Summary
Med en ikke-invasiv og realtidsteknik afbildes nanoskopisk polymerbevægelse inde i et polymerfilament under 3D-udskrivning. Finjustering af denne bevægelse er afgørende for at producere konstruktioner med optimal ydeevne og udseende. Denne metode når kernen i plastlagsfusion og giver dermed indsigt i optimale trykforhold og materialedesignkriterier.
Abstract
I nyere tid har 3D-printteknologi revolutioneret vores evne til at designe og producere produkter, men optimering af printkvaliteten kan være udfordrende. Processen med ekstrudering 3D-udskrivning involverer tryk på smeltet materiale gennem en tynd dyse og deponering af det på tidligere ekstruderet materiale. Denne metode er afhængig af binding mellem de på hinanden følgende lag for at skabe et stærkt og visuelt tiltalende slutprodukt. Dette er ikke nogen nem opgave, da mange parametre, såsom dysetemperatur, lagtykkelse og udskrivningshastighed, skal finjusteres for at opnå optimale resultater. I denne undersøgelse præsenteres en metode til visualisering af polymerdynamikken under ekstrudering, hvilket giver indsigt i lagbindingsprocessen. Ved hjælp af laserspeckle-billeddannelse kan plaststrømmen og fusionen løses ikke-invasivt, internt og med høj rumlig tidsmæssig opløsning. Denne måling, som er let at udføre, giver en dybdegående forståelse af den underliggende mekanik, der påvirker den endelige udskriftskvalitet. Denne metode blev testet med en række køleblæserhastigheder, og resultaterne viste øget polymerbevægelse med lavere blæserhastigheder og forklarede således den dårlige udskriftskvalitet, når køleventilatoren blev slukket. Disse resultater viser, at denne metode giver mulighed for at optimere udskrivningsindstillingerne og forstå materialets adfærd. Disse oplysninger kan bruges til udvikling og afprøvning af nye trykmaterialer eller avancerede udskæringsprocedurer. Med denne tilgang kan en dybere forståelse af ekstrudering bygges for at tage 3D-udskrivning til det næste niveau.
Introduction
Metoden til 3D-udskrivning er en additiv fremstillingsteknik, hvor et objekt fremstilles lag for lag for at danne den ønskede form. Denne metode har en stor og forskelligartet brugerbase takket være dens alsidighed, overkommelige pris og brugervenlighed. Smeltet aflejringsmodellering har en bevægelig ekstruder (med en diameter på hundreder af mikron til et par millimeter) for at deponere smeltet plast i den ønskede form1. Den ekstruderede plast skal opføre sig på en væskelignende måde i en vis varighed for at opnå god fusion med den tidligere trykte plast og danne et stærkt sammenhængende materiale. Plasten skal dog køle ned og størkne hurtigt efter udskrivning for at forhindre, at plasten flyder væk fra udskriftsstedet og reducerer udskriftskvaliteten. Dette delikate samspil mellem opvarmning og køling har vist sig direkte at understøtte balancen mellem den mekaniske styrke og den geometriske nøjagtighed af det endelige 3D-printede objekt2. For at opnå den optimale varme-kølebalance ekstruderes plasten ved en temperatur lige over dens smeltetemperatur, og et blæserhoved, der er fastgjort til printeren, bruges til hurtigt at køle plasten ned. En dybdegående forståelse af virkningerne af udskrivningstemperaturer og kølehastigheder kan give den indsigt, der kræves for at udvikle avancerede udskærings- og udskrivningsprotokoller, der maksimerer de mekaniske eller geometriske resultater på de områder, hvor de er vigtigst. Bestræbelser på at få mere indsigt i disse processer er ofte afhængige af infrarød (IR) billeddannelse, som kun visualiserer overfladetemperaturen 3,4,5 og ikke angiver plastens indre temperatur. Lokal opvarmning ud over smelteovergangen øger polymermobiliteten drastisk og tillader således polymersammenfiltring mellem det gamle og det nye materiale. Denne tidsmæssigt forbedrede polymerbevægelse er et krav til dannelsen af det endelige sammenhængende materiale 6,7, men IR-billeddannelse kan kun måle polymerbevægelse indirekte gennem overfladetemperaturen 8,9. Oversættelse af overfladetemperaturen til lagbinding kræver således præcis viden om kerne-overfladetemperaturgradienten og den tilhørende komplekse polymerdynamik over et interval af tids- og længdeskalaer. En direkte måling af lagbindingen (dvs. polymersammenfiltringsprocessen) ville muliggøre visualisering af mekanismen bag bulkmaterialesamhørighed uden forudgående information eller antagelser.
