Com uma técnica não invasiva e em tempo real, o movimento do polímero nanoscópico dentro de um filamento de polímero é obtido durante a impressão 3D. O ajuste fino desse movimento é crucial para produzir construções com desempenho e aparência ideais. Este método atinge o núcleo da fusão de camadas plásticas, oferecendo assim informações sobre as condições ideais de impressão e os critérios de design do material.
Artigo de método
Imagem em tempo real da colagem em camadas impressas em 3D
Neste artigo
Resumo
Resumo
Nos últimos tempos, a tecnologia de impressão 3D revolucionou nossa capacidade de projetar e produzir produtos, mas otimizar a qualidade de impressão pode ser um desafio. O processo de extrusão da impressão 3D envolve a prensagem do material fundido através de um bico fino e o depósito em material previamente extrudado. Este método baseia-se na união entre as camadas consecutivas para criar um produto final forte e visualmente atraente. Essa não é uma tarefa fácil, pois muitos parâmetros, como a temperatura do bico, a espessura da camada e a velocidade de impressão, devem ser ajustados para alcançar os melhores resultados. Neste estudo, um método para visualizar a dinâmica do polímero durante a extrusão é apresentado, fornecendo informações sobre o processo de colagem de camadas. Usando imagens speckle laser, o fluxo plástico e a fusão podem ser resolvidos de forma não invasiva, interna e com alta resolução espaço-temporal. Esta medição, que é fácil de executar, fornece uma compreensão profunda da mecânica subjacente que influencia a qualidade de impressão final. Essa metodologia foi testada com uma faixa de velocidades do ventilador de resfriamento, e os resultados mostraram aumento do movimento do polímero com velocidades menores do ventilador e, portanto, explicaram a baixa qualidade de impressão quando o ventilador de resfriamento foi desligado. Esses resultados mostram que essa metodologia permite otimizar as configurações de impressão e entender o comportamento do material. Essas informações podem ser usadas para o desenvolvimento e teste de novos materiais de impressão ou procedimentos avançados de fatiamento. Com essa abordagem, uma compreensão mais profunda da extrusão pode ser construída para levar a impressão 3D ao próximo nível.
Introdução
O método de impressão 3D é uma técnica de manufatura aditiva na qual um objeto é fabricado camada por camada para formar a forma desejada. Este método tem uma grande e diversificada base de usuários graças à sua versatilidade, acessibilidade e facilidade de uso. A modelagem por deposição fundida apresenta uma extrusora móvel (com um diâmetro de centenas de mícrons a alguns milímetros) para depositar o plástico fundido na forma desejada1. O plástico extrudado deve se comportar de maneira líquida por um certo período para conseguir uma boa fusão com o plástico previamente impresso e formar um material fortemente coeso. No entanto, o plástico deve esfriar e solidificar rapidamente após a impressão para evitar que o plástico flua para longe do local de impressão e reduza a qualidade de impressão. Foi demonstrado que essa delicada interação entre aquecimento e resfriamento sustenta diretamente o equilíbrio entre a resistência mecânica e a precisão geométrica do objeto final impresso em 3D2. Para alcançar o equilíbrio ideal de aquecimento-resfriamento, o plástico é extrudado a uma temperatura um pouco acima de sua temperatura de fusão, e uma cabeça de ventilador, conectada à impressora, é usada para resfriar o plástico rapidamente. Uma compreensão profunda dos efeitos das temperaturas de impressão e velocidades de resfriamento pode fornecer os insights necessários para o desenvolvimento de protocolos avançados de fatiamento e impressão que maximizem os resultados mecânicos ou geométricos nas áreas em que são mais importantes. Os esforços para obter mais informações sobre esses processos geralmente dependem de imagens infravermelhas (IR), que visualizam apenas a temperatura da superfície 3,4,5 e não indicam a temperatura interna do plástico. O aquecimento local além da transição de fusão aumenta drasticamente a mobilidade do polímero e, assim, permite o emaranhamento do polímero entre o material antigo e o novo. Esse movimento do polímero temporalmente aprimorado é um requisito para a formação do material coesivo final6,7, mas a imagem IR só pode medir o movimento do polímero indiretamente através da temperatura da superfície 8,9. A tradução da temperatura da superfície para a ligação da camada requer, portanto, o conhecimento preciso do gradiente de temperatura núcleo-superfície e da dinâmica complexa do polímero associada em uma faixa de escalas de tempo e comprimento. Uma medição direta da ligação da camada (isto é, o processo de emaranhamento do polímero) permitiria a visualização do mecanismo subjacente à coesão do material a granel sem informações ou suposições a priori.
