línea con las expectativas, la inspección visual de la construcción impresa en 3D mostró una calidad de impresión deficiente. Las capas se distribuyeron de manera desigual y la geometría diseñada se reprodujo con deformaciones. Una comparación de las imágenes de campo claro en la Figura 2 y la Figura 3 muestra el efecto principal del ventilador de enfriamiento en la calidad de la superficie y la forma del resultado de impresión. El origen de este efecto se determinó comparando los resultados de LSI de la Figura 2 y la Figura 3. Con una velocidad del ventilador de enfriamiento del 100%, se observó un movimiento mejorado del polímero en una región solo unas pocas capas por debajo del plástico extruido. Por lo tanto, cada capa se licuó moderadamente unas cuantas veces para lograr la unión de la capa sin flujo de plástico. Con la velocidad del ventilador de enfriamiento del 0%, se observó un movimiento mejorado del polímero a través de todo el objeto. Por lo tanto, cada capa se licuó muchas veces y extremadamente cerca del plástico recién extruido, lo que resultó en una pérdida de precisión geométrica a través del flujo de plástico.
Para obtener una visión más cuantitativa del efecto del ventilador de refrigeración en situaciones más moderadas, la velocidad del ventilador de refrigeración se varió sistemáticamente. El diseño del objeto se simplificó a una pared de 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (ancho x alto x profundidad) sin agujeros ni crestas. Se utilizó la misma configuración de impresión que en la Tabla 1. El experimento se realizó 12 veces, con velocidades de ventilador de enfriamiento de 0%, 20%, 40%, 60%, 80% y 100%, cada una por duplicado. Las películas resultantes se pueden encontrar en Películas suplementarias 3, Película suplementaria 4, Película suplementaria 5, Película suplementaria 6, Película suplementaria 7 y Película suplementaria 8, así como en Archivo de codificación suplementaria 6, Archivo de codificación suplementaria 7, Archivo de codificación suplementaria 8, Archivo de codificación suplementaria 9, Archivo de codificación suplementaria 10 y Archivo de codificación suplementaria 11.
Para comparar cuantitativamente las zonas de soldadura para diferentes velocidades de ventilador, se realizó un análisis avanzado de datos sobre los resultados de LSI. El objetivo de este análisis de datos fue obtener un perfil de altura de la extensión del movimiento del polímero en la zona de soldadura. El script de MATLAB completamente comentado asociado se puede encontrar en Supplementary Coding File 4 y se describe brevemente. Para cada imagen LSI en la película, se calcula un perfil de altura tomando la media a lo largo de la dirección horizontal. Los perfiles de las imágenes donde se encuentra el cabezal de impresión en el ROI muestran un pico distinto alrededor de la zona de soldadura. Para seleccionar exclusivamente esos perfiles, solo se tienen en cuenta los perfiles con un pico superior a 8 dB. También se descartan los perfiles en los que este pico está demasiado cerca del borde del ROI. Las posiciones máximas de todos los perfiles se alinean posteriormente para dar un perfil promedio en relación con la altura a la que los polímeros son más móviles. Los perfiles resultantes para las seis velocidades diferentes del ventilador de refrigeración se representan en la Figura 4.
Figura 4: Perfiles de altura para la variación sistemática de la velocidad del ventilador de refrigeración. Izquierda: Los perfiles de zona de soldadura para velocidades de ventilador de refrigeración del 100% (negro), 80% (azul), 60% (púrpura), 40% (rojo), 20% (naranja) y 0% (amarillo), obtenidos del script de análisis avanzado de datos en el Archivo de codificación complementaria 4. La región sombreada es la desviación estándar entre experimentos duplicados. El esquema correcto explica el procedimiento de promedio para obtener el perfil de una imagen LSI típica. Al alinear los máximos de los picos de todos los perfiles obtenidos, se obtiene la zona de soldadura. El máximo de la zona de soldadura (altura relativa = 0) es la altura a la que los polímeros son más móviles. Las películas LSI y brightfield completas de cada experimento están disponibles en Película Suplementaria 3, Película Suplementaria 4, Película Suplementaria 5, Película Suplementaria 6, Película Suplementaria 7 y Película Suplementaria 8. El objetoimpreso para esta figura se puede encontrar en el Archivo de codificación suplementaria 5, con los archivos de código G correspondientes en el Archivo de codificación suplementaria 6. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los perfiles de la zona de soldadura para un enfriamiento del 40% al 100% eran casi idénticos. La zona de soldadura para un enfriamiento del 20% tenía un hombro que llegaba a varias capas más profundas. La zona de soldadura para un enfriamiento del 0% se extendió por toda el área medida. La altura a la que los polímeros eran más móviles se encontraba en o ligeramente por debajo de la capa impresa más recientemente. Este fenómeno explica la presencia de una señal LSI a alturas relativas positivas, ya que hay material impreso por encima del pico de movilidad. En todos los casos, la zona de soldadura alcanzó una profundidad mucho más profunda que el espesor de la capa de 0,2 mm.