For at få en forståelse af den rumlige og tidsmæssige fordeling af lagbinding anvendes en billeddannelsesteknik, der direkte kvantificerer dynamikken i polymererne, der udgør plastfilamentet, i dette arbejde. Denne teknik, laser speckle imaging (LSI), er afhængig af interferometrisk lysspredning for at visualisere nanoskopiske bevægelser, uafhængigt af den kemiske sammensætning. Afhængigt af prøvens optiske egenskaber kan den nøjagtigt måle flere millimeter til centimeter i ikke-gennemsigtige materialer10,11,12, i modsætning til IR-billeddannelse, der kun rapporterer overfladetemperaturer 8,9. Disse egenskaber har for nylig gjort speckle-baserede metoder populære til forståelse af dynamiske processer i en overflod af materialer, selvom de oprindeligt blev udviklet til medicinske applikationer10,11,12. For nylig er LSI blevet brugt til at få indsigt i adfærden af avancerede polymere materialer såsom selvrensende flydende krystalpolymernetværk 13,14 samt til at forudsige brud i gummi15 og til at studere selvhelende materialer16.
Muligheden for at anvende LSI til 3D-print blev fremvist i en tidligere artikel17, hvor en bærbar LSI-opsætning med realtidsanalysefunktioner blev præsenteret, og det blev vist, at aflejring af smeltet plast resulterer i øget polymerbevægelse flere lag under det aktuelle lag. I papiret, der præsenteres her, udføres systematisk forskning i virkningerne af køleventilatorhastigheden på graden af flerlagsbinding. Der anvendes en forbedret plug-and-play-version af det bærbare instrument, der kan betjenes af brugere uden optik eller programmeringsekspertise. Speckle-billederne analyseres i realtid ved hjælp af Fourier-transformationer17, som visualiserer amplituden af speckleintensitetsudsvingene. Dette instrument har et ekstra brightfield-kamera, der er justeret med speckle-kameraet, så LSI-bevægelseskortene kan overlejres med brightfield-billederne for lettere fortolkning, uden at brightfield-lyset påvirker bevægelseskortene. Den eksperimentelle tilgang, der præsenteres i denne artikel, kan bruges til at få mere indsigt i smeltning, lagbinding og størkning af ekstruderet plast under 3D-udskrivning af udfordrende geometrier og materialer.
Protocol
1. Opsætning og justering af LSI-instrumentet med 3D-printeren
- Placer 3D-printeren på en stabil overflade for at minimere vibrationer. Placer LSI-instrumentet ved siden af det, så kameraet har frit udsyn over udskrivningsområdet. Placer LSI-instrumentet lidt højere end 3D-printerens byggeplade, og vip det meget lidt nedad, så udsynet ikke blokeres.
- Tænd for laser- og brightfield-belysningen, og kontroller, at de er justeret med billedområdet. Indstil lasereffekten til 20 mW, sørg for, at laseren forlader opsætningsboksen udvidet over et stort område (flere kvadratcentimeter), og sørg for, at effekttætheden er lav nok (flere gange lavere end en laserpointer) til at blive brugt in situ uden yderligere sikkerhedsforanstaltninger som laserbriller eller et sort kabinet.
FORSIGTIG: Se ikke direkte ind i laseren. - Start med en testudskrivning (f.eks. Supplementary Coding File 1 eller Supplementary Coding File 2) for at gøre justeringen og den eksperimentelle opsætning mere praktisk (trin 1.3-1.6). Sørg for, at LSI-kameraet er fokuseret på udskrivningsområdet.
