Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التصوير في الوقت الحقيقي للترابط في طبقات مطبوعة 3D

Published: September 1, 2023 doi: 10.3791/65415
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Physical Chemistry and Soft Matter, Wageningen University & Research

Summary

باستخدام تقنية غير جراحية وفي الوقت الفعلي ، يتم تصوير حركة البوليمر النانوية داخل خيوط البوليمر أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D. يعد ضبط هذه الحركة أمرا بالغ الأهمية لإنتاج تركيبات ذات أداء ومظهر مثاليين. تصل هذه الطريقة إلى جوهر اندماج الطبقة البلاستيكية ، وبالتالي تقدم رؤى حول ظروف الطباعة المثلى ومعايير تصميم المواد.

Abstract

في الآونة الأخيرة ، أحدثت تقنية الطباعة 3D ثورة في قدرتنا على تصميم وإنتاج المنتجات ، ولكن تحسين جودة الطباعة قد يكون أمرا صعبا. تتضمن عملية بثق الطباعة 3D الضغط على المواد المنصهرة من خلال فوهة رقيقة وإيداعها على المواد المبثوقة سابقا. تعتمد هذه الطريقة على الترابط بين الطبقات المتتالية لإنشاء منتج نهائي قوي وجذاب بصريا. هذه ليست مهمة سهلة ، حيث يجب ضبط العديد من المعلمات ، مثل درجة حرارة الفوهة وسمك الطبقة وسرعة الطباعة ، لتحقيق أفضل النتائج. في هذه الدراسة ، تم تقديم طريقة لتصور ديناميكيات البوليمر أثناء البثق ، مما يعطي نظرة ثاقبة لعملية الترابط الطبقي. باستخدام تصوير البقع بالليزر ، يمكن حل تدفق البلاستيك والانصهار بشكل غير جراحي وداخلي وبدقة زمانية مكانية عالية. يوفر هذا القياس ، الذي يسهل تنفيذه ، فهما متعمقا للآليات الأساسية التي تؤثر على جودة الطباعة النهائية. تم اختبار هذه المنهجية مع مجموعة من سرعات مروحة التبريد ، وأظهرت النتائج زيادة حركة البوليمر مع سرعات أقل للمروحة ، وبالتالي ، أوضحت جودة الطباعة الرديئة عند إيقاف تشغيل مروحة التبريد. تظهر هذه النتائج أن هذه المنهجية تسمح بتحسين إعدادات الطباعة وفهم سلوك المواد. يمكن استخدام هذه المعلومات لتطوير واختبار مواد طباعة جديدة أو إجراءات تقطيع متقدمة. مع هذا النهج ، يمكن بناء فهم أعمق للبثق لنقل الطباعة 3D إلى المستوى التالي.

Introduction

طريقة الطباعة 3D هي تقنية تصنيع مضافة يتم فيها تصنيع كائن طبقة تلو الأخرى لتشكيل الشكل المطلوب. تتمتع هذه الطريقة بقاعدة مستخدمين كبيرة ومتنوعة بفضل تنوعها والقدرة على تحمل التكاليف وسهولة الاستخدام. تتميز نمذجة الترسيب المنصهر بطارد متحرك (يبلغ قطره مئات الميكرونات إلى بضعة ملليمترات) لإيداع البلاستيك المصهور في الشكل المطلوب1. يجب أن يتصرف البلاستيك المبثوق بطريقة تشبه السائل لفترة معينة لتحقيق اندماج جيد مع البلاستيك المطبوع مسبقا وتشكيل مادة متماسكة بقوة. ومع ذلك ، يجب أن يبرد البلاستيك ويتصلب بسرعة بعد الطباعة لمنع البلاستيك من التدفق بعيدا عن موقع الطباعة وتقليل جودة الطباعة. وقد ثبت أن هذا التفاعل الدقيق بين التسخين والتبريد يدعم بشكل مباشر التوازن بين القوة الميكانيكية والدقة الهندسية للكائن النهائي المطبوعثلاثي الأبعاد 2. لتحقيق التوازن الأمثل للتدفئة والتبريد ، يتم بثق البلاستيك عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة الانصهار ، ويتم استخدام رأس مروحة متصل بالطابعة لتبريد البلاستيك بسرعة. يمكن أن يوفر الفهم المتعمق لتأثيرات درجات حرارة الطباعة وسرعات التبريد الرؤى المطلوبة لتطوير بروتوكولات التقطيع والطباعة المتقدمة التي تزيد من النتائج الميكانيكية أو الهندسية في المناطق التي تكون فيها أكثر أهمية. غالبا ما تعتمد الجهود المبذولة لاكتساب مزيد من التبصر في هذه العمليات على التصوير بالأشعة تحت الحمراء (IR) ، والذي يصور فقط درجة حرارة السطح3،4،5 ولا يشير إلى درجة الحرارة الداخلية للبلاستيك. التسخين المحلي بعد انتقال الذوبان يزيد بشكل كبير من حركة البوليمر ، وبالتالي يسمح بتشابك البوليمر بين المادة القديمة والجديدة. تعد حركة البوليمر المحسنة مؤقتا شرطا لتشكيل المادة المتماسكة النهائية 6,7 ، لكن التصوير بالأشعة تحت الحمراء يمكنه فقط قياس حركة البوليمر بشكل غير مباشر من خلال درجة حرارة السطح 8,9. وبالتالي ، فإن ترجمة درجة حرارة السطح إلى رابطة طبقية تتطلب معرفة دقيقة بتدرج درجة حرارة سطح القلب وديناميكيات البوليمر المعقدة المرتبطة بها على مدى نطاق من مقاييس الوقت والطول. سيسمح القياس المباشر لرابطة الطبقة (أي عملية تشابك البوليمر) بتصور الآلية الكامنة وراء تماسك المواد السائبة دون معلومات أو افتراضات مسبقة.