Para entender a distribuição espacial e temporal da ligação por camadas, uma técnica de imagem que quantifica diretamente a dinâmica dos polímeros que compõem o filamento plástico é empregada neste trabalho. Essa técnica, a laser speckle imaging (LSI), baseia-se no espalhamento interferométrico de luz para visualizar os movimentos nanoscópicos, independentemente da composição química. Dependendo das propriedades ópticas da amostra, ela pode medir com precisão vários milímetros a centímetros em materiais não transparentes10,11,12, ao contrário da imagem IR, que relata apenas as temperaturas superficiais 8,9. Esses atributos tornaram recentemente populares os métodos baseados em speckle na compreensão de processos dinâmicos em uma infinidade de materiais, embora tenham sido originalmente desenvolvidos para aplicações médicas10,11,12. Recentemente, o LSI tem sido utilizado para obter informações sobre o comportamento de materiais poliméricos avançados, como redes poliméricas de cristal líquido autolimpantes13,14, bem como para prever fraturas emborracha15 e estudar materiais auto-reparáveis16.
A viabilidade da aplicação do LSI à impressão 3D foi mostrada em um artigoanterior 17, onde uma configuração LSI portátil com recursos de análise em tempo real foi apresentada, e foi mostrado que a deposição de plástico fundido resulta no aumento do movimento do polímero várias camadas abaixo da camada atual. No trabalho aqui apresentado, são realizadas pesquisas sistemáticas sobre os efeitos da velocidade do ventilador de resfriamento sobre o grau de colagem multicamadas. Uma versão plug-and-play melhorada do instrumento portátil é usada que pode ser operada por usuários sem experiência em óptica ou programação. As imagens speckle são analisadas em tempo real utilizando transformadas de Fourier17, que visualizam a amplitude das flutuações de intensidade do speckle. Este instrumento tem uma câmera de campo brilhante adicional que está alinhada com a câmera speckle para que os mapas de movimento LSI possam ser sobrepostos com as imagens de campo brilhante para facilitar a interpretação sem que a luz de campo brilhante afete os mapas de movimento. A abordagem experimental apresentada neste artigo pode ser usada para obter mais informações sobre a fusão, ligação de camadas e solidificação de plástico extrudado durante a impressão 3D de geometrias e materiais desafiadores.
Protocolo
1. Configuração e alinhamento do instrumento LSI com a impressora 3D
- Coloque a impressora 3D em uma superfície estável para minimizar as vibrações. Coloque o instrumento LSI ao lado para que a câmera tenha uma visão clara da área de impressão. Posicione o instrumento LSI ligeiramente mais alto do que a placa de construção da impressora 3D e incline-o ligeiramente para baixo para que a visão não seja obstruída.
- Ligue a iluminação a laser e de campo brilhante e verifique se eles estão alinhados com a área de imagem. Ajuste a potência do laser para 20 mW, certifique-se de que o laser saia da caixa de configuração expandida em uma grande área (vários centímetros quadrados) e garanta que a densidade de potência seja baixa o suficiente (várias vezes menor do que um ponteiro laser) para ser usada in situ sem medidas de segurança adicionais, como óculos de laser ou gabinetes pretos.
CUIDADO: Não olhe diretamente para o laser. - Comece com uma impressão de teste (por exemplo, Arquivo de Codificação Suplementar 1 ou Arquivo de Codificação Suplementar 2) para tornar o alinhamento e a configuração experimental mais convenientes (etapas 1.3-1.6). Verifique se a câmera LSI está focada na área de impressão.