- Under denne første testudskrivning skal du justere belysningen og digitalkameraet optimalt. Juster laserretningen, så hele billedområdet belyses homogent, og juster membranen, så pletstørrelsen er lidt større end pixelstørrelsen.
- Optimer billedhastigheden og eksponeringstiden, så antallet af undereksponerede og overeksponerede pixels minimeres for at opnå det maksimale dynamiske område.
- Vælg de rigtige parametre til live LSI-dataanalyse; Vigtigst er det, at du vælger den frekvens, der giver den bedste billedkontrast mellem smeltet og størknet plast. Juster interesseområdet (ROI) og skalering af farvekort. I dette tilfælde blev der valgt en Fourier-serielængde på 16, og amplituden af den anden frekvens blev visualiseret. Da billedindsamlingshastigheden for speckle billeder er 50 billeder pr. sekund, er den visualiserede frekvens 6,25 Hz.
- Forbered LSI-instrumentet til at tage billederne til et 3D-printeksperiment. Vælg, hvor ofte og hvor længe billederne gemmes. I dette tilfælde blev billederne gemt hver 0,25 sek., så der blev gemt flere billeder pr. gennemløb af printerhovedet. For hvert eksperiment blev billederne gemt i 15 minutter, da hvert udskriftsjob maksimalt tog 12 minutter.
2. Udarbejdelse af 3D-print design og G-kode
- Tegn objektet ved hjælp af en udvalgt 3D-tegnesoftware, og eksporter objektet som en .stl-fil. I dette tilfælde blev der brugt en væg med kamme og huller, som er vist i figur 1 og kan downloades fra supplerende kodningsfil 1.
- Importer .stl-filen til udskæringssoftwaren, og vælg udskriftsindstillingerne. Disse indstillinger afhænger af materialevalg og 3D-printermodellen; I det tilfælde, der anvendes i denne undersøgelse, skal du bruge indstillingerne vist i tabel 1. Brug et filament, der helst er hvidt eller enhver farve, der spreder laserlyset uden væsentlig absorption.
- Tryk på knappen Udsnit i udskæringssoftwaren for at få udskriftshovedets lag og kørebane. Konfigurationsfilen til udskæringssoftwaren findes i Supplementary Coding File 3.
- Gem den resulterende G-kode (Supplementary Coding File 2), og send den til 3D-printeren.
Figur 1: Objektdesign. En 3D-visning (venstre) og 2D-visning (højre) fra siden, forsiden og toppen af objektdesignet. Gitteret repræsenterer 1,0 mm x 1,0 mm med 1,0 cm x 1,0 cm med fed skrift. Væggen er 25 mm x 12 mm x 1,2 mm (bredde x højde x dybde), og ryggene har en bredde på 1,0 mm, har en dybde på 0,4 mm og er adskilt af 1,0 mm. Vinduerne har en bredde på 1,0 mm og en højde på 2,0 mm. 3D-designet findes i Supplementary Coding File 1. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Ejendom/indstilling | Værdi |
| Glødetråd | Polymælkesyre (PLA), hvid |
| Dyse diameter | 0,4 mm |
| Lag tykkelse | 0,2 mm |
| Dyse temperatur | 210 °C |
| Kølende blæserhastighed | 100% |
| Udskrivningshastighed | 10 mm/s |
| Kørehastighed | 10 mm/s |
| Seng temperatur | 60 °C |
Tabel 1: Indstillingerne for 3D-udskrivning. De indstillinger og printeregenskaber, der bruges til udsnit af objektdesignet. I det andet eksperiment blev blæserhastigheden manuelt ændret til 0%.
3. Udførelse af eksperimentet
- Start 3D-printeren, og vent på, at opvarmningsperioden slutter.
- LSI-målingen kan startes når som helst, men for at forhindre unødvendige databesparelser skal du starte LSI-målingen, når plasten begynder at ekstrudere.
- Vent på, at 3D-printeren er færdig, og stop derefter LSI-målingen.
