Con una tecnica non invasiva e in tempo reale, il movimento nanoscopico del polimero all'interno di un filamento polimerico viene visualizzato durante la stampa 3D. La messa a punto di questo movimento è fondamentale per produrre costrutti con prestazioni e aspetto ottimali. Questo metodo raggiunge il nucleo della fusione degli strati di plastica, offrendo così approfondimenti sulle condizioni di stampa ottimali e sui criteri di progettazione dei materiali.
Articolo metodologico
Imaging in tempo reale del legame in strati stampati in 3D
In questo articolo
Sommario
Abstract
Negli ultimi tempi, la tecnologia di stampa 3D ha rivoluzionato la nostra capacità di progettare e produrre prodotti, ma ottimizzare la qualità di stampa può essere difficile. Il processo di estrusione della stampa 3D comporta la pressione del materiale fuso attraverso un ugello sottile e il deposito su materiale precedentemente estruso. Questo metodo si basa sul legame tra gli strati consecutivi per creare un prodotto finale forte e visivamente accattivante. Questo non è un compito facile, poiché molti parametri, come la temperatura dell'ugello, lo spessore dello strato e la velocità di stampa, devono essere ottimizzati per ottenere risultati ottimali. In questo studio, viene presentato un metodo per visualizzare la dinamica del polimero durante l'estrusione, fornendo informazioni sul processo di incollaggio dello strato. Utilizzando l'imaging laser macchikle, il flusso plastico e la fusione possono essere risolti in modo non invasivo, interno e con un'elevata risoluzione spaziotemporale. Questa misurazione, facile da eseguire, fornisce una comprensione approfondita dei meccanismi sottostanti che influenzano la qualità di stampa finale. Questa metodologia è stata testata con una gamma di velocità della ventola di raffreddamento e i risultati hanno mostrato un aumento del movimento del polimero con velocità della ventola inferiori e, quindi, hanno spiegato la scarsa qualità di stampa quando la ventola di raffreddamento è stata spenta. Questi risultati mostrano che questa metodologia consente di ottimizzare le impostazioni di stampa e comprendere il comportamento del materiale. Queste informazioni possono essere utilizzate per lo sviluppo e il collaudo di nuovi materiali di stampa o procedure avanzate di sezionamento. Con questo approccio, è possibile costruire una comprensione più profonda dell'estrusione per portare la stampa 3D al livello successivo.
Introduzione
Il metodo di stampa 3D è una tecnica di produzione additiva in cui un oggetto viene fabbricato strato per strato per formare la forma desiderata. Questo metodo ha una base di utenti ampia e diversificata grazie alla sua versatilità, convenienza e facilità d'uso. La modellazione a deposizione fusa presenta un estrusore mobile (con un diametro da centinaia di micron a un paio di millimetri) per depositare la plastica fusa nella forma desiderata1. La plastica estrusa deve comportarsi in modo liquido per una certa durata per ottenere una buona fusione con la plastica precedentemente stampata e formare un materiale fortemente coeso. Tuttavia, la plastica dovrebbe raffreddarsi e solidificarsi rapidamente dopo la stampa per evitare che la plastica si allontani dalla posizione di stampa e riduca la qualità di stampa. Questa delicata interazione tra riscaldamento e raffreddamento ha dimostrato di sostenere direttamente l'equilibrio tra la resistenza meccanica e la precisione geometrica dell'oggetto finale stampato in 3D2. Per ottenere l'equilibrio ottimale tra riscaldamento e raffreddamento, la plastica viene estrusa a una temperatura appena superiore alla sua temperatura di fusione e una testa della ventola, collegata alla stampante, viene utilizzata per raffreddare rapidamente la plastica. Una comprensione approfondita degli effetti delle temperature di stampa e delle velocità di raffreddamento potrebbe fornire le informazioni necessarie per lo sviluppo di protocolli avanzati di sezionamento e stampa che massimizzino i risultati meccanici o geometrici nelle aree in cui sono più importanti. Gli sforzi per ottenere maggiori informazioni su questi processi spesso si basano sull'imaging a infrarossi (IR), che visualizza solo la temperatura superficiale 3,4,5 e non indica la temperatura interna della plastica. Il riscaldamento locale oltre la transizione di fusione aumenta drasticamente la mobilità del polimero e, quindi, consente l'entanglement del polimero tra il vecchio e il nuovo materiale. Questo movimento polimerico temporalmente potenziato è un requisito per la formazione del materiale coesivo finale6,7, ma l'imaging IR può misurare il movimento del polimero solo indirettamente attraverso la temperatura superficiale 8,9. La traduzione della temperatura superficiale in legame di strati richiede quindi una conoscenza precisa del gradiente di temperatura della superficie del nucleo e della complessa dinamica polimerica associata su una gamma di scale temporali e di lunghezza. Una misurazione diretta del legame dello strato (cioè il processo di entanglement del polimero) consentirebbe la visualizzazione del meccanismo alla base della coesione del materiale sfuso senza informazioni o ipotesi a priori.