- Durante esta primeira impressão de teste, alinhe de forma ideal a iluminação e a câmera digital. Ajuste a direção do laser para que toda a área de imagem seja iluminada homogeneamente e ajuste o diafragma de forma que o tamanho da mancha seja ligeiramente maior do que o tamanho do pixel.
- Otimize a taxa de quadros e o tempo de exposição de forma que o número de pixels subexpostos e superexpostos seja minimizado para atingir o intervalo dinâmico máximo.
- Escolha os parâmetros certos para a análise de dados LSI ao vivo; Mais importante, selecione a frequência que produz o melhor contraste de imagem entre plástico fundido e solidificado. Ajuste a região de interesse (ROI) e o dimensionamento do mapa de cores. Neste caso, optou-se por um comprimento da série de Fourier de 16 e visualizou-se a amplitude da segunda frequência. Como a taxa de coleta de imagens speckle é de 50 quadros por segundo, a frequência visualizada é de 6,25 Hz.
- Prepare o instrumento LSI para capturar as imagens para um experimento de impressão 3D. Escolha com que frequência e por quanto tempo as imagens serão salvas. Nesse caso, as imagens foram salvas a cada 0,25 s para que várias imagens fossem salvas por passagem da cabeça da impressora. Para cada experimento, as imagens foram salvas por 15 min, pois cada trabalho de impressão levava no máximo 12 min.
2. Preparação do projeto de impressão 3D e código G
- Desenhe o objeto usando um software de desenho 3D de sua escolha e exporte-o como um arquivo .stl. Neste caso, foi utilizada uma parede com sulcos e furos, que é mostrada na Figura 1 e pode ser baixada do Arquivo de Codificação Suplementar 1.
- Importe o arquivo .stl para o software de fatiamento e escolha as configurações de impressão. Essas configurações dependerão da escolha do material e do modelo da impressora 3D; para o caso utilizado neste estudo, utilizar as configurações mostradas na Tabela 1. Use um filamento que seja preferencialmente branco ou qualquer cor que espalhe a luz laser sem absorção significativa.
- Pressione o botão Fatia no software de fatiamento para obter as camadas e o caminho de deslocamento da cabeça de impressão. O arquivo de configuração do software de fatiamento pode ser encontrado no Arquivo de Codificação Suplementar 3.
- Salve o código G resultante (Supplementary Coding File 2) e envie-o para a impressora 3D.
Figura 1: Design do objeto. Uma visualização 3D (esquerda) e uma visualização 2D (direita) na lateral, frontal e superior do design do objeto. A grade representa 1,0 mm x 1,0 mm, com 1,0 cm x 1,0 cm em negrito. A parede é de 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (largura x altura x profundidade), e as cristas têm uma largura de 1,0 mm, têm uma profundidade de 0,4 mm e estão separadas por 1,0 mm. As janelas têm uma largura de 1,0 mm e uma altura de 2,0 mm. O projeto 3D pode ser encontrado no Arquivo de Codificação Suplementar 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Propriedade/configuração | Valor |
| Filamento | Ácido polilático (PLA), branco |
| Diâmetro do bocal | 0,4 milímetros |
| Espessura da camada | 0,2 milímetros |
| Temperatura do bocal | 210 °C |
| Velocidade do ventilador de resfriamento | 100% |
| Velocidade de impressão | 10 mm/s |
| Velocidade de deslocamento | 10 mm/s |
| Temperatura do leito | 60 °C |
Tabela 1: As configurações de impressão 3D. As configurações e propriedades da impressora usadas para fatiar o design do objeto. Para o segundo experimento, a velocidade do ventilador foi alterada manualmente para 0%.
3. Realização do experimento
- Inicie a impressora 3D e aguarde o término do período de aquecimento.
- A medição LSI pode ser iniciada a qualquer momento, mas para evitar a economia desnecessária de dados, inicie a medição LSI quando o plástico começar a extrudar.
- Aguarde até que a impressora 3D termine e, em seguida, pare a medição LSI.
- Carregue os dados resultantes em um software de visualização de imagem e inspecione visualmente o objeto impresso. Compare os movimentos medidos do polímero plástico durante a impressão com a integridade estrutural final e a qualidade da superfície.