- Indlæs de resulterende data i en billedvisningssoftware, og inspicer visuelt det udskrevne objekt. Sammenlign de målte plastpolymerbevægelser under udskrivning med den endelige strukturelle integritet og overfladekvalitet.
Representative Results
Et simpelt objekt blev tegnet som testmål for eksperimenterne: en væg med kamme på bagsiden, to vinduer og et stort hul (figur 1). Objektet blev udskåret med de printerindstillinger og egenskaber, der er angivet i tabel 1.
LSI-instrumentet blev justeret med 3D-printeren, og eksperimentet blev udført. Den brugervenlige opsætning har et ekstra brightfield-kamera, som hjælper under justering og giver mulighed for en nem sammenligning mellem plastekstruderingen og den målte polymerbevægelse. Speckle- og brightfield-kameraerne er begge udstyret med optiske filtre, der forhindrer interferens fra den anden kanal. Flere tekniske detaljer om opsætningen kan findes i Supplementary File 1, og en forklaring af analyserutinen er præsenteret i Supplementary File 2. Højdepunkter fra resultaterne af dette eksperiment er vist i figur 2, og den fulde film kan findes i supplerende film 1. Som vist før kan eksperimentet udføres lige så godt med et hjemmebygget instrument17.
Figur 2: Time-lapse af udskrivning med en 100% køleblæserhastighed. Til venstre: Brightfield, forsidebillede af objektet, når printeren næsten er færdig. Kvaliteten af udskriften ser godt ud ved inspektion; Selvom overfladen viser laglinjerne, er den overordnede designede geometri produceret. Til højre: Fire LSI-snapshots fra det hvidtafgrænsede område under udskrivningsprocessen; de blå pile angiver printhovedets position på tidspunktet for snapshottet, da LSI-billederne ikke svarer tidsmæssigt til brightfield-billedet. De lysere farver i hvert snapshot indikerer øget polymerbevægelse, som observeres i de senest trykte lag. Bemærk, at området med forbedret bevægelse (svejsezonen) er flere lag tykt. Den fulde detaljerede film af eksperimentet er tilgængelig i Supplerende film 1. Klik her for at se en større version af denne figur.
Som supplement til disse resultater blev udskriften visuelt inspiceret; Som forventet for disse almindeligt anvendte polymerfilamenter og udskriftsindstillinger var kvaliteten god. Den designede geometri blev faktisk gengivet, og overfladen var jævn med en lille linje synlig på hvert lag. Med LSI-dataene var det muligt at få dybdegående indsigt i udskrivningsprocessen. Den nyligt ekstruderede plast var synlig som meget mobil, og mobiliteten faldt gradvist, efterhånden som den kølede ned. Højden på området med høj mobilitet (dvs. svejsezonen) var fire til fem lag tykt under hele udskrivningsproceduren, hvilket indikerer en veldefineret varighed af lagfusion.
Eksperimentet blev gentaget med køleblæserhastigheden manuelt justeret til 0%. Med denne indstilling kølede plasten ikke hurtigt nok ned, hvilket påvirkede udskriftskvaliteten. Højdepunkter fra resultaterne er vist i figur 3, og den fulde detaljerede film kan findes i Supplerende film 2.
Figur 3: Time-lapse af udskrivning med en 0% køleblæserhastighed. Til venstre: Brightfield, forsidebillede af objektet, når printeren næsten er færdig. Den visuelle kvalitet af udskriften ser dårlig ud; Overfladen viser uregelmæssige laglinjer og store klatter. Derudover er den overordnede designede geometri blevet gengivet ufuldstændigt; Især er vinduerne og hullerne deformeret. Til højre: Fire LSI-snapshots fra det hvidtafgrænsede område under udskrivningsprocessen; de blå pile angiver printhovedets position på tidspunktet for snapshottet, da LSI-billederne ikke svarer tidsmæssigt til brightfield-billedet. De lysere farver i hvert øjebliksbillede indikerer øget polymerbevægelse, som kan observeres gennem hele objektet. Den fulde detaljerede film af eksperimentet er tilgængelig i Supplementary Movie 2. Klik her for at se en større version af denne figur.