Per comprendere la distribuzione spaziale e temporale del legame di strato, in questo lavoro viene impiegata una tecnica di imaging che quantifica direttamente la dinamica dei polimeri che compongono il filamento di plastica. Questa tecnica, laser speckle imaging (LSI), si basa sulla diffusione interferometrica della luce per visualizzare i movimenti nanoscopici, indipendentemente dalla composizione chimica. A seconda delle proprietà ottiche del campione, può misurare con precisione da diversi millimetri a centimetri in materiali non trasparenti10,11,12, a differenza dell'imaging IR, che riporta solo temperature superficiali 8,9. Questi attributi hanno recentemente reso popolari i metodi basati su macchia nella comprensione dei processi dinamici in una pletora di materiali, sebbene siano stati originariamente sviluppati per applicazioni mediche10,11,12. Recentemente, LSI è stato utilizzato per ottenere informazioni sul comportamento di materiali polimerici avanzati come le reti polimeriche a cristalli liquidi autopulenti 13,14, nonché per prevedere la frattura nella gomma15 e per studiare i materiali autorigeneranti16.
La fattibilità dell'applicazione di LSI alla stampa 3D è stata mostrata in un precedente articolo17, in cui è stata presentata una configurazione LSI portatile con capacità di analisi in tempo reale ed è stato dimostrato che la deposizione di plastica fusa si traduce in un aumento del movimento del polimero più strati sotto lo strato corrente. Nel documento qui presentato, viene eseguita una ricerca sistematica sugli effetti della velocità della ventola di raffreddamento sul grado di incollaggio multistrato. Viene utilizzata una versione plug-and-play migliorata dello strumento portatile che può essere utilizzata da utenti senza esperienza di ottica o programmazione. Le immagini di speckle vengono analizzate in tempo reale utilizzando le trasformate di Fourier17, che visualizzano l'ampiezza delle fluttuazioni di intensità dello speckle. Questo strumento dispone di una telecamera in campo chiaro aggiuntiva che è allineata con la telecamera speckle in modo che le mappe di movimento LSI possano essere sovrapposte alle immagini in campo chiaro per una più facile interpretazione senza che la luce in campo chiaro influisca sulle mappe di movimento. L'approccio sperimentale presentato in questo articolo può essere utilizzato per ottenere maggiori informazioni sulla fusione, l'incollaggio degli strati e la solidificazione della plastica estrusa durante la stampa 3D di geometrie e materiali impegnativi.
Protocollo
1. Configurazione e allineamento dello strumento LSI con la stampante 3D
- Posizionare la stampante 3D su una superficie stabile per ridurre al minimo le vibrazioni. Posizionare lo strumento LSI accanto ad esso in modo che la telecamera abbia una visione chiara dell'area di stampa. Posiziona lo strumento LSI leggermente più in alto rispetto alla piastra di costruzione della stampante 3D e inclinalo leggermente verso il basso in modo che la vista non sia ostruita.
- Accendere l'illuminazione laser e in campo chiaro e verificare che siano allineati con l'area di imaging. Impostare la potenza del laser su 20 mW, assicurarsi che il laser esca dalla scatola di configurazione espansa su una vasta area (più centimetri quadrati) e assicurarsi che la densità di potenza sia abbastanza bassa (molte volte inferiore a un puntatore laser) per essere utilizzata in situ senza ulteriori misure di sicurezza come occhiali laser o custodie nere.
ATTENZIONE: Non guardare direttamente nel laser. - Iniziare con una stampa di prova (ad esempio, Supplementary Coding File 1 o Supplementary Coding File 2) per rendere più comodo l'allineamento e la configurazione sperimentale (passaggi 1.3-1.6). Assicurarsi che la telecamera LSI sia focalizzata sull'area di stampa.
