Avec une technique non invasive et en temps réel, le mouvement nanoscopique du polymère à l’intérieur d’un filament polymère est imagé pendant l’impression 3D. Le réglage fin de ce mouvement est crucial pour produire des constructions avec des performances et une apparence optimales. Cette méthode atteint le cœur de la fusion des couches plastiques, offrant ainsi un aperçu des conditions d’impression optimales et des critères de conception des matériaux.
Article de méthode
Imagerie en temps réel du collage dans des couches imprimées en 3D
Dans cet article
Résumé
Résumé
Ces derniers temps, la technologie d’impression 3D a révolutionné notre capacité à concevoir et à produire des produits, mais l’optimisation de la qualité d’impression peut être difficile. Le processus d’extrusion d’impression 3D consiste à presser un matériau fondu à travers une buse mince et à le déposer sur un matériau préalablement extrudé. Cette méthode repose sur la liaison entre les couches consécutives pour créer un produit final solide et visuellement attrayant. Ce n’est pas une tâche facile, car de nombreux paramètres, tels que la température de la buse, l’épaisseur de la couche et la vitesse d’impression, doivent être affinés pour obtenir des résultats optimaux. Dans cette étude, une méthode de visualisation de la dynamique du polymère pendant l’extrusion est présentée, donnant un aperçu du processus de liaison de la couche. En utilisant l’imagerie par mouchetage laser, le flux et la fusion du plastique peuvent être résolus de manière non invasive, interne et avec une résolution spatio-temporelle élevée. Cette mesure, facile à réaliser, permet de comprendre en profondeur les mécanismes sous-jacents influençant la qualité d’impression finale. Cette méthodologie a été testée avec une gamme de vitesses de ventilateur de refroidissement, et les résultats ont montré une augmentation du mouvement du polymère avec des vitesses de ventilateur plus faibles et, par conséquent, expliquaient la mauvaise qualité d’impression lorsque le ventilateur de refroidissement était éteint. Ces résultats montrent que cette méthodologie permet d’optimiser les paramètres d’impression et de comprendre le comportement des matériaux. Ces informations peuvent être utilisées pour le développement et la mise à l’essai de nouveaux matériaux d’impression ou de procédures avancées de tranchage. Avec cette approche, une compréhension plus profonde de l’extrusion peut être construite pour faire passer l’impression 3D au niveau supérieur.
Introduction
La méthode d’impression 3D est une technique de fabrication additive dans laquelle un objet est fabriqué couche par couche pour former la forme souhaitée. Cette méthode a une base d’utilisateurs large et diversifiée grâce à sa polyvalence, son prix abordable et sa facilité d’utilisation. La modélisation par dépôt de fil fondu comporte une extrudeuse mobile (d’un diamètre de centaines de microns à quelques millimètres) pour déposer du plastique fondu dans la forme souhaitée1. Le plastique extrudé doit se comporter de manière liquide pendant une certaine durée pour obtenir une bonne fusion avec le plastique précédemment imprimé et former un matériau fortement cohésif. Cependant, le plastique doit refroidir et se solidifier rapidement après l’impression pour éviter qu’il ne s’écoule loin de l’emplacement d’impression et ne réduise la qualité d’impression. Il a été démontré que cette interaction délicate entre le chauffage et le refroidissement sous-tend directement l’équilibre entre la résistance mécanique et la précision géométrique de l’objet final imprimé en 3D2. Pour obtenir l’équilibre chaleur-refroidissement optimal, le plastique est extrudé à une température juste au-dessus de sa température de fusion, et une tête de ventilateur, fixée à l’imprimante, est utilisée pour refroidir rapidement le plastique. Une compréhension approfondie des effets des températures d’impression et des vitesses de refroidissement pourrait fournir les informations nécessaires au développement de protocoles avancés de découpage et d’impression qui maximisent les résultats mécaniques ou géométriques dans les domaines où ils sont les plus importants. Les efforts pour mieux comprendre ces processus reposent souvent sur l’imagerie infrarouge (IR), qui ne visualise que la température de surface 3,4,5 et n’indique pas la température interne du plastique. Le chauffage local au-delà de la transition de fusion augmente considérablement la mobilité du polymère et, ainsi, permet l’enchevêtrement du polymère entre l’ancien et le nouveau matériau. Ce mouvement du polymère amélioré dans le temps est une exigence pour la formation du matériau cohésif final 6,7, mais l’imagerie IR ne peut mesurer le mouvement du polymère qu’indirectement à travers la température de surface 8,9. La traduction de la température de surface en liaison de couche nécessite donc une connaissance précise du gradient de température noyau-surface et de la dynamique complexe des polymères associée sur une gamme d’échelles de temps et de longueur. Une mesure directe de la liaison de la couche (c.-à-d. le processus d’enchevêtrement des polymères) permettrait de visualiser le mécanisme sous-jacent à la cohésion des matériaux en vrac sans information ou hypothèse a priori.
