Za pomocą nieinwazyjnej techniki czasu rzeczywistego, nanoskopowy ruch polimeru wewnątrz filamentu polimerowego jest obrazowany podczas drukowania 3D. Dostrojenie tego ruchu ma kluczowe znaczenie dla tworzenia konstrukcji o optymalnej wydajności i wyglądzie. Metoda ta dociera do sedna stapiania warstw tworzywa sztucznego, oferując w ten sposób wgląd w optymalne warunki drukowania i kryteria projektowania materiałów.
Artykuł metodologiczny
Obrazowanie w czasie rzeczywistym łączenia warstw drukowanych w 3D
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
W ostatnim czasie, technologia druku 3D zrewolucjonizowała naszą zdolność do projektowania i produkcji produktów, ale optymalizacja jakości druku może być wyzwaniem. Proces wytłaczania druku 3D polega na wyciskaniu stopionego materiału przez cienką dyszę i osadzaniu go na wcześniej wytłaczanym materiale. Metoda ta polega na łączeniu kolejnych warstw w celu stworzenia mocnego i atrakcyjnego wizualnie produktu końcowego. Nie jest to łatwe zadanie, ponieważ wiele parametrów, takich jak temperatura dyszy, grubość warstwy i prędkość drukowania, musi być precyzyjnie dostrojonych, aby osiągnąć optymalne wyniki. W niniejszej pracy przedstawiono metodę wizualizacji dynamiki polimeru podczas wytłaczania, dającą wgląd w proces wiązania warstw. Korzystając z laserowego obrazowania plamkowego, przepływ plastyczny i fuzję można rozwiązać nieinwazyjnie, wewnętrznie i z wysoką rozdzielczością czasoprzestrzenną. Ten pomiar, który jest łatwy do wykonania, zapewnia dogłębne zrozumienie podstawowej mechaniki wpływającej na końcową jakość druku. Metodologia ta została przetestowana z różnymi prędkościami wentylatora chłodzącego, a wyniki wykazały zwiększony ruch polimeru przy niższych prędkościach wentylatora, a tym samym wyjaśniły słabą jakość druku, gdy wentylator chłodzący był wyłączony. Wyniki te pokazują, że ta metodologia pozwala na optymalizację ustawień drukowania i zrozumienie zachowania materiału. Informacje te mogą być wykorzystane do opracowywania i testowania nowatorskich materiałów drukarskich lub zaawansowanych procedur krojenia. Dzięki takiemu podejściu można uzyskać głębsze zrozumienie wytłaczania, aby przenieść druk 3D na wyższy poziom.
Wprowadzenie
Metoda druku 3D to technika wytwarzania przyrostowego, w której obiekt jest wytwarzany warstwa po warstwie, aby uformować pożądany kształt. Ta metoda ma dużą i zróżnicowaną bazę użytkowników dzięki swojej wszechstronności, przystępnej cenie i łatwości użytkowania. Modelowanie osadzania topionego obejmuje ruchomą wytłaczarkę (o średnicy od setek mikronów do kilku milimetrów), która osadza stopiony plastik w pożądanym kształcie1. Wytłaczane tworzywo sztuczne powinno zachowywać się w sposób podobny do płynu przez pewien czas, aby uzyskać dobre stopienie z wcześniej zadrukowanym tworzywem sztucznym i stworzyć silnie spoisty materiał. Jednak plastik powinien szybko ostygnąć i zestalać się po wydrukowaniu, aby zapobiec odpływaniu plastiku z miejsca drukowania i obniżaniu jakości druku. Wykazano, że ta delikatna interakcja między ogrzewaniem a chłodzeniem bezpośrednio leży u podstaw równowagi między wytrzymałością mechaniczną a dokładnością geometryczną końcowego obiektu wydrukowanego w 3D2. Aby osiągnąć optymalną równowagę grzewczo-chłodzącą, tworzywo sztuczne jest wytłaczane w temperaturze nieco wyższej od temperatury topnienia, a głowica wentylatora, dołączona do drukarki, służy do szybkiego schładzania plastiku. Dogłębne zrozumienie wpływu temperatur drukowania i prędkości chłodzenia może dostarczyć informacji niezbędnych do opracowania zaawansowanych protokołów krojenia i drukowania, które maksymalizują wyniki mechaniczne lub geometryczne w obszarach, w których są one najważniejsze. Wysiłki mające na celu uzyskanie lepszego wglądu w te procesy często opierają się na obrazowaniu w podczerwieni (IR), które wizualizuje tylko temperaturę powierzchni3,4,5 i nie wskazuje wewnętrznej temperatury plastiku. Miejscowe ogrzewanie poza fazą topnienia drastycznie zwiększa ruchliwość polimeru, a tym samym umożliwia splątanie polimeru między starym a nowym materiałem. Ten czasowo wzmocniony ruch polimeru jest wymagany do powstania końcowego materiału spoistego6,7, ale obrazowanie w podczerwieni może mierzyć ruch polimeru tylko pośrednio poprzez temperaturę powierzchni8,9. Przełożenie temperatury powierzchni na wiązanie warstw wymaga zatem precyzyjnej wiedzy na temat gradientu temperatury rdzeń-powierzchnia i związanej z tym złożonej dynamiki polimerów w różnych skalach czasu i długości. Bezpośredni pomiar wiązania warstw (tj. procesu splątania polimeru) pozwoliłby na wizualizację mechanizmu leżącego u podstaw spójności materiału sypkiego bez apriorycznych informacji lub założeń.