- Durante questa prima stampa di prova, allineare in modo ottimale l'illuminazione e la fotocamera digitale. Regolare la direzione del laser in modo che l'intera area di imaging sia illuminata in modo omogeneo e regolare il diaframma in modo tale che la dimensione dello speckle sia leggermente più grande della dimensione dei pixel.
- Ottimizzate il framerate e il tempo di esposizione in modo tale che il numero di pixel sottoesposti e sovraesposti sia ridotto al minimo per ottenere la massima gamma dinamica.
- Scegliere i parametri giusti per l'analisi dei dati LSI in tempo reale; Soprattutto, selezionare la frequenza che produce il miglior contrasto di immagini tra plastica fusa e solidificata. Regola la regione di interesse (ROI) e il ridimensionamento della mappa dei colori. In questo caso, è stata scelta una lunghezza della serie di Fourier di 16 e l'ampiezza della seconda frequenza è stata visualizzata. Poiché la velocità di raccolta delle immagini speckle è di 50 fotogrammi al secondo, la frequenza visualizzata è di 6,25 Hz.
- Prepara lo strumento LSI per catturare le immagini per un esperimento di stampa 3D. Scegli la frequenza e per quanto tempo salvare le immagini. In questo caso, le immagini sono state salvate ogni 0,25 s in modo che venissero salvate più immagini per passaggio della testina della stampante. Per ogni esperimento, le immagini sono state salvate per 15 minuti poiché ogni lavoro di stampa richiedeva un massimo di 12 minuti.
2. Preparazione del design di stampa 3D e del G-code
- Disegna l'oggetto utilizzando un software di disegno 3D preferito ed esporta l'oggetto come file .stl. In questo caso, è stato utilizzato un muro con creste e fori, che è mostrato nella Figura 1 e può essere scaricato dal file di codifica supplementare 1.
- Importare il file .stl nel software di sezionamento e scegliere le impostazioni di stampa. Queste impostazioni dipenderanno dalla scelta del materiale e dal modello della stampante 3D; per il caso utilizzato in questo studio, utilizzare le impostazioni mostrate nella tabella 1. Utilizzare un filamento preferibilmente bianco o qualsiasi colore che disperda la luce laser senza assorbimento significativo.
- Premere il pulsante Slice nel software di sezionamento per ottenere i livelli e il percorso di corsa della testina di stampa. Il file di configurazione del software di slicing è disponibile in Supplementary Coding File 3.
- Salvare il codice G risultante (Supplementary Coding File 2) e inviarlo alla stampante 3D.
Figura 1: Progettazione dell'oggetto. Una vista 3D (a sinistra) e una vista 2D (a destra) dal lato, dalla parte anteriore e superiore della progettazione dell'oggetto. La griglia rappresenta 1,0 mm x 1,0 mm, con 1,0 cm x 1,0 cm in grassetto. Il muro misura 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (larghezza x altezza x profondità) e le creste hanno una larghezza di 1,0 mm, hanno una profondità di 0,4 mm e sono separate da 1,0 mm. Le finestre hanno una larghezza di 1,0 mm e un'altezza di 2,0 mm. Il progetto 3D può essere trovato nel file di codifica supplementare 1. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| Proprietà/ambientazione | Valore |
| Filamento | Acido polilattico (PLA), bianco |
| Diametro ugello | 0,4 mm |
| Spessore dello strato | 0,2 mm |
| Temperatura dell'ugello | 210 °C |
| Velocità della ventola di raffreddamento | 100% |
| Velocità di stampa | 10 mm/s |
| Velocità di traslazione | 10 mm/s |
| Temperatura del letto | 60 °C |
Tabella 1: Impostazioni di stampa 3D. Le impostazioni e le proprietà della stampante utilizzate per sezionare la progettazione dell'oggetto. Per il secondo esperimento, la velocità della ventola è stata modificata manualmente allo 0%.
3. Esecuzione dell'esperimento
- Avviare la stampante 3D e attendere la fine del periodo di riscaldamento.
- La misurazione LSI può essere avviata in qualsiasi momento, ma per evitare inutili salvataggi dei dati, avviare la misurazione LSI quando la plastica inizia a estrudere.
- Attendere il completamento della stampante 3D, quindi interrompere la misurazione LSI.