لفهم التوزيع المكاني والزماني للترابط الطبقي ، يتم استخدام تقنية التصوير التي تحدد بشكل مباشر ديناميكيات البوليمرات التي تشكل الخيوط البلاستيكية في هذا العمل. تعتمد هذه التقنية ، تصوير البقع بالليزر (LSI) ، على تشتت الضوء التداخل لتصور الحركات النانوية ، بغض النظر عن التركيب الكيميائي. اعتمادا على الخصائص البصرية للعينة ، يمكنها قياس عدة ملليمترات إلى سنتيمترات بدقة في مواد غير شفافة10،11،12 ، على عكس التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، الذي يبلغ عن درجات حرارة السطح 8,9 فقط. جعلت هذه السمات مؤخرا الأساليب القائمة على البقع شائعة في فهم العمليات الديناميكية في عدد كبير من المواد ، على الرغم من أنها تم تطويرها في الأصل للتطبيقات الطبية10،11،12. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام LSI لاكتساب نظرة ثاقبة لسلوك المواد البوليمرية المتقدمة مثل شبكات البوليمر البلوري السائل ذاتية التنظيف 13,14 ، وكذلك للتنبؤ بالكسر في المطاط15 ولدراسة مواد الشفاء الذاتي16.

تم عرض جدوى تطبيق LSI على الطباعة ثلاثية الأبعاد في مقالة سابقة17 ، حيث تم تقديم إعداد LSI محمول مع إمكانات التحليل في الوقت الفعلي ، وتبين أن ترسب البلاستيك المصهور يؤدي إلى زيادة حركة البوليمر طبقات متعددة أسفل الطبقة الحالية. في الورقة المقدمة هنا ، يتم إجراء بحث منهجي في تأثيرات سرعة مروحة التبريد على درجة الترابط متعدد الطبقات. يتم استخدام نسخة محسنة للتوصيل والتشغيل من الأداة المحمولة التي يمكن تشغيلها من قبل المستخدمين دون بصريات أو خبرة في البرمجة. يتم تحليل صور البقع في الوقت الفعلي باستخدام تحويلات فورييه17 ، والتي تصور سعة تقلبات شدة البقع. يحتوي هذا الجهاز على كاميرا برايت فيلد إضافية تتماشى مع كاميرا البقع بحيث يمكن تراكب خرائط الحركة LSI مع صور برايت فيلد لتسهيل التفسير دون تأثير ضوء برايت فيلد على خرائط الحركة. يمكن استخدام النهج التجريبي المقدم في هذه المقالة لاكتساب مزيد من التبصر في ذوبان البلاستيك المبثوق وترابطه وتصلبه أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد للهندسة والمواد الصعبة.

Protocol

1. إعداد ومحاذاة أداة LSI مع طابعة 3D

  1. ضع طابعة 3D على سطح ثابت لتقليل الاهتزازات. ضع أداة LSI بجانبها بحيث يكون للكاميرا رؤية واضحة لمنطقة الطباعة. ضع أداة LSI أعلى قليلا من لوحة بناء الطابعة 3D ، وقم بإمالتها لأسفل قليلا جدا حتى لا يتم إعاقة الرؤية.
  2. قم بتشغيل إضاءة الليزر والمجال الساطع ، وتحقق من محاذاتها مع منطقة التصوير. اضبط طاقة الليزر على 20 ميجاوات ، وتأكد من خروج الليزر من صندوق الإعداد الموسع على مساحة كبيرة (عدة سنتيمترات مربعة) ، وتأكد من أن كثافة الطاقة منخفضة بما يكفي (عدة مرات أقل من مؤشر الليزر) لاستخدامها في الموقع دون اتخاذ تدابير أمان إضافية مثل نظارات الليزر أو حاويات سوداء.
    تنبيه: لا تنظر مباشرة إلى الليزر.
  3. ابدأ بطباعة اختبار (على سبيل المثال ، ملف الترميز التكميلي 1 أو ملف الترميز التكميلي 2) لجعل المحاذاة والإعداد التجريبي أكثر ملاءمة (الخطوات 1.3-1.6). تأكد من تركيز كاميرا LSI على منطقة الطباعة.
  4. أثناء هذه الطباعة التجريبية الأولى ، قم بمحاذاة الإضاءة والكاميرا الرقمية على النحو الأمثل. اضبط اتجاه الليزر بحيث تضيء منطقة التصوير بأكملها بشكل متجانس ، واضبط الحجاب الحاجز بحيث يكون حجم البقع أكبر قليلا من حجم البكسل.
  5. قم بتحسين معدل الإطارات ووقت التعريض بحيث يتم تقليل عدد وحدات البكسل ذات التعرض المنخفض والتعرض الزائد لتحقيق أقصى نطاق ديناميكي.
  6. اختر المعلمات الصحيحة لتحليل بيانات LSI المباشر ؛ الأهم من ذلك ، حدد التردد الذي ينتج أفضل تباين في التصوير بين البلاستيك المصهور والصلب. اضبط منطقة الاهتمام (ROI) وقياس خريطة الألوان. في هذه الحالة ، تم اختيار طول سلسلة فورييه 16 ، وتم تصور سعة التردد الثاني. نظرا لأن معدل جمع صور البقع هو 50 إطارا في الثانية ، فإن التردد المرئي هو 6.25 هرتز.
  7. قم بإعداد أداة LSI لالتقاط الصور لتجربة طباعة 3D واحدة. اختر عدد مرات حفظ الصور ومدتها. في هذه الحالة ، تم حفظ الصور كل 0.25 ثانية بحيث تم حفظ صور متعددة لكل تمريرة لرأس الطابعة. لكل تجربة ، تم حفظ الصور لمدة 15 دقيقة حيث استغرقت كل مهمة طباعة 12 دقيقة كحد أقصى.