Pour comprendre la distribution spatiale et temporelle de la liaison des couches, une technique d’imagerie qui quantifie directement la dynamique des polymères qui composent le filament plastique est utilisée dans ce travail. Cette technique, l’imagerie par mouchetage laser (LSI), repose sur la diffusion interférométrique de la lumière pour visualiser les mouvements nanoscopiques, indépendamment de la composition chimique. Selon les propriétés optiques de l’échantillon, il peut mesurer avec précision plusieurs millimètres à centimètres dans des matériaux non transparents10,11,12, contrairement à l’imagerie IR, qui ne rapporte que les températures de surface 8,9. Ces attributs ont récemment rendu les méthodes basées sur le mouchetage populaires dans la compréhension des processus dynamiques dans une pléthore de matériaux, bien qu’elles aient été développées à l’origine pour des applications médicales10,11,12. Récemment, le LSI a été utilisé pour mieux comprendre le comportement de matériaux polymères avancés tels que les réseaux de polymères à cristaux liquides autonettoyants 13,14, ainsi que pour prédire la fracture du caoutchouc15 et pour étudier les matériaux auto-cicatrisants16.
La faisabilité de l’application de LSI à l’impression 3D a été présentée dans un article précédent17, où une configuration LSI portable avec des capacités d’analyse en temps réel a été présentée, et il a été démontré que le dépôt de plastique fondu entraîne une augmentation du mouvement du polymère de plusieurs couches sous la couche actuelle. Dans l’article présenté ici, des recherches systématiques sur les effets de la vitesse du ventilateur de refroidissement sur le degré de liaison multicouche sont effectuées. Une version plug-and-play améliorée de l’instrument portable est utilisée qui peut être utilisée par des utilisateurs sans optique ou expertise en programmation. Les images de mouchetures sont analysées en temps réel à l’aide des transformées de Fourier17, qui visualisent l’amplitude des fluctuations d’intensité du mouchetage. Cet instrument dispose d’une caméra en fond clair supplémentaire alignée sur la caméra speckle afin que les cartes de mouvement LSI puissent être superposées avec les images en fond clair pour une interprétation plus facile sans que la lumière en fond clair n’affecte les cartes de mouvement. L’approche expérimentale présentée dans cet article peut être utilisée pour mieux comprendre la fusion, le collage des couches et la solidification du plastique extrudé lors de l’impression 3D de géométries et de matériaux difficiles.
Protocole
1. Configuration et alignement de l’instrument LSI avec l’imprimante 3D
- Placez l’imprimante 3D sur une surface stable pour minimiser les vibrations. Placez l’instrument LSI à côté de celui-ci afin que la caméra ait une vue claire de la zone d’impression. Placez l’instrument LSI légèrement plus haut que la plaque de construction de l’imprimante 3D et inclinez-le très légèrement vers le bas afin que la vue ne soit pas obstruée.
- Activez l’éclairage laser et le fond clair, et vérifiez qu’ils sont alignés avec la zone d’imagerie. Réglez la puissance laser sur 20 mW, assurez-vous que le laser sort du boîtier de configuration étendu sur une grande surface (plusieurs centimètres carrés) et assurez-vous que la densité de puissance est suffisamment faible (plusieurs fois inférieure à celle d’un pointeur laser) pour être utilisée in situ sans mesures de sécurité supplémentaires telles que des lunettes laser ou des boîtiers noirs.
ATTENTION : Ne regardez pas directement dans le laser. - Commencez par une impression de test (par exemple, Fichier de codage supplémentaire 1 ou Fichier de codage supplémentaire 2) pour faciliter l’alignement et la configuration expérimentale (étapes 1.3-1.6). Assurez-vous que la caméra LSI est focalisée sur la zone d’impression.