Aby zrozumieć przestrzenny i czasowy rozkład wiązań warstwowych, w tej pracy zastosowano technikę obrazowania, która bezpośrednio określa dynamikę polimerów tworzących plastikowe włókno. Ta technika, laserowe obrazowanie plamkowe (LSI), opiera się na interferometrycznym rozpraszaniu światła w celu wizualizacji ruchów nanoskopowych, niezależnie od składu chemicznego. W zależności od właściwości optycznych próbki, może ona z dokładnością mierzyć od kilku milimetrów do centymetrów w materiałach nieprzezroczystych10,11,12, w przeciwieństwie do obrazowania w podczerwieni, które podaje tylko temperatury powierzchni8,9. Te atrybuty sprawiły, że metody oparte na plamkach stały się ostatnio popularne w zrozumieniu procesów dynamicznych w wielu materiałach, chociaż pierwotnie zostały opracowane do zastosowań medycznych10,11,12. Ostatnio LSI został wykorzystany do uzyskania wglądu w zachowanie zaawansowanych materiałów polimerowych, takich jak samoczyszczące się sieci polimerów ciekłokrystalicznych13,14, a także do przewidywania pęknięć w gumie15 oraz do badania materiałów samonaprawiających się16.
Możliwość zastosowania LSI do druku 3D została przedstawiona w poprzednim artykule17, gdzie przedstawiono przenośny układ LSI z możliwością analizy w czasie rzeczywistym, i wykazano, że osadzanie się stopionego plastiku powoduje zwiększony ruch polimeru o wiele warstw poniżej obecnej warstwy. W prezentowanej pracy przeprowadzono systematyczne badania wpływu prędkości obrotowej wentylatora chłodzącego na stopień klejenia wielowarstwowego. Zastosowano ulepszoną wersję przenośnego instrumentu typu plug-and-play, która może być obsługiwana przez użytkowników bez wiedzy z zakresu optyki lub programowania. Obrazy plamkowe są analizowane w czasie rzeczywistym za pomocą transformaty Fouriera17, które wizualizują amplitudę fluktuacji intensywności plamek. Ten instrument jest wyposażony w dodatkową kamerę w jasnym polu, która jest wyrównana z kamerą plamkową, dzięki czemu mapy ruchu LSI mogą być nakładane na obrazy w jasnym polu w celu łatwiejszej interpretacji bez wpływu światła jasnego pola na mapy ruchu. Podejście eksperymentalne przedstawione w tym artykule można wykorzystać do uzyskania lepszego wglądu w topnienie, wiązanie warstw i krzepnięcie wytłaczanego tworzywa sztucznego podczas drukowania 3D trudnych geometrii i materiałów.
Protokół
1. Konfiguracja i wyrównanie instrumentu LSI z drukarką 3D
- Umieść drukarkę 3D na stabilnej powierzchni, aby zminimalizować wibracje. Postaw instrument LSI obok niej w taki sposób, aby kamera miała czysty widok na obszar druku. Ustaw instrument LSI nieco wyżej niż platformę roboczą drukarki 3D i nachyl go bardzo lekko w dół, aby widok nie był zasłonięty.
- Włącz laser i oświetlenie w polu jasnym, a następnie sprawdź, czy są one wyrównane z obszarem obrazowania. Ustaw moc lasera na 20 mW, upewnij się, że wiązka lasera opuszcza obudowę aparatury w formie rozszerzonej na dużym obszarze (kilka centymetrów kwadratowych) i upewnij się, że gęstość mocy jest wystarczająco niska (kilkukrotnie niższa niż w wskaźniku laserowym), aby można go było używać in situ bez dodatkowych środków bezpieczeństwa, takich jak gogle laserowe czy czarne osłony.
OSTROŻEŃ: Nie patrz bezpośrednio w wiązkę lasera. - Zacznij od druku próbnego (np. Supplementary Coding File 1 lub Supplementary Coding File 2), aby ułatwić wyrównanie i konfigurację eksperymentalną (kroki 1.3-1.6). Upewnij się, że kamera LSI jest ustawiona ostro na obszarze druku.
- Podczas tego pierwszego druku próbnego optymalnie ustaw oświetlenie i kamerę cyfrową. Skoryguj kierunek lasera tak, aby cały obszar obrazowania był oświetlony homogenicznie, i dostosuj przysłonę w taki sposób, aby rozmiar plamek (speckle) był nieco większy niż rozmiar piksela.
- Zoptymalizuj częstotliwość klatek i czas ekspozycji w taki sposób, aby zminimalizować liczbę niedoświetlonych i prześwietlonych pikseli i uzyskać maksymalną rozpiętość tonalną.