2. إعداد تصميم الطباعة ثلاثية الأبعاد وكود G

  1. ارسم الكائن باستخدام برنامج رسم 3D من اختيارك ، وقم بتصدير الكائن كملف .stl. في هذه الحالة ، تم استخدام جدار به حواف وثقوب ، كما هو موضح في الشكل 1 ويمكن تنزيله من ملف الترميز التكميلي 1.
  2. قم باستيراد ملف .stl إلى برنامج التقطيع، واختر إعدادات الطباعة. تعتمد هذه الإعدادات على اختيار المواد وطراز طابعة 3D ؛ بالنسبة للحالة المستخدمة في هذه الدراسة ، استخدم الإعدادات الموضحة في الجدول 1. استخدم خيطا يفضل أن يكون أبيض أو أي لون ينثر ضوء الليزر دون امتصاص كبير.
  3. اضغط على زر Slice ( Slice) في برنامج التقطيع للحصول على الطبقات ومسار انتقال رأس الطباعة. يمكن العثور على ملف تكوين برنامج التقطيع في ملف الترميز التكميلي 3.
  4. احفظ رمز G الناتج (ملف الترميز التكميلي 2) ، وأرسله إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد.

Figure 1
الشكل 1: تصميم الكائن. عرض 3D (يسار) وعرض 2D (يمين) من الجانب والأمام وأعلى تصميم الكائن. تمثل الشبكة 1.0 مم × 1.0 مم ، مع 1.0 سم × 1.0 سم بالخط العريض. يبلغ طول الجدار 25 مم × 12 مم × 1.2 مم (العرض × الارتفاع × العمق) ، ويبلغ عرض التلال 1.0 مم ، وعمقها 0.4 مم ، ويفصل بينها 1.0 مم. يبلغ عرض النوافذ 1.0 مم وارتفاعها 2.0 مم. يمكن العثور على تصميم 3D في ملف الترميز التكميلي 1. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الخاصية / الإعداد قيمة
خيوط حمض اللبنيك (PLA) ، أبيض
قطر الفوهة 0.4 مم
سمك الطبقة 0.2 مم
درجة حرارة الفوهة 210 درجة مئوية
سرعة مروحة التبريد 100%
سرعة الطباعة 10 مم / ثانية
سرعة السفر 10 مم / ثانية
درجة حرارة السرير 60 درجة مئوية

الجدول 1: إعدادات الطباعة ثلاثية الأبعاد. الإعدادات وخصائص الطابعة المستخدمة لتقطيع تصميم الكائن. بالنسبة للتجربة الثانية ، تم تغيير سرعة المروحة يدويا إلى 0٪.

3. إجراء التجربة

  1. ابدأ تشغيل طابعة 3D ، وانتظر حتى تنتهي فترة الإحماء.
  2. يمكن بدء قياس LSI في أي لحظة ، ولكن لمنع توفير البيانات غير الضروري ، ابدأ قياس LSI عندما يبدأ البلاستيك في البثق.
  3. انتظر حتى تنتهي الطابعة 3D، ثم أوقف قياس LSI.
  4. قم بتحميل البيانات الناتجة في برنامج عرض الصور ، وافحص الكائن المطبوع بصريا. قارن حركات البوليمر البلاستيكية المقاسة أثناء الطباعة مع السلامة الهيكلية النهائية وجودة السطح.

Representative Results

تم رسم كائن بسيط كهدف اختبار للتجارب: جدار به حواف على الظهر ، ونافذتان ، وثقب كبير (الشكل 1). تم تقطيع الكائن بإعدادات الطابعة وخصائصها المدرجة في الجدول 1.

تمت محاذاة أداة LSI مع طابعة 3D ، وتم إجراء التجربة. يتميز الإعداد سهل الاستخدام بكاميرا برايت فيلد إضافية ، مما يساعد أثناء المحاذاة ويسمح بإجراء مقارنة سهلة بين بثق البلاستيك وحركة البوليمر المقاسة. تم تجهيز كل من كاميرات Speckle و brightfield بمرشحات بصرية تمنع التداخل من القناة الأخرى. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل الفنية حول الإعداد في الملف التكميلي 1 ، ويتم تقديم شرح لروتين التحليل في الملف التكميلي 2. يوضح الشكل 2 أبرز نتائج هذه التجربة، ويمكن العثور على الفيلم الكامل في الفيلم التكميلي 1. كما هو موضح من قبل ، يمكن إجراء التجربة أيضا باستخدام أداة محلية الصنع17.