- Lors de ce premier test d’impression, alignez de manière optimale l’éclairage et l’appareil photo numérique. Ajustez la direction du laser de sorte que toute la zone d’imagerie soit éclairée de manière homogène et réglez le diaphragme de sorte que la taille du moucheture soit légèrement supérieure à la taille des pixels.
- Optimisez la fréquence d’images et le temps d’exposition de sorte que le nombre de pixels sous-exposés et surexposés soit réduit pour atteindre la plage dynamique maximale.
- Choisissez les bons paramètres pour l’analyse des données LSI en direct ; Plus important encore, sélectionnez la fréquence qui produit le meilleur contraste d’imagerie entre le plastique fondu et solidifié. Ajustez la région d’intérêt (ROI) et la mise à l’échelle de la carte de couleurs. Dans ce cas, une longueur de série de Fourier de 16 a été choisie et l’amplitude de la deuxième fréquence a été visualisée. Comme le taux de collecte d’images de mouchetures est de 50 images par seconde, la fréquence visualisée est de 6,25 Hz.
- Préparez l’instrument LSI pour capturer les images pour une expérience d’impression 3D. Choisissez la fréquence et la durée d’enregistrement des images. Dans ce cas, les images ont été enregistrées toutes les 0,25 s afin que plusieurs images soient enregistrées par passage de la tête d’imprimante. Pour chaque expérience, les images ont été sauvegardées pendant 15 minutes car chaque travail d’impression a pris un maximum de 12 minutes.
2. Préparation de la conception de l’impression 3D et du G-code
- Dessinez l’objet à l’aide d’un logiciel de dessin 3D de votre choix et exportez-le sous forme de fichier .stl. Dans ce cas, un mur avec des crêtes et des trous a été utilisé, ce qui est illustré à la figure 1 et peut être téléchargé à partir du fichier de codage supplémentaire 1.
- Importez le fichier .stl dans le logiciel de tranchage et choisissez les paramètres d’impression. Ces réglages dépendront du choix du matériau et du modèle d’imprimante 3D ; pour le cas utilisé dans cette étude, utilisez les paramètres indiqués dans le tableau 1. Utilisez un filament qui est de préférence blanc ou de toute couleur qui diffuse la lumière laser sans absorption significative.
- Appuyez sur le bouton Slice du logiciel de découpage pour obtenir les calques et le trajet de la tête d’impression. Le fichier de configuration du logiciel de découpage se trouve dans le fichier de codage supplémentaire 3.
- Enregistrez le G-code résultant (Supplementary Coding File 2) et envoyez-le à l’imprimante 3D.
Figure 1 : Conception d’objets. Vue 3D (gauche) et vue 2D (droite) sur le côté, l’avant et le haut de la conception de l’objet. La grille représente 1,0 mm x 1,0 mm, avec 1,0 cm x 1,0 cm en gras. Le mur mesure 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (largeur x hauteur x profondeur), et les arêtes ont une largeur de 1,0 mm, ont une profondeur de 0,4 mm et sont séparées par 1,0 mm. Les fenêtres ont une largeur de 1,0 mm et une hauteur de 2,0 mm. La conception 3D se trouve dans le fichier de codage supplémentaire 1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Propriété/cadre | Valeur |
| Filament | Acide polylactique (PLA), blanc |
| Diamètre de la buse | 0,4 mm |
| Épaisseur de couche | 0,2 mm |
| Température de la buse | 210 °C |
| Vitesse du ventilateur de refroidissement | 100% |
| Vitesse d’impression | 10 mm/s |
| Vitesse de déplacement | 10 mm/s |
| Température du lit | 60 °C |
Tableau 1 : Paramètres d’impression 3D. Paramètres et propriétés de l’imprimante utilisés pour découper la conception de l’objet. Pour la deuxième expérience, la vitesse du ventilateur a été modifiée manuellement à 0%.
3. Réalisation de l’expérience
- Démarrez l’imprimante 3D et attendez la fin de la période de préchauffage.
- La mesure LSI peut être démarrée à tout moment, mais pour éviter toute sauvegarde inutile des données, démarrez la mesure LSI lorsque le plastique commence à s’extruder.
- Attendez que l’imprimante 3D ait terminé, puis arrêtez la mesure LSI.