Archivo complementario 1: Configuración de LSI.xls. Parámetros de hardware del instrumento LSI utilizado aquí. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 2: Análisis LSI.docx. Explicación de la conversión de las imágenes moteadas en bruto en imágenes LSI. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Película complementaria 1: LSI y película de campo claro del experimento descrito en la Figura 2. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Película complementaria 2: LSI y película de campo claro del experimento descrito en la Figura 3. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Película complementaria 3: El experimento de velocidad del ventilador de enfriamiento del 100% descrito en la Figura 4. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Película complementaria 4: El experimento de velocidad del ventilador de enfriamiento del 80% descrito en la Figura 4. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Película complementaria 5: El experimento de velocidad del ventilador de enfriamiento del 60% descrito en la Figura 4. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Película complementaria 6: El experimento de velocidad del ventilador de enfriamiento del 40% descrito en la Figura 4. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Película complementaria 7: El experimento de velocidad del ventilador de enfriamiento del 20% descrito en la Figura 4. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Película suplementaria 8: El experimento de velocidad del ventilador de enfriamiento del 0% descrito en la Figura 4. La película se reproduce a una velocidad de 12,5x en tiempo real. La parte superior es el resultado de LSI, y la parte inferior es la vista de campo claro sincronizada con el ROI de LSI indicado. Haga clic aquí para descargar esta película.
Archivo de codificación suplementario 1: wall_with_holes.stl. El diseño 3D del objeto descrito en la figura 1. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo de codificación complementaria 2: wall_with_holes.gcode. El objeto dividido wall_with_holes.stl con la configuración de la tabla 1. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo de codificación complementaria 3: config.ini. El archivo de configuración del software de segmentación. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo de codificación suplementario 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. El script para realizar el análisis avanzado de datos en los datos de barrido del ventilador de refrigeración y trazar la Figura 4. El guión está completamente comentado. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo de codificación complementario 5: wall.stl. El diseño 3D del objeto utilizado para recopilar los datos de la figura 4. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Discusión
Los experimentos y resultados descritos en esta investigación muestran que LSI es una herramienta de fácil aplicación que permite una comprensión más profunda de la unión de capas durante la fabricación aditiva. LSI permite la medición directa del movimiento del polímero, que debe ajustarse finamente para formar un material coherente mediante la interpenetración y el posterior entrelazamiento de las cadenas poliméricas. La alternativa más común para medir la unión de capas in situ es la imagen infrarroja 3,4,5. Este método bien establecido visualiza la temperatura superficial local del plástico8,9, que es una medida indirecta del movimiento del polímero dentro del material. Con plástico más caliente, el movimiento es más rápido y la unión se vuelve más fuerte. Sin embargo, la relación entre temperatura y movimiento no es lineal, ya que las temperaturas de impresión cruzan las temperaturas de fusión y transición vítrea 6,7. Esta relación no trivial se puede observar directamente en las imágenes LSI; Específicamente, hay una transición brusca entre las regiones superior similar a líquido y la región inferior sólida, mientras que se espera que el gradiente de temperatura sea mucho más gradual. Otro inconveniente de las imágenes IR es que solo mide la temperatura de la superficie, mientras que LSI mide el movimiento del polímero generalmente a varios milímetros de profundidad dentro del material.