Figure 2
الشكل 2: الفاصل الزمني للطباعة بسرعة مروحة تبريد 100٪. على اليسار: Brightfield، صورة أمامية للكائن عندما تكون الطابعة على وشك الانتهاء. تبدو جودة الطباعة جيدة عند الفحص ؛ على الرغم من أن السطح يظهر خطوط الطبقة ، فقد تم إنتاج الهندسة المصممة بشكل عام. على اليمين: أربع لقطات من LSI من المنطقة البيضاء المحددة أثناء عملية الطباعة; تشير الأسهم الزرقاء إلى موضع رأس الطباعة في وقت اللقطة، حيث لا تتوافق صور LSI في الوقت المناسب مع صورة Brightfield. تشير الألوان الفاتحة في كل لقطة إلى زيادة حركة البوليمر ، والتي يتم ملاحظتها في أحدث الطبقات المطبوعة. لاحظ أن المنطقة ذات الحركة المحسنة (منطقة اللحام) بسمك طبقات متعددة. الفيلم التفصيلي الكامل للتجربة متاح في الفيلم التكميلي 1. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

واستكمالا لهذه النتائج، تم فحص المطبوعات بصريا؛ كما هو متوقع بالنسبة لخيوط البوليمر شائعة الاستخدام وإعدادات الطباعة ، كانت الجودة جيدة. تم بالفعل استنساخ الهندسة المصممة ، وكان السطح متساويا ، مع وجود خط صغير مرئي على كل طبقة. باستخدام بيانات LSI ، كان من الممكن الحصول على نظرة متعمقة لعملية الطباعة. كان البلاستيك المبثوق حديثا مرئيا على أنه متحرك للغاية ، وانخفضت الحركة تدريجيا مع تبريده. كان ارتفاع المنطقة ذات الحركة العالية (أي منطقة اللحام) بسمك أربع إلى خمس طبقات طوال عملية الطباعة ، مما يشير إلى مدة محددة جيدا لانصهار الطبقة.

تم تكرار التجربة مع ضبط سرعة مروحة التبريد يدويا إلى 0٪. مع هذا الإعداد ، لم يبرد البلاستيك بالسرعة الكافية ، مما أثر على جودة الطباعة. يتم عرض النقاط البارزة للنتائج في الشكل 3 ، ويمكن العثور على الفيلم التفصيلي الكامل في الفيلم التكميلي 2.

Figure 3
الشكل 3: الفاصل الزمني للطباعة بسرعة مروحة تبريد 0٪. على اليسار: Brightfield، صورة أمامية للكائن عندما تكون الطابعة على وشك الانتهاء. تبدو الجودة المرئية للطباعة رديئة. يظهر السطح خطوط طبقة غير منتظمة ونقاط كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، تم استنساخ الهندسة المصممة بشكل غير كامل. والجدير بالذكر أن النوافذ والثقوب مشوهة. على اليمين: أربع لقطات من LSI من المنطقة البيضاء المحددة أثناء عملية الطباعة; تشير الأسهم الزرقاء إلى موضع رأس الطباعة في وقت اللقطة، حيث لا تتوافق صور LSI في الوقت المناسب مع صورة Brightfield. تشير الألوان الفاتحة في كل لقطة إلى زيادة حركة البوليمر ، والتي يمكن ملاحظتها في جميع أنحاء الكائن بأكمله. يتوفر الفيلم التفصيلي الكامل للتجربة في الفيلم التكميلي 2. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تمشيا مع التوقعات ، أظهر الفحص البصري للبنية المطبوعة 3D بالفعل جودة طباعة رديئة. تم توزيع الطبقات بشكل غير متساو ، وتم استنساخ الهندسة المصممة مع التشوهات. توضح مقارنة صور الحقل الساطع في الشكل 2 والشكل 3 التأثير الرئيسي لمروحة التبريد على جودة السطح وشكل نتيجة الطباعة. تم تحديد أصل هذا التأثير من خلال مقارنة نتائج LSI من الشكل 2 والشكل 3. مع سرعة مروحة التبريد بنسبة 100٪ ، لوحظت حركة بوليمر محسنة في منطقة تقع على بعد بضع طبقات فقط أسفل البلاستيك المبثوق. لذلك ، تم تسييل كل طبقة بشكل معتدل عدة مرات لتحقيق الترابط الطبقي دون تدفق البلاستيك. مع سرعة مروحة التبريد 0٪ ، لوحظت حركة بوليمر محسنة من خلال الجسم بأكمله. وبالتالي ، تم تسييل كل طبقة عدة مرات وقريبة للغاية من البلاستيك المبثوق حديثا ، مما أدى إلى فقدان الدقة الهندسية من خلال تدفق البلاستيك.