- Dobierz odpowiednie parametry dla analizy danych LSI w czasie rzeczywistym; co najważniejsze, wybierz częstotliwość, która zapewnia najlepszy kontrast obrazowania między stopionym a zestalonym tworzywem. Dostosuj obszar zainteresowania (ROI) i skalowanie mapy kolorów. W tym przypadku wybrano długość szeregu Fouriera równą 16 i wizualizowano amplitudę drugiej częstotliwości. Ponieważ tempo zbierania obrazów plamek wynosi 50 klatek na sekundę, wizualizowana częstotliwość wynosi 6,25 Hz.
- Przygotuj instrument LSI do przechwytywania obrazów dla jednego eksperymentu druku 3D. Wybierz częstotliwość i czas zapisu obrazów. W tym przypadku obrazy zapisywano co 0,25 s, tak aby na jedno przejście głowicy drukarki przypadało wiele obrazów. Dla każdego eksperymentu obrazy zapisywano przez 15 min, ponieważ każde zlecenie druku trwało maksymalnie 12 min.
2. Przygotowanie projektu do druku 3D i G-kodu
- Narysować obiekt przy użyciu wybranego oprogramowania do projektowania 3D i wyeksportować go do pliku .stl. W tym przypadku wykorzystano ścianę z wypustkami i otworami, która została przedstawiona na Rysunku 1 i może zostać pobrana z Dodatkowego pliku z kodem 1.
- Zaimportować plik .stl do oprogramowania do slicingu i wybrać ustawienia drukowania. Ustawienia te będą zależeć od wybranego materiału oraz modelu drukarki 3D; w przypadku zastosowanym w niniejszym badaniu należy użyć ustawień przedstawionych w Tabeli 1. Należy użyć filamentu, który jest najlepiej biały lub w dowolnym kolorze rozpraszającym światło lasera bez znaczącej absorpcji.
- Kliknąć przycisk Slice w oprogramowaniu do slicingu, aby uzyskać warstwy i ścieżkę ruchu głowicy drukującej. Plik konfiguracyjny oprogramowania do slicingu znajduje się w Dodatkowym pliku z kodem 3.
- Zapisać wynikowy G-code (Dodatkowy plik z kodem 2) i przesłać go do drukarki 3D.
Rysunek 1: Projekt obiektu. Widok 3D (lewo) oraz widok 2D (prawo) z boku, z przodu i z góry projektu obiektu. Siatka reprezentuje 1,0 mm x 1,0 mm, przy czym 1,0 cm x 1,0 cm zaznaczono pogrubieniem. Ścianka ma wymiary 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (szerokość x wysokość x głębokość), a wypustki mają szerokość 1,0 mm, głębokość 0,4 mm i są oddzielone odstępem 1,0 mm. Okna mają szerokość 1,0 mm i wysokość 2,0 mm. Projekt 3D znajduje się w Pliku Uzupełniającym z Kodem 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
| Właściwość/ustawienie | Wartość |
| Filament | Kwas polimlekowy (PLA), biały |
| Średnica dyszy | 0.4 mm |
| Grubość warstwy | 0.2 mm |
| Temperatura dyszy | 210 °C |
| Prędkość wentylatora chłodzącego | 100% |
| Prędkość drukowania | 10 mm/s |
| Prędkość przejazdowa | 10 mm/s |
| Temperatura stołu | 60 °C |
Tabela 1: Ustawienia druku 3D. Ustawienia i właściwości drukarki zastosowane do slicowania projektu obiektu. W przypadku drugiego eksperymentu prędkość wentylatora została ręcznie zmieniona na 0%.
3. Przeprowadzenie eksperymentu
- Uruchom drukarkę 3D i poczekaj do zakończenia procesu rozgrzewania.
- Pomiar LSI można rozpocząć w dowolnym momencie, jednak aby uniknąć zapisywania zbędnych danych, należy go uruchomić w momencie rozpoczęcia ekstruzji tworzywa.
- Poczekaj, aż drukarka 3D zakończy pracę, a następnie zatrzymaj pomiar LSI.
- Wczytaj uzyskane dane do oprogramowania do przeglądania obrazów i dokonaj wizualnej inspekcji wydrukowanego obiektu. Porównaj zmierzone ruchy polimeru podczas drukowania z końcową integralnością strukturalną i jakością powierzchni.
Wyniki
Jako obiekt testowy do eksperymentów narysowano prosty model: ścianę z wypustkami z tyłu, dwa okna oraz duży otwór (Rycina 1). Obiekt został pocięty na warstwy zgodnie z ustawieniami i właściwościami drukarki wymienionymi w Tabeli 1.