Al igual que con las imágenes IR, esta implementación de LSI es esencialmente un método de apuntar y disparar; Se puede utilizar in situ si la cámara puede apuntar a la región de interés. El versátil trípode y la larga distancia de trabajo de 0,7 m dan la libertad de usar cualquier impresora 3D disponible. Fundamentalmente, el LSI es sensible a los movimientos nanoscópicos y, por lo tanto, las vibraciones del entorno y del proceso de impresión en sí deben minimizarse17. Por ejemplo, realizar otra tarea en la misma mesa o cerrar una puerta causará interferencias. Por lo tanto, uno debe caminar cuidadosamente alrededor de la configuración; Sin embargo, las luces de la habitación o el flujo de aire generalmente no interfieren con el proceso.
LSI proporciona información detallada sobre el proceso de unión de capas y se puede aplicar tan fácilmente como las imágenes IR. Prevemos que LSI tiene un gran potencial para ayudar al desarrollo y la comprensión de métodos avanzados de impresión 3D. El barrido de velocidad del ventilador de refrigeración muestra una visión de lo que es posible al combinar LSI con impresión 3D. Como se discutió en la introducción, la velocidad de enfriamiento óptima es un equilibrio entre mantener el plástico fundido durante el tiempo suficiente para mejorar la unión de la capa y enfriarlo lo suficientemente rápido como para evitar el flujo. Los resultados de la velocidad del ventilador de enfriamiento del 40% -100% fueron muy similares; De hecho, estas velocidades del ventilador no mostraron ningún flujo y produjeron una buena calidad de superficie. Con la velocidad del ventilador de enfriamiento del 0%, el material comenzó a fluir lejos de la ubicación impresa, pero se observó una amplia unión de capas en la medición LSI. Según nuestros resultados, la velocidad del ventilador de enfriamiento del 20% podría ser óptima para lograr una unión de la capa ligeramente mejorada sin comprometer la calidad de la superficie. Sin embargo, para sacar conclusiones que puedan aplicarse en la práctica, se deben evaluar más velocidades de ventilador de refrigeración entre 0% y 40%. También es deseable establecer medidas cuantitativas para la calidad de la superficie y la resistencia del material para obtener una visión objetiva y completa de los efectos del movimiento del polímero en las propiedades deseadas. Con esta adición, el enfoque podría hacerse más poderoso para evaluar los avances creativos de la impresión 3D.
Los ajustes exactos que se eligen para el análisis LSI no son propensos a errores críticos, siempre que las fases de plástico similar a líquido y plástico sólido se puedan distinguir claramente. El movimiento del polímero cambia drásticamente al cruzar las temperaturas de fusión y transición vítrea, por lo que una amplia gama de configuraciones LSI capturan bien el contraste. Esto se puede probar fácilmente con una impresión de prueba de un objeto sencillo (por ejemplo, una pared recta) con la configuración de la impresora 3D recomendada por el proveedor del material. Para los usuarios más avanzados de LSI, profundizar en el rango de frecuencia puede proporcionar información adicional, ya que se pueden distinguir cuantitativamente diferentes tipos de movimiento del polímero. Por ejemplo, el movimiento del polímero de alta frecuencia está asociado con las temperaturas más altas, que solo están presentes cerca del cabezal de la impresora. El movimiento del polímero de baja frecuencia se asocia con temperaturas moderadas, que están presentes en un área mucho más grande alrededor del cabezal de la impresora y también durante mucho más tiempo17. Se debe examinar si el grado de unión para el movimiento acumulativo de polímeros de baja frecuencia podría ser igual al del movimiento corto de alta frecuencia (por ejemplo, con análisis mecánico dinámico). La mayoría de las otras configuraciones, como la escala del mapa de colores, el ROI, el intervalo de ahorro y la duración del experimento, se eligen únicamente para dar un resultado visualmente claro y atractivo. En cuanto a la configuración de impresión 3D, también hay mucha libertad, ya que LSI permite al usuario evaluar objetivamente los resultados de cambiar cualquiera de las configuraciones. En particular, cambiar drásticamente la velocidad de impresión cambia la interpretación de los datos LSI. En este trabajo, se utilizó una velocidad de impresión lenta y desplazamiento de 10 mm/s para capturar múltiples imágenes LSI durante una pasada del cabezal de la impresora. Si se utilizara una velocidad de impresión más común de 60 mm/s para PLA, se imprimiría aproximadamente una capa completa por imagen LSI y, por lo tanto, se produciría un promedio dentro de una capa. Si se experimenta con velocidades de gama alta como 300 mm / s y más rápidas, se produciría un promedio de múltiples capas. Sin embargo, esto depende completamente de la geometría de impresión exacta y la configuración de LSI y podría ser fácilmente mitigado por un usuario experimentado de LSI a través del diseño avanzado de la máquina, ajustando el tamaño del campo de visión o utilizando una cámara más rápida. Ambos enfoques requieren un láser más potente, que, en combinación con el cabezal reflectante de la impresora, requiere precauciones de seguridad láser adicionales. La velocidad de impresión relativamente lenta también tiene una influencia positiva en la unión de la capa, ya que se demostró previamente que la transferencia de calor al plástico aumenta con velocidades de impresión máslentas 5.