I overensstemmelse med forventningerne viste visuel inspektion af den 3D-printede konstruktion faktisk dårlig udskriftskvalitet. Lagene var ujævnt fordelt, og den designede geometri blev gengivet med deformationer. En sammenligning af brightfield-billederne i figur 2 og figur 3 viser køleventilatorens største effekt på udskriftsresultatets overfladekvalitet og form. Oprindelsen til denne effekt blev bestemt ved at sammenligne LSI-resultaterne fra figur 2 og figur 3. Med en 100% køleblæserhastighed blev forbedret polymerbevægelse observeret i et område kun få lag under den ekstruderede plast. Derfor blev hvert lag flydende moderat et par gange for at opnå lagbinding uden plaststrøm. Med 0% køleventilatorhastighed blev forbedret polymerbevægelse observeret gennem hele objektet. Således blev hvert lag flydende mange gange og ekstremt tæt på den nyligt ekstruderede plast, hvilket resulterede i et tab af geometrisk nøjagtighed gennem plastflow.
For at få et mere kvantitativt billede af køleventilatoreffekten i mere moderate situationer blev køleventilatorhastigheden systematisk varieret. Objektdesignet blev forenklet til en væg på 25 mm x 12 mm x 0,8 mm (bredde x højde x dybde) uden huller eller kamme. Der blev anvendt de samme udskriftsindstillinger som i tabel 1. Eksperimentet blev udført 12 gange med køleblæserhastigheder på 0%, 20%, 40%, 60%, 80% og 100%, hver i to eksemplarer. De resulterende film findes i Supplementary Movies 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 og Supplementary Movie 8 samt Supplementary Coding File 6, Supplementary Coding File 7, Supplementary Coding File 8, Supplementary Coding File 9, Supplementary Coding File 10 og Supplementary Coding File 11.
For kvantitativt at sammenligne svejsezonerne for forskellige blæserhastigheder blev der udført avanceret dataanalyse af LSI-resultaterne. Målet med denne dataanalyse var at opnå en højdeprofil af omfanget af polymerbevægelsen i svejsezonen. Det tilhørende fuldt kommenterede MATLAB-script findes i Supplementary Coding File 4 og beskrives kort. For hvert LSI-billede i filmen beregnes en højdeprofil ved at tage middelværdien langs den vandrette retning. Profilerne på billederne, hvor printhovedet er i ROI, viser en tydelig top omkring svejsezonen. For udelukkende at vælge disse profiler tages kun profiler med en top over 8 dB i betragtning. Profiler, hvor denne top er for tæt på kanten af ROI, kasseres også. Toppositionerne for alle profiler justeres efterfølgende for at give en gennemsnitlig profil i forhold til den højde, hvor polymererne er mest mobile. De resulterende profiler for de seks forskellige køleblæserhastigheder er afbildet i figur 4.
Figur 4: Højdeprofiler for systematisk variation af køleventilatorhastigheden. Venstre: Svejsezoneprofilerne til køleblæserhastigheder på 100 % (sort), 80 % (blå), 60 % (lilla), 40 % (rød), 20 % (orange) og 0 % (gul), hentet fra det avancerede dataanalysescript i supplerende kodningsfil 4. Det skraverede område er standardafvigelsen mellem dublerede eksperimenter. Det rigtige skema forklarer gennemsnitsproceduren for at opnå profilen for et typisk LSI-billede. Ved at justere maksimum af toppe af alle de opnåede profiler opnås svejsezonen. Svejsezonens maksimum (relativ højde = 0) er den højde, hvor polymererne er mest mobile. Alle detaljerede LSI- og brightfield-film fra hvert eksperiment er tilgængelige i Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, Supplementary Movie 6, Supplementary Movie 7 og Supplementary Movie 8. Objektet,der er trykt til denne figur, findes i supplerende kodningsfil 5 med tilsvarende G-kodefiler i supplerende kodningsfil 6. Klik her for at se en større version af denne figur.