Instrument LSI został wyrównany z drukarką 3D, a następnie przeprowadzono eksperyment. Intuicyjna konfiguracja obejmuje dodatkową kamerę w świetle jasnym, która ułatwia wyrównanie i pozwala na łatwe porównanie ekstruzji tworzywa sztucznego z pomiarami ruchu polimeru. Zarówno kamera do obrazowania spekli, jak i kamera w świetle jasnym są wyposażone w filtry optyczne zapobiegające interferencjom z drugiego kanału. Więcej szczegółów technicznych dotyczących konfiguracji znajduje się w Pliku uzupełniającym 1, a wyjaśnienie procedury analizy przedstawiono w Pliku uzupełniającym 2. Najważniejsze wyniki tego eksperymentu przedstawiono na Rysunku 2, a pełny film można znaleźć w Filmie uzupełniającym 1. Jak wykazano wcześniej, eksperyment można przeprowadzić równie skutecznie przy użyciu instrumentu zbudowanego samodzielnie17.
Rycina 2: Time-lapse drukowania przy prędkości wentylatora chłodzącego wynoszącej 100%. Lewo: Obraz w jasnym polu, widok z przodu obiektu, gdy drukarka niemal skończyła pracę. Jakość wydruku po inspekcji wydaje się dobra; choć na powierzchni widoczne są linie warstw, ogólna zaprojektowana geometria została zachowana. Prawo: Cztery migawki LSI z białego zaznaczonego obszaru podczas procesu drukowania; niebieskie strzałki wskazują pozycję głowicy drukującej w momencie wykonania migawki, ponieważ obrazy LSI nie odpowiadają czasowo obrazowi w jasnym polu. Jaśniejsze kolory na każdej migawce wskazują zwiększony ruch polimeru, który obserwuje się w ostatnio wydrukowanych warstwach. Należy zauważyć, że obszar o zwiększonym ruchu (strefa spawania) obejmuje wiele warstw. Pełny szczegółowy film z eksperymentu jest dostępny w Supplementary Movie 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
Uzupełniająco do tych wyników, dokonano wizualnej inspekcji wydruku; zgodnie z oczekiwaniami dla tych powszechnie stosowanych filamentów polimerowych i ustawień drukowania, jakość była dobra. Zaprojektowana geometria została faktycznie odwzorowana, a powierzchnia była gładka, z niewielką linią widoczną na każdej warstwie. Dzięki danym LSI możliwe było uzyskanie szczegółowego wglądu w proces drukowania. Świeżo ekstrudowany plastik był widoczny jako wysoce mobilny, a mobilność stopniowo malała w miarę jego chłodzenia. Wysokość obszaru o wysokiej mobilności (tj. strefy spawania) wynosiła od czterech do pięciu warstw przez cały proces drukowania, co wskazuje na dobrze zdefiniowany czas fuzji warstw.
Eksperyment powtórzono, ręcznie ustawiając prędkość wentylatora chłodzącego na 0%. Przy tym ustawieniu plastik nie schładzał się wystarczająco szybko, co wpłynęło na jakość wydruku. Najważniejsze wyniki przedstawiono na Rysunku 3, a pełny szczegółowy film znajduje się w Filmie uzupełniającym 2.
![Układ mikroskopowy z diagramem analizy mapy ciepła dla pomiaru tekstury powierzchni; skala mocy [dB].](/files/ftp_upload/65415/65415fig03.jpg "figure-results-2")
Rycina 3: Time-lapse drukowania przy 0% prędkości wentylatora chłodzącego. Lewo: Obraz obiektu w polu jasnym, widok z przodu, gdy drukarka prawie skończyła pracę. Jakość wizualna wydruku jest niska; powierzchnia wykazuje nieregularne linie warstw i duże grudki. Dodatkowo ogólna zaprojektowana geometria została odwzorowana niedoskonale; w szczególności okna i otwory są zdeformowane. Prawo: Cztery migawki LSI z białego obrysu obszaru podczas procesu drukowania; niebieskie strzałki wskazują pozycję głowicy drukującej w momencie wykonania migawki, ponieważ obrazy LSI nie odpowiadają czasowo obrazowi w polu jasnym. Jaśniejsze kolory na każdej migawce wskazują na zwiększony ruch polimeru, który można zaobserwować w całym obiekcie. Pełny, szczegółowy film z eksperymentu dostępny jest w Supplementary Movie 2. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Zgodnie z oczekiwaniami, inspekcja wizualna wydrukowanego w technologii 3D konstruktu wykazała niską jakość druku. Warstwy były rozmieszczone nierównomiernie, a zaprojektowana geometria została odwzorowana z deformacjami. Porównanie obrazów w polu jasnym w Rysunek 2 i Rysunek 3 wykazuje główny wpływ wentylatora chłodzącego na jakość powierzchni i kształt wydruku. Źródło tego efektu określono poprzez porównanie wyników LSI z Rycina 2 i Rysunek 3Przy prędkości wentylatora chłodzącego wynoszącej 100% zaobserwowano zwiększony ruch polimeru jedynie w obszarze oddalonym o kilka warstw poniżej wytłoczonego tworzywa. W związku z tym każda warstwa była umiarkowanie upłynniana kilkukrotnie, aby uzyskać wiązanie warstw bez przepływu tworzywa. Przy prędkości wentylatora chłodzącego wynoszącej 0% zwiększony ruch polimeru zaobserwowano w całym obiekcie. W konsekwencji każda warstwa była upłynniana wielokrotnie i w bardzo bliskiej odległości od świeżo wytłoczonego tworzywa, co prowadziło do utraty dokładności geometrycznej wskutek przepływu tworzywa.