Resultados
Um objeto simples foi desenhado como alvo de teste para os experimentos: uma parede com sulcos nas costas, duas janelas e um grande orifício (Figura 1). O objeto foi fatiado com as configurações e propriedades da impressora listadas na Tabela 1.
O instrumento LSI foi alinhado com a impressora 3D, e o experimento foi realizado. A configuração fácil de usar possui uma câmera de campo brilhante adicional, que ajuda durante o alinhamento e permite uma comparação fácil entre a extrusão de plástico e o movimento medido do polímero. O speckle e as câmeras de campo brilhante são ambos equipados com filtros ópticos que impedem a interferência do outro canal. Mais detalhes técnicos sobre a configuração podem ser encontrados no Arquivo Suplementar 1, e uma explicação da rotina de análise é apresentada no Arquivo Suplementar 2. Os destaques dos resultados desse experimento são mostrados na Figura 2, e o filme completo pode ser encontrado no Filme Suplementar 1. Como mostrado anteriormente, o experimento pode ser realizado igualmente bem com um instrumento construído em casa17.
Figura 2: Time-lapse de impressão com uma velocidade de ventilador de resfriamento de 100%. Esquerda: Brightfield, imagem frontal do objeto quando a impressora está quase terminada. A qualidade da impressão fica boa após a inspeção; Embora a superfície mostre as linhas da camada, a geometria geral projetada foi produzida. Direita: Quatro instantâneos LSI da região delineada em branco durante o processo de impressão; as setas azuis indicam a posição da cabeça de impressão no momento do instantâneo, pois as imagens LSI não correspondem no tempo com a imagem de campo brilhante. As cores mais claras em cada instantâneo indicam maior movimento do polímero, o que é observado nas camadas impressas mais recentemente. Observe que a região com movimento aprimorado (a zona de soldagem) tem várias camadas de espessura. O filme completo detalhado do experimento está disponível no Filme Suplementar 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Complementar a esses resultados, a impressão foi inspecionada visualmente; Como esperado para esses filamentos de polímero comumente usados e configurações de impressão, a qualidade foi boa. A geometria projetada foi, de fato, reproduzida, e a superfície foi uniforme, com uma pequena linha visível em cada camada. Com os dados LSI, foi possível obter uma visão aprofundada do processo de impressão. O plástico recém-extrudado era visível como altamente móvel, e a mobilidade diminuía gradualmente à medida que esfriava. A altura da área com alta mobilidade (i.e., a zona de soldagem) foi de quatro a cinco camadas de espessura durante todo o procedimento de impressão, indicando uma duração bem definida de fusão das camadas.
O experimento foi repetido com a velocidade do ventilador de resfriamento ajustada manualmente para 0%. Com essa configuração, o plástico não esfriou rápido o suficiente, o que afetou a qualidade de impressão. Os destaques dos resultados são mostrados na Figura 3, e o filme detalhado completo pode ser encontrado no Filme Suplementar 2.
Figura 3: Time-lapse de impressão com 0% de velocidade do ventilador de resfriamento. Esquerda: Brightfield, imagem frontal do objeto quando a impressora está quase terminada. A qualidade visual da impressão parece pobre; A superfície mostra linhas de camadas irregulares e grandes bolhas. Além disso, a geometria geral projetada foi imperfeitamente reproduzida; Notavelmente, as janelas e buracos estão deformados. Direita: Quatro instantâneos LSI da região delineada em branco durante o processo de impressão; as setas azuis indicam a posição da cabeça de impressão no momento do instantâneo, pois as imagens LSI não correspondem no tempo com a imagem de campo brilhante. As cores mais claras em cada instantâneo indicam maior movimento do polímero, que pode ser observado em todo o objeto. O filme completo detalhado do experimento está disponível no Filme Suplementar 2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Em linha com as expectativas, a inspeção visual da construção impressa em 3D realmente mostrou baixa qualidade de impressão. As camadas foram distribuídas de forma desigual e a geometria projetada foi reproduzida com deformações. Uma comparação das imagens de campo brilhante na Figura 2 e na Figura 3 mostra o principal efeito do ventilador de resfriamento na qualidade da superfície e na forma do resultado da impressão. A origem desse efeito foi determinada comparando-se os resultados do LSI da Figura 2 e da Figura 3. Com uma velocidade de 100% do ventilador de resfriamento, o movimento aprimorado do polímero foi observado em uma região apenas algumas camadas abaixo do plástico extrudado. Portanto, cada camada foi liquefeita moderadamente algumas vezes para obter a colagem da camada sem fluxo plástico. Com a velocidade do ventilador de resfriamento de 0%, um movimento aprimorado do polímero foi observado em todo o objeto. Assim, cada camada foi liquefeita muitas vezes e extremamente próxima ao plástico recém-extrusado, resultando em uma perda de precisão geométrica através do fluxo plástico.