Svejsezoneprofilerne til 40-100 % køling var næsten identiske. Svejsezonen til 20% køling havde en skulder, der nåede ind i flere dybere lag. Svejsezonen til 0 % køling strakte sig over hele det målte område. Den højde, hvor polymererne var mest mobile, lå i eller lidt under det senest trykte lag. Dette fænomen forklarer tilstedeværelsen af et LSI-signal i positive relative højder, da der er trykt materiale over mobilitetstoppen. I alle tilfælde nåede svejsezonen meget dybere end lagtykkelsen på 0,2 mm.
Supplerende fil 1: LSI-opsætning.xls. Hardwareparametre for LSI-instrumentet, der bruges her. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 2: LSI-analyse.docx. Forklaring af konverteringen af de rå speckle billeder til LSI-billeder. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende film 1: LSI og brightfield-film af eksperimentet beskrevet i figur 2. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende film 2: LSI og brightfield-film af eksperimentet beskrevet i figur 3. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende film 3: Eksperimentet med 100 % køleblæserhastighed beskrevet i figur 4. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende film 4: Eksperimentet med 80 % køleblæserhastighed beskrevet i figur 4. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende film 5: Eksperimentet med 60 % køleblæserhastighed beskrevet i figur 4. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende film 6: Eksperimentet med 40 % køleblæserhastighed beskrevet i figur 4. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende film 7: Eksperimentet med 20 % køleblæserhastighed beskrevet i figur 4. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende film 8: Eksperimentet med 0 % køleblæserhastighed beskrevet i figur 4. Filmen afspilles med 12.5x realtidshastighed. Den øverste del er LSI-resultatet, og den nederste del er den synkroniserede brightfield-visning med LSI ROI angivet. Klik her for at downloade denne film.
Supplerende kodningsfil 1: wall_with_holes.stl. 3D-designet for objektet beskrevet i figur 1. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 2: wall_with_holes.gcode. Det udsnittede objekt wall_with_holes.stl med indstillingerne fra tabel 1. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 3: config.ini. Konfigurationsfilen til udskæringssoftwaren. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Scriptet til at udføre den avancerede dataanalyse på køleventilatorens fejedata og plotte figur 4. Scriptet er fuldt kommenteret. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 5: wall.stl. 3D-designet af objektet, der bruges til at indsamle dataene i figur 4. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 6: wall_100% fan.gcode. Den skiveskårne objektvæg.stl med en 100% køleblæserhastighed. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 7: wall_80% fan.gcode. Den skiveskårne objektvæg.stl med en 80% køleblæserhastighed. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 8: wall_60% fan.gcode. Den skiveskårne objektvæg.stl med en køleblæserhastighed på 60%. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 9: wall_40% fan.gcode. Den skiveskårne objektvæg.stl med en køleblæserhastighed på 40%. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 10: wall_20% fan.gcode. Den skiveskårne objektvæg.stl med en køleblæserhastighed på 20%. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfil 11: wall_0%fan.gcode. Den skiveskårne objektvæg.stl med en 0% køleblæserhastighed. Klik her for at downloade denne fil.
Discussion
Eksperimenterne og resultaterne beskrevet i denne forskning viser, at LSI er et let anvendeligt værktøj, der giver mulighed for en dybere forståelse af lagbinding under additiv fremstilling. LSI muliggør direkte måling af polymerbevægelsen, som skal finjusteres til dannelse af et sammenhængende materiale ved interpenetration og efterfølgende sammenfiltring af polymerkæderne. Det mest almindelige alternativ til måling af lagbinding in situ er infrarød billeddannelse 3,4,5. Denne veletablerede metode afbilder den lokale overfladetemperatur på plast8,9, som er en indirekte måling af polymerbevægelsen inde i materialet. Med varmere plast er bevægelsen hurtigere, og bindingen bliver stærkere. Forholdet mellem temperatur og bevægelse er dog ikke lineært, da tryktemperaturerne krydser smelte- og glasovergangstemperaturerne 6,7. Dette ikke-trivielle forhold kan observeres direkte i LSI-billederne; Specifikt er der en skarp overgang mellem den væskelignende top og de faststoflignende bundområder, mens temperaturgradienten forventes at være langt mere gradvis. En anden ulempe ved IR-billeddannelse er, at den kun måler overfladetemperaturen, mens LSI måler polymerbevægelse typisk flere millimeter dybt inde i materialet.