Aby uzyskać bardziej ilościowy obraz wpływu wentylatora chłodzącego w łagodniejszych warunkach, systematycznie zmieniano prędkość obrotową wentylatora. Konstrukcję obiektu uproszczono do ścianki o wymiarach 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (szerokość x wysokość x głębokość) bez otworów ani wypustek. Zastosowano te same ustawienia druku, co w Tabeli 1. Eksperyment przeprowadzono 12 razy, przy prędkościach wentylatora chłodzącego wynoszących 0%, 20%, 40%, 60%, 80% i 100%, każdorazowo w dwóch powtórzeniach. Wynikowe filmy znajdują się w Filmach uzupełniających 3, Filmie uzupełniającym 4, Filmie uzupełniającym 5, Filmie uzupełniającym 6, Filmie uzupełniającym 7 oraz Filmie uzupełniającym 8, a także w Plikach kodowania uzupełniających 6, Pliku kodowania uzupełniającym 7, Pliku kodowania uzupełniającym 8, Pliku kodowania uzupełniającym 9, Pliku kodowania uzupełniającym 10 i Pliku kodowania uzupełniającym 11.
W celu ilościowego porównania stref spawania dla różnych prędkości wentylatora, przeprowadzono zaawansowaną analizę danych uzyskanych z LSI. Celem tej analizy danych było otrzymanie profilu wysokości zakresu przemieszczenia polimeru w strefie spawania. Powiązany, w pełni opisany skrypt MATLAB znajduje się w Uzupełniający plik kodów 4 i został opisany krótko. Dla każdego obrazu LSI w filmie obliczany jest profil wysokości poprzez wyznaczenie średniej w kierunku poziomym. Profile obrazów, na których głowica drukująca znajduje się w ROI, wykazują wyraźny pik w okolicy strefy spawania. Aby wyselekcjonować wyłącznie te profile, bierze się pod uwagę tylko te, których pik przekracza 8 dB. Odrzucane są również profile, w których pik ten znajduje się zbyt blisko krawędzi ROI. Następnie pozycje pików wszystkich profili są wyrównywane, aby uzyskać profil średni w odniesieniu do wysokości, przy której polimery wykazują największą mobilność. Wynikowe profile dla sześciu różnych prędkości wentylatora chłodzącego przedstawiono na Rycina 4.
Rycina 4: Profile wysokości dla systematycznej zmienności prędkości wentylatora chłodzącego. Lewo: Profile strefy spawania dla prędkości wentylatora chłodzącego wynoszących 100% (czarny), 80% (niebieski), 60% (fioletowy), 40% (czerwony), 20% (pomarańczowy) i 0% (żółty), uzyskane za pomocą zaawansowanego skryptu analizy danych w Pliku uzupełniającym z kodem 4 (Supplementary Coding File 4). Zacieniowany obszar to odchylenie standardowe między powtórzonymi eksperymentami. Schemat po prawej stronie wyjaśnia procedurę uśredniania w celu uzyskania profilu typowego obrazu LSI. Poprzez wyrównanie maksimów szczytów wszystkich uzyskanych profili wyznaczana jest strefa spawania. Maksimum strefy spawania (wysokość względna = 0) to wysokość, przy której polimery są najbardziej mobilne. Pełne, szczegółowe filmy LSI i w polu jasnym z każdego eksperymentu są dostępne w Filmie uzupełniającym 3 (Supplementary Movie 3), Filmie uzupełniającym 4 (Supplementary Movie 4), Filmie uzupełniającym 5 (Supplementary Movie 5), Filmie uzupełniającym 6 (Supplementary Movie 6), Filmie uzupełniającym 7 (Supplementary Movie 7), oraz Filmie uzupełniającym 8 (Supplementary Movie 8). Obiekt wydrukowany na potrzeby tej ryciny znajduje się w Pliku uzupełniającym z kodem 5 (Supplementary Coding File 5), wraz z odpowiadającymi mu plikami G-code w Pliku uzupełniającym z kodem 6 (Supplementary Coding File 6). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Profile strefy spawania dla chłodzenia w zakresie 40%-100% były prawie identyczne. Strefa spawania dla chłodzenia 20% posiadała ramię sięgające do kilku głębszych warstw. Strefa spawania dla chłodzenia 0% rozciągała się na całym zmierzanym obszarze. Wysokość, na której polimery były najbardziej mobilne, znajdowała się w obrębie lub nieco poniżej ostatnio wydrukowanej warstwy. Zjawisko to wyjaśnia obecność sygnału LSI na dodatnich wysokościach względnych, ponieważ nad szczytem mobilności znajduje się wydrukowany materiał. we wszystkich przypadkach strefa spawania sięgała znacznie głębiej niż grubość warstwy 0,2 mm.