- Caricare i dati risultanti in un software di visualizzazione delle immagini e ispezionare visivamente l'oggetto stampato. Confronta i movimenti dei polimeri plastici misurati durante la stampa con l'integrità strutturale finale e la qualità della superficie.
Risultati
Un semplice oggetto è stato disegnato come obiettivo di prova per gli esperimenti: un muro con creste sul retro, due finestre e un grande foro (Figura 1). L'oggetto è stato suddiviso in sezionamenti con le impostazioni e le proprietà della stampante elencate nella tabella 1.
Lo strumento LSI è stato allineato con la stampante 3D e l'esperimento è stato eseguito. La configurazione intuitiva è dotata di una telecamera a campo chiaro aggiuntiva, che aiuta durante l'allineamento e consente un facile confronto tra l'estrusione di plastica e il movimento del polimero misurato. Le telecamere speckle e brightfield sono entrambe dotate di filtri ottici che impediscono interferenze dall'altro canale. Ulteriori dettagli tecnici sulla configurazione sono disponibili nel file supplementare 1 e una spiegazione della routine di analisi è presentata nel file supplementare 2. I punti salienti dei risultati di questo esperimento sono illustrati nella Figura 2 e il filmato completo è disponibile nel filmato supplementare 1. Come mostrato in precedenza, l'esperimento può essere eseguito altrettanto bene con uno strumento costruito in casa17.
Figura 2: Time-lapse di stampa con una velocità della ventola di raffreddamento del 100%. A sinistra: Brightfield, immagine frontale dell'oggetto quando la stampante è quasi terminata. La qualità della stampa sembra buona dopo l'ispezione; Sebbene la superficie mostri le linee di livello, è stata prodotta la geometria complessiva progettata. A destra: quattro istantanee LSI dalla regione delineata in bianco durante il processo di stampa; le frecce blu indicano la posizione della testina di stampa al momento dell'istantanea, poiché le immagini LSI non corrispondono in tempo con l'immagine in campo chiaro. I colori più chiari in ogni istantanea indicano un aumento del movimento del polimero, che si osserva negli strati stampati più di recente. Si noti che la regione con movimento avanzato (la zona di saldatura) ha uno spessore di più strati. Il filmato dettagliato completo dell'esperimento è disponibile nel filmato supplementare 1. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Complementare a questi risultati, la stampa è stata ispezionata visivamente; Come previsto per questi filamenti polimerici comunemente usati e le impostazioni di stampa, la qualità era buona. La geometria progettata è stata, infatti, riprodotta, e la superficie era uniforme, con una piccola linea visibile su ogni strato. Con i dati LSI, è stato possibile ottenere informazioni approfondite sul processo di stampa. La plastica appena estrusa era visibile come altamente mobile e la mobilità diminuiva gradualmente man mano che si raffreddava. L'altezza dell'area con elevata mobilità (cioè la zona di saldatura) era di quattro o cinque strati di spessore durante la procedura di stampa, indicando una durata ben definita della fusione degli strati.
L'esperimento è stato ripetuto con la velocità della ventola di raffreddamento regolata manualmente allo 0%. Con questa impostazione, la plastica non si raffreddava abbastanza velocemente, il che influiva sulla qualità di stampa. I punti salienti dei risultati sono mostrati nella Figura 3 e il filmato dettagliato completo è disponibile nel filmato supplementare 2.