Ligesom med IR-billeddannelse er denne implementering af LSI i det væsentlige en peg-og-skyd-metode; Det kan bruges in situ , hvis kameraet kan peges på det interessante område. Det alsidige stativ og den lange arbejdsafstand på 0,7 m giver friheden til at bruge enhver tilgængelig 3D-printer. Det afgørende er, at LSI er følsom over for nanoskopiske bevægelser, og derfor skal vibrationer fra omgivelserne og selve trykprocessen minimeres17. For eksempel vil udførelse af en anden opgave på samme bord eller smække en dør forårsage interferens. Derfor bør man omhyggeligt gå rundt i opsætningen; Imidlertid forstyrrer rumlys eller luftstrøm generelt ikke processen.
LSI giver detaljeret indsigt i lagbindingsprocessen og kan anvendes lige så let som IR-billeddannelse. Vi forestiller os, at LSI har et stort potentiale i at hjælpe med udviklingen og forståelsen af avancerede 3D-printmetoder. Køleblæserhastighedsfejningen viser et glimt af, hvad der er muligt ved at kombinere LSI med 3D-print. Som diskuteret i indledningen er den optimale kølehastighed en balance mellem at holde plasten smeltet længe nok til at forbedre lagbindingen, men afkøle den hurtigt nok til at forhindre strømning. Resultaterne med 40% -100% køleblæserhastighed var meget ens; Faktisk viste disse blæserhastigheder ikke noget flow og producerede en god overfladekvalitet. Med 0% køleblæserhastighed begyndte materialet at strømme væk fra det trykte sted, men rigelig lagbinding blev observeret i LSI-målingen. Baseret på vores resultater kunne køleblæserhastigheden på 20 % være optimal til at opnå lidt forbedret lagbinding uden at gå på kompromis med overfladekvaliteten. For at drage konklusioner, der kan anvendes i praksis, skal der dog vurderes flere køleventilatorhastigheder mellem 0% og 40%. Det er også ønskeligt at etablere kvantitative mål for overfladekvalitet og materialestyrke for at få et objektivt og fuldstændigt billede af virkningerne af polymerbevægelse på de ønskede egenskaber. Med denne tilføjelse kan tilgangen gøres mere kraftfuld til evaluering af kreative fremskridt inden for 3D-udskrivning.
De nøjagtige indstillinger, der vælges til LSI-analysen, er ikke tilbøjelige til kritiske fejl, så længe væskelignende plast og faststoflignende plastfaser kan skelnes tydeligt. Polymerbevægelsen ændres dramatisk, når den krydser smelte- og glasovergangstemperaturerne, så en bred vifte af LSI-indstillinger fanger kontrasten godt. Dette kan nemt testes med et testprint af en enkel genstand (f.eks. en lige væg) med de 3D-printerindstillinger, der anbefales af materialeleverandøren. For mere avancerede LSI-brugere kan dybere ned i frekvensområdet give ekstra information, da forskellige typer polymerbevægelse kan skelnes kvantitativt. For eksempel er højfrekvent polymerbevægelse forbundet med de højeste temperaturer, som kun er til stede tæt på printerhovedet. Lavfrekvent polymerbevægelse er forbundet med moderate temperaturer, som er til stede i et meget større område omkring printerhovedet og også i meget længere tid17. Hvorvidt graden af binding for kumulativ lavfrekvent polymerbevægelse kan være lig med den med kort, højfrekvent bevægelse (f.eks. med dynamisk mekanisk analyse) skal undersøges. De fleste andre indstillinger, f.eks. skalering af farvekort, investeringsafkast, lagringsinterval og eksperimentlængde, vælges udelukkende for at give et visuelt klart og tiltalende resultat. Med hensyn til 3D-udskrivningsindstillingerne er der også meget frihed, da LSI giver brugeren mulighed for objektivt at vurdere resultaterne af at ændre nogen af indstillingerne. Især drastisk ændring af udskrivningshastigheden ændrer fortolkningen af