- Chargez les données résultantes dans un logiciel de visualisation d’images et inspectez visuellement l’objet imprimé. Comparez les mouvements mesurés du polymère plastique pendant l’impression avec l’intégrité structurelle finale et la qualité de surface.
Résultats
Un objet simple a été dessiné comme cible d’essai pour les expériences : un mur avec des crêtes à l’arrière, deux fenêtres et un grand trou (Figure 1). L’objet a été découpé avec les paramètres et propriétés de l’imprimante répertoriés dans le Tableau 1.
L’instrument LSI a été aligné avec l’imprimante 3D et l’expérience a été réalisée. La configuration conviviale comprend une caméra à fond clair supplémentaire, ce qui facilite l’alignement et permet une comparaison facile entre l’extrusion de plastique et le mouvement du polymère mesuré. Les caméras speckle et brightfield sont toutes deux équipées de filtres optiques qui empêchent les interférences de l’autre canal. Vous trouverez plus de détails techniques sur la configuration dans le dossier supplémentaire 1, et une explication de la routine d’analyse est présentée dans le dossier supplémentaire 2. Les points saillants des résultats de cette expérience sont présentés à la figure 2, et le film complet peut être trouvé dans le film supplémentaire 1. Comme indiqué précédemment, l’expérience peut être réalisée tout aussi bien avec un instrument construit à la maison17.
Figure 2 : Time-lapse de l’impression avec une vitesse de ventilateur de refroidissement de 100 %. À gauche : Fond clair, image de face de l’objet lorsque l’imprimante est presque terminée. La qualité de l’impression semble bonne à l’inspection; Bien que la surface montre les lignes de couche, la géométrie globale conçue a été produite. À droite : quatre instantanés LSI de la région délimitée en blanc pendant le processus d’impression ; les flèches bleues indiquent la position de la tête d’impression au moment de l’instantané, car les images LSI ne correspondent pas dans le temps à l’image en fond clair. Les couleurs plus claires dans chaque instantané indiquent une augmentation du mouvement du polymère, qui est observée dans les couches imprimées les plus récentes. Notez que la région avec un mouvement accru (la zone de soudage) a plusieurs couches d’épaisseur. Le film détaillé complet de l’expérience est disponible dans le film supplémentaire 1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
En complément de ces résultats, l’impression a été inspectée visuellement; Comme prévu pour ces filaments polymères et paramètres d’impression couramment utilisés, la qualité était bonne. La géométrie conçue a en effet été reproduite, et la surface était égale, avec une petite ligne visible sur chaque couche. Avec les données LSI, il a été possible d’obtenir un aperçu approfondi du processus d’impression. Le plastique fraîchement extrudé était visible comme très mobile, et la mobilité diminuait progressivement à mesure qu’il se refroidissait. La hauteur de la zone à grande mobilité (c.-à-d. la zone de soudage) était de quatre à cinq couches d’épaisseur tout au long de la procédure d’impression, ce qui indique une durée bien définie de fusion des couches.
L’expérience a été répétée avec la vitesse du ventilateur de refroidissement ajustée manuellement à 0%. Avec ce réglage, le plastique ne refroidissait pas assez vite, ce qui affectait la qualité d’impression. Les faits saillants des résultats sont présentés à la figure 3, et le film détaillé complet se trouve dans le film supplémentaire 2.