Para obter uma visão mais quantitativa do efeito do ventilador de resfriamento em situações mais moderadas, a velocidade do ventilador de resfriamento foi sistematicamente variada. O desenho do objeto foi simplificado para uma parede de 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (largura x altura x profundidade) sem furos ou sulcos. Foram utilizadas as mesmas configurações de impressão da Tabela 1 . O experimento foi realizado 12 vezes, com velocidades de 0%, 20%, 40%, 60%, 80% e 100%, cada uma em duplicata. Os filmes resultantes podem ser encontrados em Filmes Suplementares 3, Filme Suplementar 4, Filme Suplementar 5, Filme Suplementar 6, Filme Suplementar 7 e Filme Suplementar 8, bem como Arquivo de Codificação Suplementar 6, Arquivo de Codificação Suplementar 7, Arquivo de Codificação Suplementar 8, Arquivo de Codificação Suplementar 9, Arquivo de Codificação Suplementar 10 e Arquivo de Codificação Suplementar 11.
Para comparar quantitativamente as zonas de soldagem para diferentes velocidades do ventilador, foi realizada uma análise avançada de dados sobre os resultados do LSI. O objetivo desta análise de dados foi obter um perfil de altura da extensão do movimento do polímero na zona de soldagem. O script MATLAB totalmente comentado associado pode ser encontrado no Arquivo de Codificação Suplementar 4 e é descrito brevemente. Para cada imagem LSI no filme, um perfil de altura é calculado tomando a média ao longo da direção horizontal. Os perfis das imagens onde a cabeça de impressão está na ROI mostram um pico distinto em torno da zona de soldagem. Para selecionar exclusivamente esses perfis, são levados em conta apenas os perfis com pico acima de 8 dB. Perfis em que esse pico está muito próximo da borda do ROI também são descartados. As posições de pico de todos os perfis são posteriormente alinhadas para dar um perfil médio em relação à altura em que os polímeros são mais móveis. Os perfis resultantes para as seis diferentes velocidades do ventilador de resfriamento são plotados na Figura 4.
Figura 4: Perfis de altura para a variação sistemática da velocidade do ventilador de resfriamento. Esquerda: Os perfis de zona de soldagem para velocidades do ventilador de resfriamento de 100% (preto), 80% (azul), 60% (roxo), 40% (vermelho), 20% (laranja) e 0% (amarelo), obtidos a partir do script avançado de análise de dados no Arquivo de Codificação Suplementar 4. A região sombreada é o desvio padrão entre experimentos duplicados. O esquema correto explica o procedimento de média para obter o perfil de uma imagem LSI típica. Alinhando-se os máximos dos picos de todos os perfis obtidos, obtém-se a zona de soldagem. O máximo da zona de soldagem (altura relativa = 0) é a altura em que os polímeros são mais móveis. Filmes LSI e brightfield detalhados completos de cada experimento estão disponíveis em Filme Suplementar 3, Filme Suplementar 4, Filme Suplementar 5, Filme Suplementar 6, Filme Suplementar 7 e Filme Suplementar 8. O objetoimpresso para esta figura pode ser encontrado no Arquivo de Codificação Suplementar 5, com os arquivos de código G correspondentes no Arquivo de Codificação Suplementar 6. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os perfis de zona de soldagem para 40%-100% de resfriamento eram quase idênticos. A zona de soldagem para 20% de resfriamento tinha um ombro atingindo várias camadas mais profundas. A zona de soldagem para 0% de resfriamento se estendeu por toda a área medida. A altura em que os polímeros eram mais móveis estava dentro ou ligeiramente abaixo da camada impressa mais recentemente. Esse fenômeno explica a presença de um sinal de ISL em alturas relativas positivas, pois há material impresso acima do pico de mobilidade. Em todos os casos, a zona de soldagem atingiu uma profundidade muito maior do que a espessura da camada de 0,2 mm.