LSI-dataene. I dette arbejde blev der brugt en langsom udskrivnings- og kørehastighed på 10 mm/s til at tage flere LSI-billeder under en passage af printerhovedet. Hvis der blev anvendt en mere almindelig udskrivningshastighed på 60 mm/s for PLA, ville der blive udskrevet ca. et helt lag pr. LSI-billede, og der ville således forekomme et gennemsnit inden for et lag. Hvis der eksperimenteres med avancerede hastigheder som 300 mm / s og hurtigere, ville der forekomme gennemsnit over flere lag. Ikke desto mindre er dette helt afhængigt af den nøjagtige udskriftsgeometri og LSI-indstillinger og kan let afhjælpes af en erfaren LSI-bruger gennem avanceret maskindesign, justering af synsfeltets størrelse eller brug af et hurtigere kamera. Begge tilgange kræver en kraftigere laser, som i kombination med det reflekterende printerhoved kræver yderligere lasersikkerhedsforanstaltninger. Den relativt langsomme trykhastighed har også en positiv indflydelse på lagbindingen, da det tidligere er bevist, at varmeoverførslen til plasten øges med langsommere trykhastigheder5.
En mulig ny retning for denne tilgang er afprøvning af nye materialer; for eksempel kan LSI bruges til at visualisere de relevante overgange og objektivt kvantificere de anbefalede printerindstillinger, der giver en femlags svejsezone ved påføring af det øverste lag. En anden anvendelse kunne være at undersøge svejsezonen i specifikke situationer, hvor udskriftskvaliteten ikke er pålidelig god, f.eks. til broer, udhæng eller skarpe hjørner. Hvis svejsezonen i vanskelige situationer bedre kan forstås, skal det være muligt at kompensere i G-koden. Det er allerede almindelig praksis at udskrive det første lag varmere og langsommere end resten af lagene for at opnå god vedhæftning til byggepladen18. Vi forestiller os brugen af lignende dynamisk G-kodeudskæring, hvor f.eks. ventilatorkølingen kan justeres til at producere hjørner eller broer. Det skal også være muligt at udskrive ydervægsmaterialet med en glattere finish og resten af materialet og fyldet grovere, men stærkere for at maksimere både materialets styrke og visuelle udseende.
Denne artikel har diskuteret anvendelsen af LSI til at studere lagbindingsprocessen efter plastekstrudering. Teknikken er fremragende til denne opgave, da den kan visualisere den underliggende polymerbevægelse uden forudgående antagelser i realtid under 3D-print. Det giver dog ingen oplysninger om materialets samhørighed, så yderligere test vil være påkrævet. De andre ulemper, der diskuteres, er situationsbestemte; den begrænsede billedhastighed på fire LSI-billeder pr. sekund kan øges med en større laser og yderligere lasersikkerhedsforanstaltninger, og vibrationsfølsomheden kræver forholdsregler eller vibrationsreducerende hardware. LSI kan udføres med billige og små digitale kameraer og lasere19,20, hvilket giver mulighed for integration i stort set alle 3D-printere til live kvalitetskontrol og dynamisk tuning af udskrivningsparametrene. Det giver dog mere mening at anvende LSI til at udvikle grundig viden om lagbinding under 3D-print. Hvis denne forståelse bruges til at udvikle mere avanceret udskæringssoftware, kan enhver forbruger 3D-printer drage fordel af den opnåede viden.
Disclosures
Jesse Buijs er i færd med at starte et opstartsfirma, der sælger LSI-instrumentet og softwaren, der bruges i denne artikel. De øvrige forfattere erklærer ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne modtog ingen ekstern finansiering.
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 |
References
- 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.
- 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).