Figure 3 : Time-lapse de l’impression avec une vitesse de ventilateur de refroidissement de 0 %. À gauche : Fond clair, image de face de l’objet lorsque l’imprimante est presque terminée. La qualité visuelle de l’impression semble médiocre; La surface présente des lignes de couche irrégulières et de grosses taches. De plus, la géométrie globale conçue a été imparfaitement reproduite; Notamment, les fenêtres et les trous sont déformés. À droite : quatre instantanés LSI de la région délimitée en blanc pendant le processus d’impression ; les flèches bleues indiquent la position de la tête d’impression au moment de l’instantané, car les images LSI ne correspondent pas dans le temps à l’image en fond clair. Les couleurs plus claires dans chaque instantané indiquent une augmentation du mouvement du polymère, qui peut être observé dans tout l’objet. Le film détaillé complet de l’expérience est disponible dans le film supplémentaire 2. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Conformément aux attentes, l’inspection visuelle de la construction imprimée en 3D a en effet montré une mauvaise qualité d’impression. Les couches étaient inégalement réparties et la géométrie conçue était reproduite avec des déformations. Une comparaison des images en fond clair de la Figure 2 et de la Figure 3 montre l’effet majeur du ventilateur de refroidissement sur la qualité de surface et la forme du résultat d’impression. L’origine de cet effet a été déterminée en comparant les résultats de l’IGL de la figure 2 et de la figure 3. Avec une vitesse de refroidissement de 100% du ventilateur, un mouvement accru du polymère a été observé dans une région située à seulement quelques couches sous le plastique extrudé. Par conséquent, chaque couche a été liquéfiée modérément plusieurs fois pour obtenir une liaison de couche sans écoulement plastique. Avec la vitesse du ventilateur de refroidissement de 0%, un mouvement accru du polymère a été observé dans tout l’objet. Ainsi, chaque couche a été liquéfiée plusieurs fois et extrêmement proche du plastique fraîchement extrudé, ce qui a entraîné une perte de précision géométrique par écoulement plastique.
Pour obtenir une vue plus quantitative de l’effet du ventilateur de refroidissement dans des situations plus modérées, la vitesse du ventilateur de refroidissement a été systématiquement modifiée. La conception de l’objet a été simplifiée à un mur de 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (largeur x hauteur x profondeur) sans trous ni crêtes. Les mêmes paramètres d’impression que dans le tableau 1 ont été utilisés. L’expérience a été réalisée 12 fois, avec des vitesses de ventilateur de refroidissement de 0%, 20%, 40%, 60%, 80% et 100%, chacune en double. Les films résultants peuvent être trouvés dans Films supplémentaires 3, Film supplémentaire 4, Film supplémentaire 5, Film supplémentaire 6, Film supplémentaire 7 et Film supplémentaire 8, ainsi que Fichier de codage supplémentaire 6, Fichier de codage supplémentaire 7, Fichier de codage supplémentaire 8, Fichier de codage supplémentaire 9, Fichier de codage supplémentaire 10 et Fichier de codage supplémentaire 11.
Pour comparer quantitativement les zones de soudage pour différentes vitesses de ventilateur, une analyse avancée des données a été effectuée sur les résultats LSI. Le but de cette analyse de données était d’obtenir un profil de hauteur de l’étendue du mouvement du polymère dans la zone de soudage. Le script MATLAB entièrement commenté associé se trouve dans le fichier de codage supplémentaire 4 et est décrit brièvement. Pour chaque image LSI du film, un profil de hauteur est calculé en prenant la moyenne le long de la direction horizontale. Les profils des images où se trouve la tête d’impression dans le ROI montrent un pic distinct autour de la zone de soudage. Pour sélectionner exclusivement ces profils, seuls les profils avec un pic supérieur à 8 dB sont pris en compte. Les profils dans lesquels ce pic est trop proche du bord du ROI sont également écartés. Les positions de pic de tous les profils sont ensuite alignées pour donner un profil moyen par rapport à la hauteur à laquelle les polymères sont les plus mobiles. Les profils résultants pour les six vitesses différentes des ventilateurs de refroidissement sont représentés à la figure 4.
Figure 4 : Profils de hauteur pour la variation systématique de la vitesse du ventilateur de refroidissement. À gauche : Les profils de zone de soudage pour des vitesses de ventilateur de refroidissement de 100 % (noir), 80 % (bleu), 60 % (violet), 40 % (rouge), 20 % (orange) et 0 % (jaune), obtenus à partir du script d’analyse avancée des données dans le fichier de codage supplémentaire 4. La région ombrée est l’écart-type entre les expériences en double. Le schéma de droite explique la procédure de calcul de la moyenne pour obtenir le profil d’une image LSI typique. En alignant les maximums des pics de tous les profils obtenus, on obtient la zone de soudage. Le maximum de la zone de soudage (hauteur relative = 0) est la hauteur à laquelle les polymères sont les plus mobiles. Des films LSI et en fond clair détaillés de chaque expérience sont disponibles dans Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 et Supplementary Movie 8. L’objetimprimé pour cette figure se trouve dans le fichier de codage supplémentaire 5, avec les fichiers de code G correspondants dans le fichier de codage supplémentaire 6. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les profils de zone de soudage pour un refroidissement à 40% à 100% étaient presque identiques. La zone de soudage pour le refroidissement à 20% avait un épaulement atteignant plusieurs couches plus profondes. La zone de soudage pour le refroidissement à 0 % s’étendait sur toute la surface mesurée. La hauteur à laquelle les polymères étaient les plus mobiles se situait dans ou légèrement en dessous de la couche imprimée la plus récente. Ce phénomène explique la présence d’un signal LSI à des hauteurs relatives positives, car il y a du matériel imprimé au-dessus du pic de mobilité. Dans tous les cas, la zone de soudage a atteint une profondeur beaucoup plus profonde que l’épaisseur de la couche de 0,2 mm.