Arquivo suplementar 1: Configuração do LSI.xls. Parâmetros de hardware do instrumento LSI usados aqui. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo Suplementar 2: Análise de LSI.docx. Explicação da conversão das imagens speckle brutas em imagens LSI. Clique aqui para baixar este arquivo.
Filme Suplementar 1: LSI e filme de campo brilhante do experimento descrito na Figura 2. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Filme Suplementar 2: LSI e filme de campo brilhante do experimento descrito na Figura 3. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Filme Suplementar 3: O experimento de 100% de velocidade do ventilador de resfriamento descrito na Figura 4. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Filme Suplementar 4: O experimento de 80% de velocidade do ventilador de resfriamento descrito na Figura 4. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Filme Suplementar 5: O experimento de 60% de velocidade do ventilador de resfriamento descrito na Figura 4. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Filme Suplementar 6: O experimento de 40% de velocidade do ventilador de resfriamento descrito na Figura 4. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Filme Suplementar 7: O experimento de 20% de velocidade do ventilador de resfriamento descrito na Figura 4. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Filme Suplementar 8: O experimento de 0% de velocidade do ventilador de resfriamento descrito na Figura 4. O filme é reproduzido a 12,5x de velocidade em tempo real. A parte superior é o resultado do LSI e a parte inferior é a visão sincronizada do campo brilhante com o ROI do LSI indicado. Por favor, clique aqui para baixar este filme.
Arquivo de codificação suplementar 1: wall_with_holes.stl. O design 3D para o objeto descrito na Figura 1. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo de codificação suplementar 2: wall_with_holes.gcode. O objeto fatiado wall_with_holes.stl com as configurações da Tabela 1. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo de codificação suplementar 3: config.ini. O arquivo de configuração para o software de fatiamento. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo de codificação suplementar 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. O script para realizar a análise avançada de dados sobre os dados de varredura do ventilador de resfriamento e plotar a Figura 4. O roteiro é totalmente comentado. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo de codificação suplementar 5: wall.stl. O design 3D do objeto usado para coletar os dados na Figura 4. Clique aqui para baixar este arquivo.
Discussão
Os experimentos e resultados descritos nesta pesquisa mostram que o LSI é uma ferramenta de fácil aplicação que permite uma compreensão mais profunda da colagem de camadas durante a manufatura aditiva. O LSI permite a medição direta do movimento do polímero, que deve ser ajustado finamente para formar um material coerente pela interpenetração e subsequente emaranhamento das cadeias poliméricas. A alternativa mais comum para medir a colagem de camadas in situ é a imagem infravermelha 3,4,5. Este método bem estabelecido imageia a temperatura da superfície local do plástico8,9, que é uma medida indireta do movimento do polímero no interior do material. Com o plástico mais quente, o movimento é mais rápido e a colagem torna-se mais forte. Entretanto, a relação entre temperatura e movimento não é linear, pois as temperaturas de impressão atravessam as temperaturas de fusão e transição vítrea 6,7. Essa relação não trivial pode ser observada diretamente nas imagens do LSI; Especificamente, há uma transição acentuada entre as regiões superior semelhante a líquido e as regiões inferiores sólidas, enquanto o gradiente de temperatura deve ser muito mais gradual. Outra desvantagem da imagem IR é que ela mede apenas a temperatura da superfície, enquanto a LSI mede o movimento do polímero tipicamente vários milímetros de profundidade dentro do material.