Figura 3: Time-lapse di stampa con una velocità della ventola di raffreddamento dello 0%. A sinistra: Brightfield, immagine frontale dell'oggetto quando la stampante è quasi terminata. La qualità visiva della stampa sembra scarsa; La superficie mostra linee di strato irregolari e grandi blob. Inoltre, la geometria complessiva progettata è stata riprodotta in modo imperfetto; In particolare, le finestre e i fori sono deformati. A destra: quattro istantanee LSI dalla regione delineata in bianco durante il processo di stampa; le frecce blu indicano la posizione della testina di stampa al momento dell'istantanea, poiché le immagini LSI non corrispondono in tempo con l'immagine in campo chiaro. I colori più chiari in ogni istantanea indicano un aumento del movimento del polimero, che può essere osservato in tutto l'oggetto. Il filmato dettagliato completo dell'esperimento è disponibile nel filmato supplementare 2. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
In linea con le aspettative, l'ispezione visiva del costrutto stampato in 3D ha effettivamente mostrato una scarsa qualità di stampa. Gli strati sono stati distribuiti in modo non uniforme e la geometria progettata è stata riprodotta con deformazioni. Un confronto tra le immagini in campo chiaro nella Figura 2 e nella Figura 3 mostra l'effetto principale della ventola di raffreddamento sulla qualità della superficie e sulla forma del risultato di stampa. L'origine di questo effetto è stata determinata confrontando i risultati LSI della Figura 2 e della Figura 3. Con una velocità della ventola di raffreddamento del 100%, è stato osservato un maggiore movimento del polimero in una regione a pochi strati sotto la plastica estrusa. Pertanto, ogni strato è stato liquefatto moderatamente alcune volte per ottenere l'incollaggio dello strato senza flusso di plastica. Con la velocità della ventola di raffreddamento dello 0%, è stato osservato un maggiore movimento del polimero attraverso l'intero oggetto. Pertanto, ogni strato è stato liquefatto molte volte ed estremamente vicino alla plastica appena estrusa, con conseguente perdita di precisione geometrica attraverso il flusso plastico.
Per ottenere una visione più quantitativa dell'effetto della ventola di raffreddamento in situazioni più moderate, la velocità della ventola di raffreddamento è stata sistematicamente variata. Il design dell'oggetto è stato semplificato in una parete di 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (larghezza x altezza x profondità) senza fori o creste. Sono state utilizzate le stesse impostazioni di stampa della Tabella 1. L'esperimento è stato eseguito 12 volte, con velocità della ventola di raffreddamento dello 0%, 20%, 40%, 60%, 80% e 100%, ciascuna in duplicato. I filmati risultanti sono disponibili in Filmati supplementari 3, Film supplementari 4, Film supplementari 5, Film supplementari 6, Film supplementari 7 e Film supplementari 8, nonché File di codifica supplementare 6, File di codifica supplementare 7, File di codifica supplementare 8, File di codifica supplementare 9, File di codifica supplementare 10 e File di codifica supplementare 11.
Per confrontare quantitativamente le zone di saldatura per diverse velocità della ventola, è stata eseguita un'analisi avanzata dei dati sui risultati LSI. L'obiettivo di questa analisi dei dati era ottenere un profilo di altezza dell'entità del movimento del polimero nella zona di saldatura. Lo script MATLAB completamente commentato associato può essere trovato in Supplementary Coding File 4 ed è descritto brevemente. Per ogni immagine LSI nel filmato, viene calcolato un profilo di altezza prendendo la media lungo la direzione orizzontale. I profili delle immagini in cui si trova la testina di stampa nel ROI mostrano un picco distinto attorno alla zona di saldatura. Per selezionare esclusivamente questi profili, vengono presi in considerazione solo i profili con un picco superiore a 8 dB. Anche i profili in cui questo picco è troppo vicino al limite del ROI vengono scartati. Le posizioni di picco di tutti i profili vengono successivamente allineate per fornire un profilo medio relativo all'altezza alla quale i polimeri sono più mobili. I profili risultanti per le sei diverse velocità della ventola di raffreddamento sono tracciati nella Figura 4.
Figura 4: Profili di altezza per la variazione sistematica della velocità della ventola di raffreddamento. A sinistra: i profili delle zone di saldatura per le velocità della ventola di raffreddamento del 100% (nero), 80% (blu), 60% (viola), 40% (rosso), 20% (arancione) e 0% (giallo), ottenuti dallo script avanzato di analisi dei dati nel file di codifica supplementare 4. L'area ombreggiata è la deviazione standard tra gli esperimenti duplicati. Lo schema a destra spiega la procedura di calcolo della media per ottenere il profilo di una tipica immagine LSI. Allineando i massimi dei picchi di tutti i profili ottenuti, si ottiene la zona di saldatura. Il massimo della zona di saldatura (altezza relativa = 0) è l'altezza alla quale i polimeri sono più mobili. I filmati LSI e brightfield dettagliati completi di ogni esperimento sono disponibili in Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 e Supplementary Movie 8. L'oggettostampato per questa figura si trova nel file di codifica supplementare 5, con i corrispondenti file di codice G nel file di codifica supplementare 6. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
I profili della zona di saldatura per il raffreddamento del 40%-100% erano quasi identici. La zona di saldatura per il raffreddamento al 20% aveva una spalla che raggiungeva diversi strati più profondi. La zona di saldatura per il raffreddamento allo 0% si estendeva su tutta l'area misurata. L'altezza alla quale i polimeri erano più mobili si trovava all'interno o leggermente al di sotto dello strato stampato più di recente. Questo fenomeno spiega la presenza di un segnale LSI ad altezze relative positive, poiché vi è materiale stampato al di sopra del picco di mobilità. In tutti i casi, la zona di saldatura ha raggiunto molto più in profondità lo spessore dello strato di 0,2 mm.