للحصول على رؤية كمية أكثر لتأثير مروحة التبريد في المواقف الأكثر اعتدالا ، تم تغيير سرعة مروحة التبريد بشكل منهجي. تم تبسيط تصميم الكائن إلى جدار 25 مم × 12 مم × 0.8 مم (العرض × الارتفاع × العمق) بدون ثقوب أو حواف. تم استخدام نفس إعدادات الطباعة كما في الجدول 1. تم إجراء التجربة 12 مرة ، بسرعات مروحة تبريد تبلغ 0٪ و 20٪ و 40٪ و 60٪ و 80٪ و 100٪ لكل منها في نسختين. يمكن العثور على الأفلام الناتجة في الأفلام التكميلية 3 والفيلم التكميلي 4 والفيلم التكميلي 5 والفيلم التكميلي 6 والفيلم التكميلي 7 والفيلم التكميلي 8 ، بالإضافة إلى ملف الترميز التكميلي 6 وملف الترميز التكميلي 7 وملف الترميز التكميلي 8 وملف الترميز التكميلي 9 وملف الترميز التكميلي 10 وملف الترميز التكميلي 11.

لمقارنة مناطق اللحام كميا لسرعات المروحة المختلفة ، تم إجراء تحليل متقدم للبيانات على نتائج LSI. كان الهدف من تحليل البيانات هذا هو الحصول على ملف تعريف ارتفاع لمدى حركة البوليمر في منطقة اللحام. يمكن العثور على البرنامج النصي MATLAB المرتبط بالتعليق الكامل في ملف الترميز التكميلي 4 ويتم وصفه بإيجاز. لكل صورة LSI في الفيلم ، يتم حساب ملف تعريف الارتفاع بأخذ المتوسط على طول الاتجاه الأفقي. تظهر ملفات تعريف الصور التي يوجد بها رأس الطباعة في عائد الاستثمار ذروة مميزة حول منطقة اللحام. لتحديد ملفات التعريف هذه حصريا ، يتم أخذ ملفات التعريف ذات الذروة التي تزيد عن 8 ديسيبل فقط في الاعتبار. يتم أيضا تجاهل الملفات الشخصية التي تكون فيها هذه الذروة قريبة جدا من حافة عائد الاستثمار. يتم محاذاة مواضع الذروة لجميع الملامح لاحقا لإعطاء ملف تعريف متوسط بالنسبة للارتفاع الذي تكون فيه البوليمرات أكثر حركة. يتم رسم ملفات التعريف الناتجة لسرعات مروحة التبريد الست المختلفة في الشكل 4.

Figure 4
الشكل 4: ملامح الارتفاع للتغيير المنهجي لسرعة مروحة التبريد. على اليسار: ملفات تعريف منطقة اللحام لسرعات مروحة التبريد 100٪ (أسود) و 80٪ (أزرق) و 60٪ (أرجواني) و 40٪ (أحمر) و 20٪ (برتقالي) و 0٪ (أصفر) ، تم الحصول عليها من البرنامج النصي المتقدم لتحليل البيانات في ملف الترميز التكميلي 4. المنطقة المظللة هي الانحراف المعياري بين التجارب المكررة. يشرح المخطط الصحيح إجراء المتوسط للحصول على ملف تعريف صورة LSI نموذجية. من خلال محاذاة الحد الأقصى لقمم جميع الملفات الشخصية التي تم الحصول عليها ، يتم الحصول على منطقة اللحام. الحد الأقصى لمنطقة اللحام (الارتفاع النسبي = 0) هو الارتفاع الذي تكون فيه البوليمرات أكثر قدرة على الحركة. تتوفر أفلام LSI و brightfield التفصيلية الكاملة لكل تجربة في الفيلم التكميلي 3 والفيلم التكميلي 4 والفيلم التكميلي 5 والفيلم التكميلي 6 والفيلم التكميلي 7 والفيلم التكميلي 8. يمكن العثور على الكائن المطبوع لهذا الشكل في ملف الترميز التكميلي 5 ، مع ملفات G-code المقابلة في ملف الترميز التكميلي 6. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

كانت ملامح منطقة اللحام لتبريد 40٪ -100٪ متطابقة تقريبا. كان لمنطقة اللحام للتبريد بنسبة 20٪ كتف يصل إلى عدة طبقات أعمق. امتدت منطقة اللحام للتبريد بنسبة 0٪ على كامل المساحة المقاسة. يقع الارتفاع الذي كانت فيه البوليمرات أكثر قدرة على الحركة في أو أقل بقليل من أحدث طبقة مطبوعة. تفسر هذه الظاهرة وجود إشارة LSI عند ارتفاعات نسبية موجبة ، حيث توجد مادة مطبوعة فوق ذروة التنقل. في جميع الحالات ، وصلت منطقة اللحام إلى عمق أكبر بكثير من سمك الطبقة 0.2 مم.