Plik uzupełniający 1: LSI setup.xls. Parametry sprzętowe instrumentu LSI użytego w tej pracy. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 2: LSI analysis.docx. Wyjaśnienie konwersji surowych obrazów speklowych na obrazy LSI. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Film uzupełniający 1: Film LSI oraz w jasnym polu z eksperymentu opisanego na Rysunku 2. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5x czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna część zsynchronizowany widok w jasnym polu z zaznaczonym ROI LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Dodatkowy film 2: Nagranie LSI i w polu jasnym eksperymentu opisanego na Rysunku 3. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5x czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna część zsynchronizowany widok w polu jasnym z zaznaczonym ROI LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Film uzupełniający 3: Eksperyment z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 100%, opisany na Rysunku 4. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5x czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna część zsynchronizowany widok w jasnym polu z zaznaczonym obszarem ROI dla LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Film uzupełniający 4: Opisany w treści eksperyment z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 80% Rysunek 4. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5-krotnie większą od czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna zsynchronizowany obraz w jasnym polu z zaznaczonym obszarem zainteresowania (ROI) LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Dodatkowy film 5: Eksperyment z prędkością wentylatora chłodzącego wynoszącą 60% opisany na Rysunku 4. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5x czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna część zsynchronizowany widok w jasnym polu z zaznaczonym ROI LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Uzupełniający film 6: Eksperyment z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 40% opisany na Ryc. 4. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5x czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna zsynchronizowany widok w jasnym polu z zaznaczonym obszarem ROI LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Dodatkowy film 7: Eksperyment z prędkością wentylatora chłodzącego wynoszącą 20% opisany na Rysunku 4. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5x czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna część zsynchronizowany widok w jasnym polu z zaznaczonym obszarem ROI LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Dodatkowy film 8: Eksperyment z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 0%, opisany na Rysunku 4. Film jest odtwarzany z prędkością 12,5-krotnością czasu rzeczywistego. Górna część przedstawia wynik LSI, a dolna zsynchronizowany obraz w jasnym polu z zaznaczonym obszarem ROI dla LSI. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Dodatkowy plik kodowy 1: wall_with_holes.stl. Projekt 3D obiektu opisanego na Rysunku 1. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.
Uzupełniający plik kodu 2: wall_with_holes.gcode. Przeszatkowany obiekt wall_with_holes.stl przy ustawieniach z Tabeli 1. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający z kodem 3: config.ini. Plik konfiguracyjny dla oprogramowania do slice'owania. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodu 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Skrypt do przeprowadzenia zaawansowanej analizy danych z pomiarów prędkości wentylatora chłodzącego i wygenerowania Rysunku 4. Skrypt jest w pełni opatrzony komentarzami. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik kodowania uzupełniający 5: wall.stl. Projekt 3D obiektu wykorzystanego do zebrania danych przedstawionych na Rysunku 4. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.
Uzupełniający plik kodu 6: wall_100%fan.gcode. Przecięty obiekt wall.stl z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 100%. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodowy 7: wall_80%fan.gcode. Przecięty obiekt wall.stl z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 80%. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.
Uzupełniający plik kodu 8: wall_60%fan.gcode. Przecięty obiekt wall.stl przy 60% prędkości wentylatora chłodzącego. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodowania 9: wall_40%fan.gcode. Przekrój obiektu wall.stl przy prędkości wentylatora chłodzącego wynoszącej 40%. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Uzupełniający plik kodu 10: wall_20%fan.gcode. Przeskalowany obiekt wall.stl z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 20%. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik kodowania uzupełniający 11: wall_0%fan.gcode. Przetworzony obiekt wall.stl z prędkością wentylatora chłodzącego ustawioną na 0%. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Dyskusja
Eksperymenty i wyniki opisane w tym badaniu pokazują, że LSI jest łatwym w zastosowaniu narzędziem, które pozwala na głębsze zrozumienie łączenia warstw podczas produkcji addytywnej. LSI pozwala na bezpośredni pomiar ruchu polimeru, który musi być precyzyjnie dostrojony, aby utworzyć spójny materiał poprzez przenikanie, a następnie splątanie łańcuchów polimerowych. Najczęstszą alternatywą dla pomiaru klejenia warstw in situ jest obrazowanie w podczerwieni 3,4,5. Ta dobrze znana metoda obrazuje lokalną temperaturę powierzchni tworzywa sztucznego 8,9, która jest pośrednim pomiarem ruchu polimeru wewnątrz materiału. W przypadku cieplejszego tworzywa sztucznego ruch jest szybszy, a wiązanie staje się silniejsze. Jednak zależność między temperaturą a ruchem nie jest liniowa, ponieważ temperatury druku przecinają się z temperaturami topnienia i zeszklenia 6,7. Ten nietrywialny związek można bezpośrednio zaobserwować na obrazach LSI; W szczególności występuje ostre przejście między ciekłym górnym obszarem a stałym dnem, podczas gdy oczekuje się, że gradient temperatury będzie znacznie bardziej stopniowy. Inną wadą obrazowania w podczerwieni jest to, że mierzy ono tylko temperaturę powierzchni, podczas gdy LSI mierzy ruch polimeru zwykle kilka milimetrów w głąb materiału.