File supplementare 1: configurazione LSI.xls. Parametri hardware dello strumento LSI qui utilizzato. Clicca qui per scaricare questo file.
Fascicolo supplementare 2: Analisi LSI.docx. Spiegazione della conversione delle immagini grezze in immagini LSI. Clicca qui per scaricare questo file.
Filmato supplementare 1: LSI e filmato in campo chiaro dell'esperimento descritto nella Figura 2. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
Filmato supplementare 2: LSI e filmato in campo chiaro dell'esperimento descritto nella Figura 3. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
Filmato supplementare 3: Esperimento sulla velocità della ventola di raffreddamento al 100% descritto nella Figura 4. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
Filmato supplementare 4: Esperimento della velocità della ventola di raffreddamento dell'80% descritto nella Figura 4. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
Filmato supplementare 5: Esperimento della velocità della ventola di raffreddamento del 60% descritto nella Figura 4. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
Filmato supplementare 6: Esperimento della velocità della ventola di raffreddamento del 40% descritto nella Figura 4. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
Filmato supplementare 7: Esperimento della velocità della ventola di raffreddamento del 20% descritto nella Figura 4. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
Filmato supplementare 8: Esperimento della velocità della ventola di raffreddamento allo 0% descritto nella Figura 4. Il filmato viene riprodotto a una velocità reale di 12,5x. La parte superiore è il risultato LSI e la parte inferiore è la vista in campo chiaro sincronizzata con il ROI LSI indicato. Clicca qui per scaricare questo film.
File di codifica supplementare 1: wall_with_holes.stl. Progettazione 3D dell'oggetto descritto nella Figura 1. Clicca qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 2: wall_with_holes.gcode. L'oggetto suddiviso in sezioni wall_with_holes.stl con le impostazioni della tabella 1. Clicca qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 3: config.ini. File di configurazione per il software di sezionamento. Clicca qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Script per eseguire l'analisi avanzata dei dati sui dati di sweep della ventola di raffreddamento e tracciare la Figura 4. Lo script è completamente commentato. Clicca qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 5: wall.stl. Progettazione 3D dell'oggetto utilizzato per raccogliere i dati nella Figura 4. Clicca qui per scaricare questo file.
Discussione
Gli esperimenti e i risultati descritti in questa ricerca mostrano che LSI è uno strumento facilmente applicabile che consente una comprensione più profonda dell'incollaggio degli strati durante la produzione additiva. LSI consente la misurazione diretta del movimento del polimero, che deve essere finemente sintonizzato per formare un materiale coerente mediante l'interpenetrazione e il successivo impigliamento delle catene polimeriche. L'alternativa più comune per misurare l'incollaggio degli strati in situ è l'imaging a infrarossi 3,4,5. Questo metodo ben consolidato fotografa la temperatura superficiale locale della plastica8,9, che è una misura indiretta del movimento del polimero all'interno del materiale. Con la plastica più calda, il movimento è più veloce e il legame diventa più forte. Tuttavia, la relazione tra temperatura e movimento non è lineare, poiché le temperature di stampa attraversano le temperature di fusione e di transizione vetrosa 6,7. Questa relazione non banale può essere osservata direttamente nelle immagini LSI; In particolare, c'è una brusca transizione tra le regioni superiori liquide e quelle inferiori solide, mentre il gradiente di temperatura dovrebbe essere molto più graduale. Un altro svantaggio dell'imaging IR è che misura solo la temperatura superficiale, mentre LSI misura il movimento del polimero in genere diversi millimetri di profondità all'interno del materiale.