الملف التكميلي 1: إعداد LSI.xls. معلمات الأجهزة الخاصة بأداة LSI المستخدمة هنا. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: تحليل LSI.docx. شرح تحويل صور البقع الخام إلى صور LSI. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الفيلم التكميلي 1: LSI وفيلم برايت فيلد للتجربة الموصوفة في الشكل 2. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

الفيلم التكميلي 2: LSI وفيلم برايتفيلد للتجربة الموصوفة في الشكل 3. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

الفيلم التكميلي 3: تجربة سرعة مروحة التبريد بنسبة 100٪ الموضحة في الشكل 4. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

الفيلم التكميلي 4: تجربة سرعة مروحة التبريد بنسبة 80٪ الموضحة في الشكل 4. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

الفيلم التكميلي 5: تجربة سرعة مروحة التبريد بنسبة 60٪ الموضحة في الشكل 4. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

الفيلم التكميلي 6: تجربة سرعة مروحة التبريد بنسبة 40٪ الموضحة في الشكل 4. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

الفيلم التكميلي 7: تجربة سرعة مروحة التبريد بنسبة 20٪ الموضحة في الشكل 4. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

الفيلم التكميلي 8: تجربة سرعة مروحة التبريد 0٪ الموضحة في الشكل 4. يتم تشغيل الفيلم بسرعة 12.5x في الوقت الفعلي. الجزء العلوي هو نتيجة LSI ، والجزء السفلي هو عرض برايت فيلد المتزامن مع LSI ROI المشار إليه. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيلم.

ملف الترميز التكميلي 1: wall_with_holes.stl. تصميم 3D للكائن الموصوف في الشكل 1. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 2: wall_with_holes.gcode. الكائن المقطع wall_with_holes.stl مع الإعدادات من الجدول 1. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 3: config.ini. ملف التكوين لبرنامج التقطيع. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed صباحا البرنامج النصي لإجراء تحليل البيانات المتقدم على بيانات اكتساح مروحة التبريد ورسم الشكل 4. تم التعليق على البرنامج النصي بالكامل. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 5: wall.stl. التصميم ثلاثي الأبعاد للكائن المستخدم لجمع البيانات في الشكل 4. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 6: wall_100٪ fan.gcode. شريحة الكائن wall.stl مع سرعة مروحة تبريد 100٪. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 7: wall_80٪ fan.gcode. شرائح الجسم wall.stl مع سرعة مروحة تبريد 80٪. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 8: wall_60٪ fan.gcode. شرائح الكائن wall.stl مع سرعة مروحة تبريد 60٪. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 9: wall_40٪ fan.gcode. شريحة الجسم wall.stl مع سرعة مروحة تبريد 40٪. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 10: wall_20٪ fan.gcode. شريحة الكائن wall.stl مع سرعة مروحة تبريد 20٪. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 11: wall_0٪ fan.gcode. شرائح الكائن wall.stl مع سرعة مروحة تبريد 0٪. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

تظهر التجارب والنتائج الموضحة في هذا البحث أن LSI هي أداة سهلة التطبيق تسمح بفهم أعمق للترابط الطبقي أثناء التصنيع المضاف. يسمح LSI بالقياس المباشر لحركة البوليمر ، والتي يجب ضبطها بدقة لتشكيل مادة متماسكة عن طريق التداخل والتشابك اللاحق لسلاسل البوليمر. البديل الأكثر شيوعا لقياس الترابط الطبقي في الموقع هو التصوير بالأشعة تحت الحمراء3،4،5. تصور هذه الطريقة الراسخة درجة حرارة السطح المحلية للبلاستيك 8,9 ، وهو قياس غير مباشر لحركة البوليمر داخل المادة. مع البلاستيك الأكثر سخونة ، تكون الحركة أسرع ، ويصبح الترابط أقوى. ومع ذلك، فإن العلاقة بين درجة الحرارة والحركة ليست خطية، حيث تعبر درجات حرارة الطباعة درجات حرارة الذوبان والتزجج 6,7. يمكن ملاحظة هذه العلاقة غير التافهة مباشرة في صور LSI. على وجه التحديد ، هناك انتقال حاد بين المناطق العلوية الشبيهة بالسائل والمناطق السفلية الشبيهة بالمواد الصلبة ، في حين من المتوقع أن يكون تدرج درجة الحرارة أكثر تدرجا. عيب آخر في التصوير بالأشعة تحت الحمراء هو أنه يقيس درجة حرارة السطح فقط ، بينما يقيس LSI حركة البوليمر عادة بعمق عدة ملليمترات داخل المادة.

تماما كما هو الحال مع التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، فإن تنفيذ LSI هذا هو في الأساس طريقة توجيه وتصوير. يمكن استخدامه في الموقع إذا كان من الممكن توجيه الكاميرا إلى منطقة الاهتمام. يوفر الحامل ثلاثي القوائم متعدد الاستخدامات ومسافة العمل الطويلة التي تبلغ 0.7 متر حرية استخدام أي طابعة ثلاثية الأبعاد متوفرة. بشكل حاسم ، LSI حساس للحركات النانوية ، وبالتالي ، يجب تقليل الاهتزازات من المناطق المحيطة وعملية الطباعة نفسها17. على سبيل المثال ، سيؤدي أداء مهمة أخرى على نفس الطاولة أو إغلاق الباب إلى حدوث تداخل. لذلك ، ينبغي للمرء أن يتجول بعناية حول الإعداد ؛ ومع ذلك ، لا تتداخل أضواء الغرفة أو تدفق الهواء بشكل عام مع العملية.