Una posible nueva dirección para este enfoque es la prueba de nuevos materiales; por ejemplo, LSI podría usarse para visualizar las transiciones relevantes y cuantificar objetivamente la configuración recomendada de la impresora que proporciona una zona de soldadura de cinco capas al aplicar la capa superior. Otra aplicación podría ser estudiar la zona de soldadura en situaciones específicas donde la calidad de impresión no es confiable, como para puentes, voladizos o esquinas afiladas. Si la zona de soldadura en situaciones difíciles se puede entender mejor, debería ser posible compensar en el código G. Ya es una práctica común imprimir la primera capa más caliente y lenta que el resto de capas para lograr una buena adhesión a la placa de construcción18. Prevemos el uso de un corte dinámico de código G similar donde, por ejemplo, el enfriamiento del ventilador podría ajustarse para producir esquinas o puentes. También debería ser posible imprimir el material de la pared exterior con un acabado más liso y el resto del material y relleno más áspero pero más fuerte para maximizar tanto la resistencia del material como la apariencia visual.
Este artículo ha discutido la aplicación de LSI para estudiar el proceso de unión de capas después de la extrusión de plástico. La técnica es excelente para esta tarea, ya que puede visualizar el movimiento del polímero subyacente sin suposiciones a priori en tiempo real durante la impresión 3D. Sin embargo, no proporciona ninguna información sobre la cohesión del material, por lo que se requerirán pruebas adicionales. Los otros inconvenientes discutidos son situacionales; la velocidad de imagen limitada de cuatro imágenes LSI por segundo se puede aumentar con un láser más grande y medidas de seguridad láser adicionales, y la sensibilidad a la vibración requiere precauciones o hardware de reducción de vibración. LSI se puede realizar con cámaras digitales baratas y pequeñas y láseres19,20, lo que permite la integración en prácticamente todas las impresoras 3D para el control de calidad en vivo y el ajuste dinámico de los parámetros de impresión. Sin embargo, tiene más sentido emplear LSI para desarrollar un conocimiento profundo de la unión de capas durante la impresión 3D. Si esta comprensión se utiliza para desarrollar un software de corte más avanzado, cada impresora 3D de consumo podría beneficiarse del conocimiento adquirido.
Divulgaciones
Jesse Buijs está en el proceso de comenzar una empresa de nueva creación que vende el instrumento LSI y el software que se utilizan en este artículo. Los demás autores declaran no tener conflictos de intereses.
Agradecimientos
Los autores no recibieron financiación externa.
Materiales
Software Software avanzado de
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| de dibujo 3D | Autodesk TinkerCad | tinkercad.com | |
| Impresora 3D | Prusa3D | Original Prusa i3 MK3S | |
| análisis de datos | MathWorks | MATLAB R2018b | |
| Software de visualización de imágenes | Institutos Nacionales de Salud | ImageJ 1.47v | |
| Instrumento LSI | NanoMoI | NanoMoi todoterreno | La empresa se fundará en 2023 |
| Filamento de ácido poliláctico (PLA) | Filamento REAL blanco 1,75 mm PLA 1 kg | ||
| Software de corte | Prusa3D | PrusaSlicer-2.5.0 |
Referencias
- 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. Fusion bonding/welding of thermoplastic composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 17 (4), 303-341 (2004).
- 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).
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