Proprio come con l'imaging IR, questa implementazione di LSI è essenzialmente un metodo point-and-shoot; Può essere utilizzato in situ se la telecamera può essere puntata verso la regione di interesse. Il treppiede versatile e la lunga distanza di lavoro di 0,7 m offrono la libertà di utilizzare qualsiasi stampante 3D disponibile. Fondamentalmente, LSI è sensibile ai movimenti nanoscopici e, quindi, le vibrazioni provenienti dall'ambiente circostante e dal processo di stampa stesso devono essere ridotte al minimo17. Ad esempio, eseguire un'altra attività sullo stesso tavolo o sbattere una porta causerà interferenze. Pertanto, si dovrebbe camminare attentamente intorno alla configurazione; Tuttavia, le luci della stanza o il flusso d'aria generalmente non interferiscono con il processo.
LSI fornisce informazioni dettagliate sul processo di incollaggio degli strati e può essere applicato con la stessa facilità dell'imaging IR. Prevediamo che LSI abbia un grande potenziale nell'aiutare lo sviluppo e la comprensione di metodi di stampa 3D avanzati. Lo sweep della velocità della ventola di raffreddamento mostra un assaggio di ciò che è possibile combinando LSI con la stampa 3D. Come discusso nell'introduzione, la velocità di raffreddamento ottimale è un equilibrio tra mantenere la plastica fusa abbastanza a lungo da migliorare l'incollaggio dello strato e raffreddarla abbastanza velocemente da impedire il flusso. I risultati della velocità della ventola di raffreddamento del 40%-100% erano molto simili; In effetti, queste velocità della ventola non mostravano alcun flusso e producevano una buona qualità della superficie. Con la velocità della ventola di raffreddamento dello 0%, il materiale ha iniziato a fluire lontano dalla posizione stampata, ma è stato osservato un ampio incollaggio dello strato nella misurazione LSI. Sulla base dei nostri risultati, la velocità della ventola di raffreddamento del 20% potrebbe essere ottimale per ottenere un incollaggio degli strati leggermente migliorato senza compromettere la qualità della superficie. Tuttavia, per trarre conclusioni che possono essere applicate nella pratica, è necessario valutare una maggiore velocità della ventola di raffreddamento compresa tra lo 0% e il 40%. È inoltre auspicabile stabilire misure quantitative per la qualità della superficie e la resistenza del materiale per ottenere una visione obiettiva e completa degli effetti del movimento del polimero sulle proprietà desiderate. Con questa aggiunta, l'approccio potrebbe essere reso più potente per valutare i progressi della stampa 3D creativa.
Le impostazioni esatte scelte per l'analisi LSI non sono soggette a errori critici fintanto che le fasi plastiche liquide e solide possono essere distinte chiaramente. Il movimento del polimero cambia drasticamente quando si attraversano le temperature di fusione e transizione vetrosa, quindi un'ampia gamma di impostazioni LSI cattura bene il contrasto. Questo può essere facilmente testato con una stampa di prova di un oggetto semplice (ad esempio, una parete diritta) con le impostazioni della stampante 3D consigliate dal fornitore del materiale. Per gli utenti LSI più avanzati, approfondire la gamma di frequenze può produrre informazioni aggiuntive, poiché è possibile distinguere quantitativamente diversi tipi di movimento del polimero. Ad esempio, il movimento del polimero ad alta frequenza è associato alle temperature più elevate, che sono presenti solo vicino alla testina della stampante. Il movimento del polimero a bassa frequenza è associato a temperature moderate, che sono presenti in un'area molto più ampia intorno alla testina della stampante e anche per un tempo molto più lungo17. È necessario esaminare se il grado di legame per il movimento cumulativo dei polimeri a bassa frequenza possa essere uguale a quello del movimento corto e ad alta frequenza (ad esempio, con l'analisi meccanica dinamica). La maggior parte delle altre impostazioni, come il ridimensionamento della mappa dei colori, il ROI, l'intervallo di salvataggio e la lunghezza dell'esperimento, vengono scelte esclusivamente per fornire un risultato visivamente chiaro e accattivante. Per quanto riguarda le impostazioni di stampa 3D, c'è anche molta libertà, in quanto LSI consente all'utente di valutare oggettivamente i risultati della modifica di una qualsiasi delle impostazioni. In particolare, la modifica drastica della velocità di stampa cambia l'interpretazione dei dati LSI. In questo lavoro, sono state utilizzate una velocità di stampa lenta e di 10 mm/s per acquisire più immagini LSI durante un passaggio della testina della stampante. Se si utilizzasse una velocità di stampa più comune di 60 mm/s per il PLA, verrebbe stampato circa uno strato completo per immagine LSI e, quindi, si verificherebbe una media all'interno di uno strato. Se si sperimentano velocità di fascia alta come 300 mm / s e superiori, si verificherebbe una media su più strati. Tuttavia, ciò dipende completamente dall'esatta geometria di stampa e dalle impostazioni LSI e potrebbe essere facilmente mitigato da un utente LSI esperto attraverso la progettazione avanzata della macchina, la regolazione delle dimensioni del campo visivo o l'utilizzo di una fotocamera più veloce. Entrambi gli approcci richiedono un laser più potente, che, in combinazione con la testina della stampante riflettente, richiede ulteriori precauzioni di sicurezza laser. La velocità di stampa relativamente bassa ha anche un'influenza positiva sull'incollaggio dello strato, poiché è stato precedentemente dimostrato che il trasferimento di calore alla plastica aumenta con velocità di stampa più lente5.