Fichier supplémentaire 1 : Configuration du LSI.xls. Paramètres matériels de l’instrument LSI utilisé ici. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 2 : Analyse LSI.docx. Explication de la conversion des images brutes en images LSI. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Film supplémentaire 1 : LSI et film en fond clair de l’expérience décrite à la figure 2. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Film supplémentaire 2 : LSI et film en fond clair de l’expérience décrite à la figure 3. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Film supplémentaire 3 : L’expérience de vitesse du ventilateur de refroidissement à 100 % décrite à la figure 4. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Film supplémentaire 4 : L’expérience de vitesse du ventilateur de refroidissement à 80 % décrite à la figure 4. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Film supplémentaire 5 : L’expérience de vitesse du ventilateur de refroidissement à 60 % décrite à la figure 4. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Film supplémentaire 6 : L’expérience de vitesse du ventilateur de refroidissement à 40 % décrite à la figure 4. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Film supplémentaire 7 : L’expérience de vitesse du ventilateur de refroidissement de 20 % décrite à la figure 4. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Film supplémentaire 8 : L’expérience de vitesse du ventilateur de refroidissement à 0 % décrite à la figure 4. Le film est lu à une vitesse de 12,5x en temps réel. La partie supérieure est le résultat LSI, et la partie inférieure est la vue en fond clair synchronisée avec le LSI ROI indiqué. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce film.
Fichier de codage supplémentaire 1 : wall_with_holes.stl. Conception 3D de l’objet décrit à la figure 1. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 2 : wall_with_holes.gcode. L’objet découpé wall_with_holes.stl avec les paramètres du tableau 1. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 3 : config.ini. Fichier de configuration du logiciel de tranchage. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 4 : AdvancedDataAnalysis_FanSpeed h Script permettant d’effectuer l’analyse avancée des données sur les données de balayage du ventilateur de refroidissement et de tracer la figure 4. Le script est entièrement commenté. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 5 : wall.stl. Conception 3D de l’objet utilisé pour collecter les données de la figure 4. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Discussion
Les expériences et les résultats décrits dans cette recherche montrent que le LSI est un outil facile à appliquer qui permet une compréhension plus approfondie du collage des couches lors de la fabrication additive. LSI permet la mesure directe du mouvement du polymère, qui doit être finement réglé pour former un matériau cohérent par l’interpénétration et l’enchevêtrement ultérieur des chaînes polymères. L’alternative la plus courante pour mesurer la liaison de couche in situ est l’imagerie infrarouge 3,4,5. Cette méthode bien établie image la température de surface locale du plastique8,9, qui est une mesure indirecte du mouvement du polymère à l’intérieur du matériau. Avec un plastique plus chaud, le mouvement est plus rapide et la liaison devient plus forte. Cependant, la relation entre la température et le mouvement n’est pas linéaire, car les températures d’impression croisent les températures de fusion et de transition vitreuse 6,7. Cette relation non triviale peut être directement observée dans les images LSI; Plus précisément, il y a une transition nette entre les régions supérieures liquides et les régions inférieures solides, tandis que le gradient de température devrait être beaucoup plus progressif. Un autre inconvénient de l’imagerie IR est qu’elle mesure uniquement la température de surface, tandis que LSI mesure le mouvement du polymère généralement à plusieurs millimètres de profondeur à l’intérieur du matériau.