يعطي LSI نظرة تفصيلية على عملية ربط الطبقة ويمكن تطبيقه بسهولة مثل التصوير بالأشعة تحت الحمراء. نحن نتصور أن LSI لديها إمكانات كبيرة في المساعدة على تطوير وفهم أساليب الطباعة 3D المتقدمة. يظهر مسح سرعة مروحة التبريد لمحة عما هو ممكن من خلال الجمع بين LSI والطباعة ثلاثية الأبعاد. كما تمت مناقشته في المقدمة ، فإن سرعة التبريد المثلى هي التوازن بين الحفاظ على البلاستيك المنصهر لفترة كافية لتحسين الترابط الطبقي ولكن تبريده بسرعة كافية لمنع التدفق. كانت نتائج سرعة مروحة التبريد 40٪ -100٪ متشابهة جدا ؛ في الواقع ، لم تظهر سرعات المروحة هذه أي تدفق وأنتجت جودة سطح جيدة. مع سرعة مروحة التبريد 0٪ ، بدأت المادة في التدفق بعيدا عن الموقع المطبوع ، ولكن لوحظ وجود رابطة طبقة واسعة في قياس LSI. بناء على نتائجنا ، يمكن أن تكون سرعة مروحة التبريد بنسبة 20٪ مثالية لتحقيق رابطة طبقة محسنة قليلا دون المساس بجودة السطح. ومع ذلك ، لاستخلاص استنتاجات يمكن تطبيقها في الممارسة العملية ، يجب تقييم سرعات مروحة تبريد أكبر بين 0٪ و 40٪. من المستحسن أيضا وضع مقاييس كمية لجودة السطح وقوة المواد للحصول على رؤية موضوعية وكاملة لتأثيرات حركة البوليمر على الخصائص المطلوبة. مع هذه الإضافة ، يمكن جعل النهج أكثر قوة لتقييم تقدم الطباعة الإبداعية 3D.

الإعدادات الدقيقة التي يتم اختيارها لتحليل LSI ليست عرضة للأخطاء الفادحة طالما يمكن تمييز مراحل البلاستيك الشبيهة بالسائل والبلاستيك الشبيه بالصلب بوضوح. تتغير حركة البوليمر بشكل كبير عند عبور درجات حرارة الذوبان والتزجج، لذا فإن مجموعة كبيرة من إعدادات LSI تلتقط التباين جيدا. يمكن اختبار ذلك بسهولة من خلال اختبار طباعة كائن مباشر (على سبيل المثال ، جدار مستقيم) باستخدام إعدادات طابعة 3D الموصى بها من قبل مورد المواد. بالنسبة لمستخدمي LSI الأكثر تقدما، يمكن أن يؤدي التعمق في نطاق التردد إلى الحصول على معلومات إضافية، حيث يمكن تمييز أنواع مختلفة من حركة البوليمر كميا. على سبيل المثال ، ترتبط حركة البوليمر عالية التردد بأعلى درجات الحرارة ، والتي لا توجد إلا بالقرب من رأس الطابعة. ترتبط حركة البوليمر منخفضة التردد بدرجات حرارة معتدلة ، والتي توجد في منطقة أكبر بكثير حول رأس الطابعة وأيضا لفترة أطولبكثير 17. يجب فحص ما إذا كانت درجة الترابط لحركة البوليمر التراكمية منخفضة التردد يمكن أن تكون مساوية لتلك مع الحركة القصيرة عالية التردد (على سبيل المثال ، مع التحليل الميكانيكي الديناميكي). يتم اختيار معظم الإعدادات الأخرى ، مثل مقياس خريطة الألوان ، وعائد الاستثمار ، والفاصل الزمني للتوفير ، وطول التجربة ، فقط لإعطاء نتيجة واضحة وجذابة بصريا. فيما يتعلق بإعدادات الطباعة 3D ، هناك أيضا الكثير من الحرية ، حيث يسمح LSI للمستخدم بتقييم نتائج تغيير أي من الإعدادات بشكل موضوعي. والجدير بالذكر أن تغيير سرعة الطباعة بشكل جذري يغير تفسير بيانات LSI. في هذا العمل ، تم استخدام سرعة طباعة وانتقال بطيئة تبلغ 10 مم / ثانية من أجل التقاط صور LSI متعددة أثناء مرور واحد لرأس الطابعة. إذا تم استخدام سرعة طباعة أكثر شيوعا تبلغ 60 مم / ثانية ل PLA ، فستتم طباعة طبقة كاملة واحدة تقريبا لكل صورة LSI ، وبالتالي ، سيحدث متوسط داخل طبقة واحدة. في حالة تجربة سرعات عالية مثل 300 مم / ثانية وأسرع ، سيحدث متوسط على طبقات متعددة. ومع ذلك، يعتمد هذا تماما على هندسة الطباعة الدقيقة وإعدادات LSI ويمكن تخفيفه بسهولة بواسطة مستخدم LSI ذي خبرة من خلال التصميم المتقدم للجهاز، أو ضبط حجم مجال الرؤية، أو استخدام كاميرا أسرع. يتطلب كلا النهجين ليزرا أكثر قوة ، والذي يتطلب ، بالاقتران مع رأس الطابعة العاكس ، احتياطات أمان ليزر إضافية. كما أن سرعة الطباعة البطيئة نسبيا لها تأثير إيجابي على الترابط الطبقي ، حيث ثبت سابقا أن انتقال الحرارة إلى البلاستيك يزداد مع سرعات طباعة أبطأ5.