Assim como na imagem IR, essa implementação do LSI é essencialmente um método point-and-shoot; Pode ser usado in situ se a câmera puder ser apontada para a região de interesse. O tripé versátil e a longa distância de trabalho de 0,7 m dão a liberdade de usar qualquer impressora 3D disponível. Crucialmente, o LSI é sensível aos movimentos nanoscópicos e, portanto, as vibrações do ambiente e do próprio processo de impressão devem ser minimizadas17. Por exemplo, executar outra tarefa na mesma mesa ou bater uma porta causará interferência. Portanto, deve-se andar cuidadosamente ao redor do setup; no entanto, as luzes da sala ou o fluxo de ar geralmente não interferem no processo.
O LSI fornece informações detalhadas sobre o processo de colagem de camadas e pode ser aplicado tão facilmente quanto a imagem IR. Vislumbramos que a LSI tem grande potencial em auxiliar o desenvolvimento e a compreensão de métodos avançados de impressão 3D. A varredura da velocidade do ventilador de resfriamento mostra um vislumbre do que é possível combinando LSI com impressão 3D. Como discutido na introdução, a velocidade ideal de resfriamento é um equilíbrio entre manter o plástico fundido por tempo suficiente para melhorar a colagem da camada, mas resfriá-lo rápido o suficiente para evitar o fluxo. Os resultados de 40%-100% da velocidade do ventilador de resfriamento foram muito semelhantes; De fato, essas velocidades do ventilador não mostraram nenhum fluxo e produziram uma boa qualidade de superfície. Com a velocidade do ventilador de resfriamento de 0%, o material começou a fluir para longe do local impresso, mas uma ampla colagem da camada foi observada na medição do LSI. Com base em nossos resultados, a velocidade do ventilador de resfriamento de 20% pode ser ideal para obter uma colagem de camada ligeiramente melhorada sem comprometer a qualidade da superfície. No entanto, para tirar conclusões que possam ser aplicadas na prática, mais velocidades do ventilador de resfriamento entre 0% e 40% devem ser avaliadas. Também é desejável estabelecer medidas quantitativas para a qualidade da superfície e resistência do material para obter uma visão objetiva e completa dos efeitos do movimento do polímero sobre as propriedades desejadas. Com essa adição, a abordagem poderia se tornar mais poderosa para avaliar os avanços criativos da impressão 3D.
As configurações exatas escolhidas para a análise LSI não são propensas a erros críticos, desde que as fases de plástico semelhante a líquido e plástico sólido possam ser distinguidas claramente. O movimento do polímero muda drasticamente ao cruzar as temperaturas de fusão e transição vítrea, de modo que uma ampla gama de configurações LSI captura bem o contraste. Isso pode ser facilmente testado com uma impressão de teste de um objeto simples (por exemplo, uma parede reta) com as configurações da impressora 3D recomendadas pelo fornecedor do material. Para usuários LSI mais avançados, aprofundar a faixa de frequência pode gerar informações extras, pois diferentes tipos de movimento do polímero podem ser quantitativamente distinguidos. Por exemplo, o movimento do polímero de alta frequência está associado às temperaturas mais altas, que só estão presentes perto da cabeça da impressora. O movimento do polímero de baixa frequência está associado a temperaturas moderadas, que estão presentes em uma área muito maior ao redor da cabeça da impressora e também por um tempo muito maior17. Deve-se examinar se o grau de ligação para o movimento cumulativo de polímeros de baixa frequência pode ser igual ao daqueles com movimentos curtos e de alta frequência (por exemplo, com análise dinâmico-mecânica). A maioria das outras configurações, como o dimensionamento do mapa de cores, o ROI, o intervalo de salvamento e a duração do experimento, são escolhidas exclusivamente para fornecer um resultado visualmente claro e atraente. Em relação às configurações de impressão 3D, também há muita liberdade, pois o LSI permite que o usuário avalie objetivamente os resultados da alteração de qualquer uma das configurações. Notavelmente, alterar drasticamente a velocidade de impressão altera a interpretação dos dados LSI. Neste trabalho, uma impressão lenta e uma velocidade de curso de 10 mm/s foram usadas para capturar múltiplas imagens LSI durante uma passagem da cabeça da impressora. Se uma velocidade de impressão mais comum de 60 mm/s para PLA fosse usada, aproximadamente uma camada completa seria impressa por imagem LSI e, assim, ocorreria uma média dentro de uma camada. Se experimentássemos velocidades de ponta, como 300 mm/s e mais rápido, ocorreria uma média em várias camadas. No entanto, isso é completamente dependente da geometria de impressão exata e das configurações LSI e pode ser facilmente mitigado por um usuário LSI experiente por meio de design avançado da máquina, ajustando o tamanho do campo de visão ou usando uma câmera mais rápida. Ambas as abordagens requerem um laser mais potente, que, em combinação com a cabeça da impressora reflexiva, requer precauções adicionais de segurança a laser. A velocidade de impressão relativamente lenta também tem uma influência positiva na colagem da camada, pois foi previamente comprovado que a transferência de calor para o plástico aumenta com velocidades de impressão mais lentas5.