Tout comme pour l’imagerie IR, cette implémentation de LSI est essentiellement une méthode point-and-shoot ; Il peut être utilisé in situ si la caméra peut être pointée vers la région d’intérêt. Le trépied polyvalent et la longue distance de travail de 0,7 m donnent la liberté d’utiliser n’importe quelle imprimante 3D disponible. Fondamentalement, LSI est sensible aux mouvements nanoscopiques et, par conséquent, les vibrations de l’environnement et du processus d’impression lui-même doivent être minimisées17. Par exemple, effectuer une autre tâche sur la même table ou claquer une porte provoquera des interférences. Par conséquent, il faut se promener soigneusement dans la configuration; Cependant, les lumières ambiantes ou le flux d’air n’interfèrent généralement pas avec le processus.
LSI donne un aperçu détaillé du processus de liaison des couches et peut être appliqué aussi facilement que l’imagerie IR. Nous envisageons que LSI a un grand potentiel pour aider au développement et à la compréhension des méthodes d’impression 3D avancées. Le balayage de la vitesse du ventilateur de refroidissement montre un aperçu de ce qui est possible en combinant LSI avec l’impression 3D. Comme indiqué dans l’introduction, la vitesse de refroidissement optimale est un équilibre entre le maintien du plastique fondu suffisamment longtemps pour améliorer la liaison des couches et son refroidissement suffisamment rapide pour empêcher l’écoulement. Les résultats de la vitesse du ventilateur de refroidissement de 40 % à 100 % étaient très similaires; En effet, ces vitesses de ventilateur ne montraient aucun débit et produisaient une bonne qualité de surface. Avec la vitesse du ventilateur de refroidissement de 0%, le matériau a commencé à s’écouler loin de l’emplacement imprimé, mais une liaison de couche importante a été observée dans la mesure LSI. Sur la base de nos résultats, la vitesse du ventilateur de refroidissement de 20% pourrait être optimale pour obtenir un collage de couche légèrement amélioré sans compromettre la qualité de la surface. Cependant, pour tirer des conclusions qui peuvent être appliquées dans la pratique, il faut évaluer des vitesses de ventilateur de refroidissement supérieures entre 0% et 40%. Il est également souhaitable d’établir des mesures quantitatives de la qualité de surface et de la résistance du matériau afin d’obtenir une vue objective et complète des effets du mouvement du polymère sur les propriétés souhaitées. Avec cet ajout, l’approche pourrait être rendue plus puissante pour évaluer les avancées créatives de l’impression 3D.
Les paramètres exacts choisis pour l’analyse LSI ne sont pas sujets à des erreurs critiques tant que les phases plastique de type liquide et plastique de type solide peuvent être clairement distinguées. Le mouvement du polymère change radicalement lorsqu’il traverse les températures de fusion et de transition vitreuse, de sorte qu’une large gamme de réglages LSI capturent bien le contraste. Cela peut être facilement testé avec un test d’impression d’un objet simple (par exemple, un mur droit) avec les paramètres de l’imprimante 3D recommandés par le fournisseur de matériaux. Pour les utilisateurs LSI plus avancés, approfondir la gamme de fréquences peut fournir des informations supplémentaires, car différents types de mouvement des polymères peuvent être distingués quantitativement. Par exemple, le mouvement des polymères à haute fréquence est associé aux températures les plus élevées, qui ne sont présentes qu’à proximité de la tête d’imprimante. Le mouvement du polymère à basse fréquence est associé à des températures modérées, qui sont présentes dans une zone beaucoup plus grande autour de la tête d’imprimante et aussi pendant une période beaucoup plus longue17. Il faut examiner si le degré de liaison pour le mouvement cumulatif des polymères à basse fréquence pourrait être égal à celui d’un mouvement court à haute fréquence (p. ex., avec une analyse mécanique dynamique). La plupart des autres paramètres, tels que la mise à l’échelle de la carte des couleurs, le retour sur investissement, l’intervalle d’enregistrement et la durée de l’expérience, sont uniquement choisis pour donner un résultat visuellement clair et attrayant. En ce qui concerne les paramètres d’impression 3D, il y a aussi beaucoup de liberté, car LSI permet à l’utilisateur d’évaluer objectivement les résultats de la modification de l’un des paramètres. Notamment, la modification drastique de la vitesse d’impression modifie l’interprétation des données LSI. Dans ce travail, une vitesse d’impression lente et de déplacement de 10 mm/s a été utilisée afin de capturer plusieurs images LSI en un seul passage de la tête d’impression. Si une vitesse d’impression plus courante de 60 mm/s pour le PLA était utilisée, environ une couche complète serait imprimée par image LSI, et, par conséquent, une moyenne à l’intérieur d’une couche se produirait. Si vous expérimentez avec des vitesses haut de gamme telles que 300 mm/s et plus, une moyenne sur plusieurs couches se produirait. Néanmoins, cela dépend entièrement de la géométrie d’impression exacte et des paramètres LSI et pourrait être facilement atténué par un utilisateur LSI expérimenté grâce à une conception avancée de la machine, à l’ajustement de la taille du champ de vision ou à l’utilisation d’une caméra plus rapide. Les deux approches nécessitent un laser plus puissant, qui, en combinaison avec la tête d’imprimante réfléchissante, nécessite des précautions de sécurité laser supplémentaires. La vitesse d’impression relativement lente a également une influence positive sur le collage de la couche, car il a déjà été prouvé que le transfert de chaleur au plastique augmente avec des vitesses d’impression plus lentes5.