Una possibile nuova direzione per questo approccio è la sperimentazione di nuovi materiali; ad esempio, LSI potrebbe essere utilizzato per visualizzare le transizioni rilevanti e quantificare oggettivamente le impostazioni consigliate della stampante che forniscono una zona di saldatura a cinque strati all'applicazione dello strato superiore. Un'altra applicazione potrebbe essere quella di studiare la zona di saldatura in situazioni specifiche in cui la qualità di stampa non è affidabile, ad esempio per ponti, sporgenze o spigoli vivi. Se la zona di saldatura in situazioni difficili può essere meglio compresa, dovrebbe essere possibile compensare nel codice G. È già pratica comune stampare il primo strato più caldo e più lentamente rispetto al resto degli strati per ottenere una buona adesione alla piastra di costruzione18. Prevediamo l'uso di un simile slicing dinamico G-code in cui, ad esempio, il raffreddamento della ventola potrebbe essere regolato per produrre angoli o ponti. Dovrebbe anche essere possibile stampare il materiale della parete esterna con una finitura più liscia e il resto del materiale e il riempimento più ruvido ma più forte per massimizzare sia la resistenza del materiale che l'aspetto visivo.
Questo articolo ha discusso l'applicazione di LSI per studiare il processo di incollaggio degli strati dopo l'estrusione della plastica. La tecnica è eccellente per questo compito, in quanto può visualizzare il movimento del polimero sottostante senza ipotesi a priori in tempo reale durante la stampa 3D. Tuttavia, non fornisce alcuna informazione sulla coesione del materiale, quindi saranno necessari ulteriori test. Gli altri inconvenienti discussi sono situazionali; la velocità di imaging limitata di quattro immagini LSI al secondo può essere aumentata con un laser più grande e misure di sicurezza laser aggiuntive, e la sensibilità alle vibrazioni richiede precauzioni o hardware di riduzione delle vibrazioni. LSI può essere eseguito con fotocamere digitali economiche e piccole e laser19,20, che consente l'integrazione praticamente in ogni stampante 3D per il controllo della qualità dal vivo e la regolazione dinamica dei parametri di stampa. Tuttavia, ha più senso impiegare LSI per sviluppare una conoscenza approfondita dell'incollaggio degli strati durante la stampa 3D. Se questa comprensione viene utilizzata per sviluppare software di slicing più avanzati, ogni stampante 3D consumer potrebbe beneficiare delle conoscenze acquisite.
Dichiarazioni
Jesse Buijs è in procinto di avviare una start-up che vende lo strumento e il software LSI utilizzati in questo articolo. Gli altri autori non dichiarano conflitti di interesse.
Ringraziamenti
Gli autori non hanno ricevuto finanziamenti esterni.
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Software per disegno 3D | Autodesk | TinkerCad | tinkercad.com |
| Stampante 3D | Prusa3D | Original Prusa i3 MK3S | |
| Software avanzato per l'analisi dei dati | MathWorks | MATLAB R2018b | |
| Software per la visualizzazione delle immagini | National Institutes of Health | ImageJ 1.47v | |
| LSI instrument | NanoMoI | NanoMoi allround | azienda da fondare nel 2023 |
| Filamento di acido polilattico (PLA) | Filamento REAL | bianco 1,75 mm PLA 1 kg | |
| Software di affettatura | Prusa3D | PrusaSlicer-2.5.0 |
Riferimenti
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