Podobnie jak w przypadku obrazowania w podczerwieni, ta implementacja LSI jest zasadniczo metodą typu "wskaż i strzelaj"; Może być używany in situ , jeśli kamera może być skierowana na obszar zainteresowania. Wszechstronny statyw i duża odległość robocza wynosząca 0,7 m dają swobodę korzystania z każdej dostępnej drukarki 3D. Co istotne, LSI jest wrażliwy na ruchy nanoskopowe, a co za tym idzie, drgania z otoczenia i samego procesu drukowania muszą być zminimalizowane17. Na przykład wykonanie innego zadania na tym samym stole lub zatrzaśnięcie drzwiami spowoduje zakłócenia. Dlatego należy ostrożnie obchodzić konfigurację; Jednak oświetlenie w pomieszczeniu lub przepływ powietrza na ogół nie zakłócają procesu.
LSI zapewnia szczegółowy wgląd w proces łączenia warstw i może być stosowany tak łatwo, jak obrazowanie w podczerwieni. Przewidujemy, że LSI ma ogromny potencjał we wspomaganiu rozwoju i zrozumienia zaawansowanych metod druku 3D. Prędkość wentylatora chłodzącego pokazuje przebłysk tego, co jest możliwe dzięki połączeniu LSI z drukiem 3D. Jak omówiono we wprowadzeniu, optymalna prędkość chłodzenia to równowaga między utrzymywaniem stopionego tworzywa sztucznego wystarczająco długo, aby poprawić wiązanie warstw, ale chłodzeniem wystarczająco szybko, aby zapobiec przepływowi. Wyniki prędkości wentylatora chłodzącego na poziomie 40%-100% były bardzo podobne; Rzeczywiście, te prędkości wentylatora nie wykazywały żadnego przepływu i zapewniały dobrą jakość powierzchni. Przy 0% prędkości wentylatora chłodzącego materiał zaczął odpływać od miejsca wydrukowania, ale w pomiarze LSI zaobserwowano obfite wiązanie warstw. Opierając się na naszych wynikach, 20% prędkość wentylatora chłodzącego może być optymalna dla uzyskania nieznacznie lepszego wiązania warstw bez uszczerbku dla jakości powierzchni. Jednak, aby wyciągnąć wnioski, które można zastosować w praktyce, należy ocenić więcej prędkości wentylatorów chłodzących w zakresie od 0% do 40%. Pożądane jest również ustanowienie miar ilościowych dla jakości powierzchni i wytrzymałości materiału, aby uzyskać obiektywny i kompletny obraz wpływu ruchu polimeru na pożądane właściwości. Dzięki temu dodatkowi podejście może być bardziej skuteczne w ocenie kreatywnych postępów w druku 3D.
Dokładne ustawienia, które są wybierane do analizy LSI, nie są podatne na błędy krytyczne, o ile można wyraźnie odróżnić fazę tworzywa sztucznego przypominającą ciecz od fazy plastycznej przypominającej ciało stałe. Ruch polimeru zmienia się dramatycznie po przekroczeniu temperatury topnienia i zeszklenia, więc szeroki zakres ustawień LSI dobrze oddaje kontrast. Można to łatwo przetestować za pomocą wydruku testowego prostego obiektu (np. prostej ściany) z ustawieniami drukarki 3D, które są zalecane przez dostawcę materiału. Dla bardziej zaawansowanych użytkowników LSI głębsze zagłębienie się w zakres częstotliwości może dostarczyć dodatkowych informacji, ponieważ można ilościowo rozróżnić różne rodzaje ruchu polimeru. Na przykład ruch polimeru o wysokiej częstotliwości wiąże się z najwyższymi temperaturami, które występują tylko w pobliżu głowicy drukarki. Ruch polimeru o niższej częstotliwości wiąże się z umiarkowanymi temperaturami, które występują na znacznie większym obszarze wokół głowicy drukarki, a także przez znacznie dłuższy czas17. Należy zbadać, czy stopień wiązania dla skumulowanego ruchu polimeru o niskiej częstotliwości może być równy temu w przypadku krótkiego ruchu o wysokiej częstotliwości (np. przy dynamicznej analizie mechanicznej). Większość innych ustawień, takich jak skalowanie mapy kolorów, zwrot z inwestycji, interwał zapisywania i długość eksperymentu, jest wybierana wyłącznie w celu uzyskania wizualnie przejrzystego i atrakcyjnego wyniku. Jeśli chodzi o ustawienia druku 3D, istnieje również duża swoboda, ponieważ LSI pozwala użytkownikowi obiektywnie ocenić wyniki zmiany dowolnego z ustawień. Warto zauważyć, że drastyczna zmiana prędkości drukowania zmienia interpretację danych LSI. W tej pracy zastosowano niską prędkość drukowania i przesuwu wynoszącą 10 mm/s w celu uchwycenia wielu obrazów LSI podczas jednego przejścia głowicy drukarki. Gdyby zastosowano bardziej powszechną prędkość drukowania 60 mm/s dla PLA, na każdy obraz LSI wydrukowana zostałaby mniej więcej jedna pełna warstwa, a zatem nastąpiłoby uśrednianie w obrębie jednej warstwy. W przypadku eksperymentowania z wysokimi prędkościami, takimi jak 300 mm/s i szybszymi, nastąpiłoby uśrednienie na wielu warstwach. Niemniej jednak jest to całkowicie zależne od dokładnej geometrii druku i ustawień LSI i może być łatwo złagodzone przez doświadczonego użytkownika LSI poprzez zaawansowaną konstrukcję maszyny, dostosowanie rozmiaru pola widzenia lub użycie szybszej kamery. Oba podejścia wymagają mocniejszego lasera, który w połączeniu z odblaskową głowicą drukarki wymaga dodatkowych środków ostrożności związanych z laserem. Stosunkowo niska prędkość drukowania ma również pozytywny wpływ na wiązanie warstw, ponieważ wcześniej udowodniono, że przenoszenie ciepła do tworzywa sztucznego wzrasta wraz z wolniejszymi prędkościami drukowania5.
Jednym z możliwych nowych kierunków tego podejścia jest testowanie nowych materiałów; Na przykład LSI może być używany do wizualizacji odpowiednich przejść i obiektywnego ilościowego określania zalecanych ustawień drukarki, które dają pięciowarstwową strefę spawania po nałożeniu górnej warstwy. Innym zastosowaniem może być badanie strefy spawania w określonych sytuacjach, w których jakość druku nie jest niezawodnie dobra, na przykład w przypadku mostów, zwisów lub ostrych narożników. Jeśli strefa spawania w trudnych sytuacjach może być lepiej poznana, powinna być możliwa kompensacja w kodzie G. Powszechną praktyką jest już drukowanie pierwszej warstwy cieplej i wolniej niż pozostałe warstwy, aby uzyskać dobrą przyczepność do platformy roboczej18. Przewidujemy zastosowanie podobnego dynamicznego cięcia G-code, w którym na przykład chłodzenie wentylatora można dostosować w celu uzyskania narożników lub mostków. Powinno być również możliwe wydrukowanie materiału ściany zewnętrznej z gładszym wykończeniem, a reszta materiału i wypełnienie bardziej szorstkie, ale mocniejsze, aby zmaksymalizować zarówno wytrzymałość materiału, jak i wygląd wizualny.
W artykule omówiono zastosowanie LSI do badania procesu łączenia warstw po wytłaczaniu tworzyw sztucznych. Technika ta doskonale nadaje się do tego zadania, ponieważ może wizualizować ruch leżącego pod spodem polimeru bez apriorycznych założeń w czasie rzeczywistym podczas drukowania 3D. Nie podaje jednak żadnych informacji na temat spójności materiału, więc wymagane będą dodatkowe badania. Inne omawiane wady mają charakter sytuacyjny; ograniczoną prędkość obrazowania wynoszącą cztery obrazy LSI na sekundę można zwiększyć za pomocą większego lasera i dodatkowych laserowych środków bezpieczeństwa, a czułość na drgania wymaga środków ostrożności lub sprzętu do redukcji drgań. LSI można wykonać za pomocą tanich i małych aparatów cyfrowych i laserów19,20, co pozwala na integrację z praktycznie każdą drukarką 3D w celu kontroli jakości na żywo i dynamicznego dostrajania parametrów drukowania. Jednak bardziej sensowne jest zatrudnienie LSI w celu rozwinięcia dokładnej wiedzy na temat łączenia warstw podczas drukowania 3D. Jeśli ta wiedza zostanie wykorzystana do opracowania bardziej zaawansowanego oprogramowania do krojenia, każda konsumencka drukarka 3D może skorzystać ze zdobytej wiedzy.
Oświadczenia
Jesse Buijs jest w trakcie zakładania start-upu, który sprzedaje instrument LSI i oprogramowanie używane w tym artykule. Pozostali autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Podziękowania
Autorzy nie otrzymali żadnego zewnętrznego finansowania.
Materiały
Oprogramowanie roku
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| do rysowania 3D | Autodesk | TinkerCad | tinkercad.com |
| Drukarka 3D | Prusa3D | Original Prusa i3 MK3S | |
| Zaawansowane oprogramowanie do analizy danych | MathWorks | MATLAB R2018b | |
| Oprogramowanie do przeglądania obrazów | National Institutes of Health | ImageJ 1.47v | |
| LSI instrument | NanoMoI | NanoMoi allround | Firma zostanie założona w 2023 |
| Filament z kwasem polimlekowym (PLA) | Filament REAL | biały 1,75 mm PLA 1 kg | |
| Oprogramowanie do krojenia | Prusa3D | PrusaSlicer-2.5.0 |
Bibliografia
- 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).
Przedruki i uprawnienia