Uma possível nova direção para essa abordagem é o teste de novos materiais; por exemplo, o LSI poderia ser usado para visualizar as transições relevantes e quantificar objetivamente as configurações recomendadas da impressora que fornecem uma zona de soldagem de cinco camadas após a aplicação da camada superior. Outra aplicação pode ser estudar a zona de soldagem em situações específicas onde a qualidade de impressão não é confiável, como para pontes, saliências ou cantos vivos. Se a zona de soldagem em situações difíceis puder ser melhor compreendida, deve ser possível compensar no código G. Já é prática comum imprimir a primeira camada mais quente e lenta que as demais camadas para conseguir uma boa aderência à chapa de construção18. Imaginamos o uso de fatiamento dinâmico semelhante de código G onde, por exemplo, o resfriamento do ventilador poderia ser ajustado para produzir cantos ou pontes. Também deve ser possível imprimir o material da parede externa com um acabamento mais liso e o resto do material e encher mais áspero, mas mais forte para maximizar a resistência do material e a aparência visual.
Este artigo discutiu a aplicação do LSI no estudo do processo de colagem de camadas após extrusão de plásticos. A técnica é excelente para essa tarefa, pois pode visualizar o movimento subjacente do polímero sem suposições a priori em tempo real durante a impressão 3D. No entanto, não fornece qualquer informação sobre a coesão material, pelo que serão necessários ensaios adicionais. As outras desvantagens discutidas são situacionais; a velocidade de imagem limitada de quatro imagens LSI por segundo pode ser aumentada com um laser maior e medidas adicionais de segurança do laser, e a sensibilidade à vibração requer precauções ou hardware de redução de vibração. LSI pode ser realizado com câmeras digitais baratas e pequenas e lasers19,20, o que permite a integração em praticamente todas as impressoras 3D para controle de qualidade ao vivo e ajuste dinâmico dos parâmetros de impressão. No entanto, faz mais sentido empregar LSI para desenvolver um conhecimento profundo da colagem de camadas durante a impressão 3D. Se esse entendimento for usado para desenvolver softwares de fatiamento mais avançados, todas as impressoras 3D do consumidor poderiam se beneficiar do conhecimento adquirido.
Divulgações
Jesse Buijs está no processo de iniciar uma empresa start-up que vende o instrumento LSI e o software que são usados neste artigo. Os demais autores declaram não haver conflitos de interesse.
Agradecimentos
Os autores não receberam financiamento externo.
Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Software de desenho 3D | Autodesk | TinkerCad | tinkercad.com |
| Impressora 3D | Prusa3D | Original Prusa i3 MK3S | |
| Software avançado de análise de dados | MathWorks | MATLAB R2018b | |
| Software de visualização | de imagens National Institutes of Health | ImageJ 1.47v | |
| LSI instrumento | NanoMoI | NanoMoi allround | Empresa a ser fundada em 2023 |
| Filamento de ácido polilático (PLA) | filamento REAL | branco 1,75 mm PLA 1 kg | |
| Software de fatiamento | Prusa3D | PrusaSlicer-2.5.0 |
Referências
- 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).
Reimpressões e permissões