Une nouvelle orientation possible pour cette approche est la mise à l’essai de nouveaux matériaux; par exemple, LSI pourrait être utilisé pour visualiser les transitions pertinentes et quantifier objectivement les paramètres d’imprimante recommandés qui donnent une zone de soudage à cinq couches lors de l’application de la couche supérieure. Une autre application pourrait être d’étudier la zone de soudage dans des situations spécifiques où la qualité d’impression n’est pas fiable, comme pour les ponts, les porte-à-faux ou les angles vifs. Si la zone de soudage dans les situations difficiles peut être mieux comprise, il devrait être possible de compenser dans le code G. Il est déjà courant d’imprimer la première couche plus chaude et plus lente que le reste des couches pour obtenir une bonne adhérence à la plaque de construction18. Nous envisageons l’utilisation d’un découpage dynamique G-code similaire où, par exemple, le refroidissement du ventilateur pourrait être ajusté pour produire des coins ou des ponts. Il devrait également être possible d’imprimer le matériau de la paroi extérieure avec une finition plus lisse et le reste du matériau et du remplissage plus rugueux mais plus résistant pour maximiser à la fois la résistance du matériau et l’aspect visuel.
Cet article a discuté de l’application de LSI pour étudier le processus de collage de couche après extrusion de plastique. La technique est excellente pour cette tâche, car elle peut visualiser le mouvement sous-jacent du polymère sans hypothèses a priori en temps réel pendant l’impression 3D. Cependant, il ne donne aucune information sur la cohésion du matériau, de sorte que des tests supplémentaires seront nécessaires. Les autres inconvénients discutés sont d’ordre situationnel; la vitesse d’imagerie limitée de quatre images LSI par seconde peut être augmentée avec un laser plus grand et des mesures de sécurité laser supplémentaires, et la sensibilité aux vibrations nécessite des précautions ou du matériel de réduction des vibrations. LSI peut être réalisé avec des appareils photo numériques et des lasersbon marché et petits 19,20, ce qui permet une intégration dans pratiquement toutes les imprimantes 3D pour un contrôle qualité en direct et un réglage dynamique des paramètres d’impression. Cependant, il est plus logique d’utiliser LSI pour développer une connaissance approfondie du collage de couches lors de l’impression 3D. Si cette compréhension est utilisée pour développer un logiciel de tranchage plus avancé, chaque imprimante 3D grand public pourrait bénéficier des connaissances acquises.
Déclarations de divulgation
Jesse Buijs est en train de démarrer une start-up qui vend l’instrument et le logiciel LSI utilisés dans cet article. Les autres auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Remerciements
Les auteurs n’ont reçu aucun financement externe.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Logiciel de dessin 3D | Autodesk | TinkerCad | tinkercad.com |
| Imprimante 3D | Prusa3D | Original Prusa i3 MK3S | |
| Logiciel avancé d’analyse de données | MathWorks | MATLAB R2018b | |
| Logiciel de visualisation | d’images National Institutes of Health | ImageJ 1.47v | |
| LSI | instrument NanoMoI | NanoMoi allround | Entreprise à créer en 2023 |
| Filament d’acide polylactique (PLA) | VRAI | filament blanc 1,75 mm PLA 1 kg | |
| Logiciel de tranchage | Prusa3D | PrusaSlicer-2.5.0 |
Références
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Réimpressions et autorisations