ويتمثل أحد الاتجاهات الجديدة الممكنة لهذا النهج في اختبار المواد الجديدة؛ على سبيل المثال ، يمكن استخدام LSI لتصور الانتقالات ذات الصلة وتحديد إعدادات الطابعة الموصى بها بشكل موضوعي والتي توفر منطقة لحام من خمس طبقات عند تطبيق الطبقة العليا. يمكن أن يكون التطبيق الآخر هو دراسة منطقة اللحام في مواقف محددة حيث لا تكون جودة الطباعة جيدة بشكل موثوق ، مثل الجسور أو الأجزاء المتدلية أو الزوايا الحادة. إذا كان من الممكن فهم منطقة اللحام في المواقف الصعبة بشكل أفضل ، فيجب أن يكون من الممكن التعويض في رمز G. من الممارسات الشائعة بالفعل طباعة الطبقة الأولى أكثر سخونة وأبطأ من بقية الطبقات لتحقيق التصاق جيد بلوحة البناء18. نتصور استخدام تشريح G-code ديناميكي مماثل حيث ، على سبيل المثال ، يمكن ضبط تبريد المروحة لإنتاج زوايا أو جسور. يجب أن يكون من الممكن أيضا طباعة مادة الجدار الخارجي بتشطيب أكثر سلاسة وبقية المواد والحشو أكثر خشونة ولكن أقوى لزيادة قوة المواد والمظهر المرئي.

ناقشت هذه المقالة تطبيق LSI لدراسة عملية ربط الطبقة بعد بثق البلاستيك. هذه التقنية ممتازة لهذه المهمة ، حيث يمكنها تصور حركة البوليمر الأساسية دون افتراضات مسبقة في الوقت الفعلي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، فإنه لا يعطي أي معلومات عن تماسك المواد ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى اختبارات إضافية. العيوب الأخرى التي نوقشت هي الظرفية. يمكن زيادة سرعة التصوير المحدودة لأربع صور LSI في الثانية باستخدام ليزر أكبر وتدابير أمان ليزر إضافية ، وتتطلب حساسية الاهتزاز احتياطات أو أجهزة تقليل الاهتزاز. يمكن إجراء LSI باستخدام الكاميرات الرقمية الرخيصة والصغيرة والليزر 19,20 ، مما يسمح بالاندماج في كل طابعة ثلاثية الأبعاد تقريبا لمراقبة الجودة الحية والضبط الديناميكي لمعلمات الطباعة. ومع ذلك ، فمن المنطقي استخدام LSI لتطوير معرفة شاملة بالترابط الطبقي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. إذا تم استخدام هذا الفهم لتطوير برامج تشريح أكثر تقدما ، يمكن لكل طابعة 3D للمستهلك الاستفادة من المعرفة المكتسبة.

Disclosures

جيسي بويجس بصدد بدء شركة ناشئة تبيع أداة وبرامج LSI المستخدمة في هذه المقالة. يعلن المؤلفون الآخرون عدم وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgments

ولم يتلق صاحبا البلاغ أي تمويل خارجي.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D-drawing sofware Autodesk TinkerCad tinkercad.com
3D-Printer Prusa3D Original Prusa i3 MK3S
Advanced data analysis software MathWorks MATLAB R2018b
Image viewing sofware National Institutes of Health ImageJ 1.47v
LSI instrument NanoMoI NanoMoi allround company to be founded 2023
Polylactic acid (PLA) filament REAL filament white 1,75 mm PLA 1 kg
Slicing software Prusa3D PrusaSlicer-2.5.0

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Seppala, J. E., Migler, K. D. Infrared thermography of welding zones produced by polymer extrusion additive manufacturing. Additive Manufacturing. 12, 71-76 (2016).
  4. 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).
  5. Dinwiddie, R. B., et al. Infrared imaging of the polymer 3D-printing process. Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVI. 9105, 910502 (2014).
  6. Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P. Fusion bonding/welding of thermoplastic composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 17 (4), 303-341 (2004).
  7. Peterson, A. M. Review of acrylonitrile butadiene styrene in fused filament fabrication: A plastics engineering-focused perspective. Additive Manufacturing. 27, 363-371 (2019).
  8. 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).
  9. Möllmann, K. P., Vollmer, M. Infrared thermal imaging as a tool in university physics education. European Journal of Physics. 28 (3), 37 (2007).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. van der Kooij, H. M., et al. Morphing of liquid crystal surfaces by emergent collectivity. Nature Communications. 10 (1), 3501 (2019).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Buijs, J., Gucht, J. V. D., Sprakel, J. Fourier transforms for fast and quantitative laser speckle imaging. Scientific Reports. 9 (1), 13279 (2019).
  18. Ehrmann, G., Ehrmann, A. Investigation of the shape-memory properties of 3D printed PLA structures with different infills. Polymers. 13 (1), 164 (2021).
  19. 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).
  20. 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).

Tags

هذا الشهر في JoVE ، العدد 199 ،
التصوير في الوقت الحقيقي للترابط في طبقات مطبوعة 3D
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Buijs, J. J., Fix, R., van der… More

Buijs, J. J., Fix, R., van der Kooij, H. M., Kodger, T. E. Real-Time Imaging of Bonding in 3D-Printed Layers. J. Vis. Exp. (199), e65415, doi:10.3791/65415 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter