Summary
С помощью неинвазивной техники в режиме реального времени наноскопическое движение полимера внутри полимерной нити визуализируется во время 3D-печати. Тонкая настройка этого движения имеет решающее значение для создания конструкций с оптимальной производительностью и внешним видом. Этот метод лежит в основе сплавления пластиковых слоев, тем самым предлагая понимание оптимальных условий печати и критериев дизайна материала.
Abstract
В последнее время технология 3D-печати произвела революцию в наших возможностях по проектированию и производству продукции, но оптимизация качества печати может быть сложной задачей. Процесс экструзионной 3D-печати включает в себя прессование расплавленного материала через тонкое сопло и нанесение его на ранее экструдированный материал. Этот метод основан на склеивании между последовательными слоями для создания прочного и визуально привлекательного конечного продукта. Это непростая задача, так как для достижения оптимальных результатов необходимо точно настроить многие параметры, такие как температура сопла, толщина слоя и скорость печати. В этом исследовании представлен метод визуализации динамики полимера во время экструзии, дающий представление о процессе склеивания слоев. Используя лазерную спекл-визуализацию, пластический поток и слияние могут быть разрешены неинвазивно, внутренне и с высоким пространственно-временным разрешением. Это измерение, которое легко выполнить, обеспечивает глубокое понимание основных механизмов, влияющих на конечное качество печати. Эта методология была протестирована с диапазоном скоростей охлаждающего вентилятора, и результаты показали увеличение движения полимера при более низких скоростях вращения вентилятора и, таким образом, объяснили низкое качество печати при выключении охлаждающего вентилятора. Эти результаты показывают, что эта методология позволяет оптимизировать настройки печати и понять поведение материала. Эта информация может быть использована для разработки и тестирования новых печатных материалов или сложных процедур нарезки. При таком подходе можно глубже понять экструзию, чтобы вывести 3D-печать на новый уровень.
Introduction
Метод 3D-печати — это технология аддитивного производства, при которой объект изготавливается слой за слоем для формирования желаемой формы. Этот метод имеет большую и разнообразную пользовательскую базу благодаря своей универсальности, доступности и простоте использования. Моделирование методом наплавления включает в себя движущийся экструдер (диаметром от сотен микрон до нескольких миллиметров) для осаждения расплавленного пластика в желаемую форму1. Экструдированный пластик должен вести себя как жидкость в течение определенного времени, чтобы добиться хорошего слияния с ранее напечатанным пластиком и сформировать прочный связующий материал. Однако пластик должен быстро остыть и затвердеть после печати, чтобы пластик не вытекал из места печати и не снижал качество печати. Было показано, что это тонкое взаимодействие между нагревом и охлаждением напрямую поддерживает баланс между механической прочностью и геометрической точностью конечного 3D-печатного объекта2. Для достижения оптимального баланса нагрева и охлаждения пластик экструдируется при температуре чуть выше температуры плавления, а головка вентилятора, прикрепленная к принтеру, используется для быстрого охлаждения пластика. Глубокое понимание влияния температуры печати и скорости охлаждения может дать понимание, необходимое для разработки передовых протоколов нарезки и печати, которые максимизируют механические или геометрические результаты в тех областях, где они наиболее важны. Усилия по более глубокому пониманию этих процессов часто опираются на инфракрасную (ИК) визуализацию, которая визуализирует только температуру поверхности 3,4,5 и не указывает внутреннюю температуру пластика. Локальный нагрев после перехода плавления резко увеличивает подвижность полимера и, таким образом, позволяет полимеру запутаться между старым и новым материалом. Это усиленное во времени движение полимера является требованием для формирования конечного связного материала 6,7, но ИК-визуализация может измерять движение полимера только косвенно через температуру поверхности 8,9. Таким образом, перевод температуры поверхности в склеивание слоев требует точного знания градиента температуры ядра и поверхности и связанной с ним сложной динамики полимера в диапазоне масштабов времени и длины. Прямое измерение склеивания слоев (т.е. процесса запутывания полимера) позволило бы визуализировать механизм, лежащий в основе сцепления сыпучих материалов, без априорной информации или предположений.
Чтобы получить представление о пространственном и временном распределении склеивания слоев, в этой работе используется метод визуализации, который непосредственно количественно оценивает динамику полимеров, составляющих пластиковую нить. Этот метод, лазерная спекл-визуализация (LSI), основан на интерферометрическом рассеянии света для визуализации наноскопических движений, независимо от химического состава. В зависимости от оптических свойств образца он может точно измерять от нескольких миллиметров до сантиметров в непрозрачных материалах10,11,12, в отличие от ИК-изображения, которое сообщает только температуру поверхности 8,9. Эти свойства в последнее время сделали методы, основанные на спеклах, популярными для понимания динамических процессов во множестве материалов, хотя первоначально они были разработаны для медицинских применений10,11,12. В последнее время БИС используется для получения информации о поведении современных полимерных материалов, таких как самоочищающиеся жидкокристаллические полимерные сети13,14, а также для прогнозирования разрушения резины15 и для изучения самовосстанавливающихся материалов 16.
Возможность применения БИС для 3D-печати была продемонстрирована в предыдущей статье17, где была представлена портативная установка БИС с возможностями анализа в реальном времени, и было показано, что осаждение расплавленного пластика приводит к увеличению движения полимера на несколько слоев ниже текущего слоя. В представленной здесь работе проведено систематическое исследование влияния скорости вращения охлаждающего вентилятора на степень многослойного склеивания. Используется улучшенная версия портативного прибора plug-and-play, которой могут управлять пользователи без оптики или опыта программирования. Спекл-изображения анализируются в режиме реального времени с использованием преобразованийФурье 17, которые визуализируют амплитуду флуктуаций интенсивности спеклов. Этот прибор имеет дополнительную камеру светлого поля, которая совмещена со спекл-камерой, так что карты движения LSI могут быть наложены на изображения яркого поля для более легкой интерпретации без влияния света яркого поля на карты движения. Экспериментальный подход, представленный в этой статье, может быть использован для получения более глубокого понимания плавления, склеивания слоев и затвердевания экструдированного пластика во время 3D-печати сложных геометрий и материалов.
Protocol
1. Настройка и совмещение LSI-прибора с 3D-принтером
- Поместите 3D-принтер на устойчивую поверхность, чтобы свести к минимуму вибрации. Поместите LSI-прибор рядом с ним так, чтобы камера имела четкий обзор области печати. Расположите LSI-прибор немного выше рабочей пластины 3D-принтера и слегка наклоните его вниз, чтобы обзор не был затруднен.
- Включите лазерную подсветку и подсветку яркого поля и убедитесь, что они выровнены с областью изображения. Установите мощность лазера на 20 мВт, убедитесь, что лазер выходит из установочного блока, расширенного на большую площадь (несколько квадратных сантиметров), и убедитесь, что плотность мощности достаточно низкая (в несколько раз ниже, чем у лазерной указки), чтобы ее можно было использовать на месте без дополнительных мер безопасности, таких как лазерные очки или черный корпус.
ВНИМАНИЕ: Не смотрите прямо в лазер. - Начните с пробной печати (например, файла дополнительного кодирования 1 или файла дополнительного кодирования 2), чтобы сделать выравнивание и экспериментальную настройку более удобными (шаги 1.3-1.6). Убедитесь, что камера LSI сфокусирована на области печати.
- Во время этой первой тестовой печати оптимально выровняйте освещение и цифровую камеру. Отрегулируйте направление лазера так, чтобы вся область изображения была освещена равномерно, и отрегулируйте диафрагму так, чтобы размер спекла был немного больше, чем размер пикселя.
- Оптимизируйте частоту кадров и время экспозиции таким образом, чтобы количество недоэкспонированных и переэкспонированных пикселей было сведено к минимуму для достижения максимального динамического диапазона.
- Выберите правильные параметры для анализа данных LSI в реальном времени; Самое главное, выберите частоту, которая обеспечивает наилучший контраст изображения между расплавленным и затвердевшим пластиком. Отрегулируйте область интереса (ROI) и масштабирование цветовой карты. В этом случае был выбран ряд Фурье длиной 16 и визуализирована амплитуда второй частоты. Поскольку скорость сбора спекл-изображений составляет 50 кадров в секунду, визуализированная частота составляет 6,25 Гц.
- Подготовьте прибор LSI к получению изображений для одного эксперимента с 3D-печатью. Выберите, как часто и как долго будут сохраняться изображения. В этом случае изображения сохранялись каждые 0,25 с, так что за один проход головки принтера сохранялось несколько изображений. Для каждого эксперимента изображения сохранялись в течение 15 минут, так как каждое задание на печать занимало максимум 12 минут.
2. Подготовка дизайна 3D-печати и G-кода
- Нарисуйте объект с помощью программного обеспечения для 3D-рисования по выбору и экспортируйте объект в виде файла .stl. В данном случае была использована стена с гребнями и отверстиями, которая показана на рисунке 1 и может быть загружена из файла дополнительного кодирования 1.
- Импортируйте файл .stl в программное обеспечение для нарезки и выберите параметры печати. Эти настройки будут зависеть от выбора материала и модели 3D-принтера; для случая, использованного в этом исследовании, используйте параметры, показанные в таблице 1. Используйте нить накаливания, предпочтительно белого или любого цвета, которая рассеивает лазерный свет без значительного поглощения.
- Нажмите кнопку «Срез » в программе для нарезки, чтобы получить слои и траекторию перемещения печатающей головки. Файл конфигурации программного обеспечения для нарезки можно найти в файле дополнительного кодирования 3.
- Сохраните полученный G-код (Supplementary Coding File 2) и отправьте его на 3D-принтер.
Рисунок 1: Объектный дизайн. 3D-вид (слева) и 2D-вид (справа) сбоку, спереди и сверху дизайна объекта. Сетка представляет собой 1,0 мм x 1,0 мм, из которых 1,0 см x 1,0 см выделены жирным шрифтом. Стена имеет размеры 25 мм х 12 мм х 1,2 мм (ширина х высота х глубина), а гребни имеют ширину 1,0 мм, имеют глубину 0,4 мм и разделены 1,0 мм. Окна имеют ширину 1,0 мм и высоту 2,0 мм. 3D-дизайн можно найти в файле дополнительного кодирования 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Недвижимость/обстановка | Ценность |
| Волокно | Полимолочная кислота (PLA), белый |
| Диаметр сопла | 0,4 мм |
| Толщина слоя | 0,2 мм |
| Температура сопла | 210 °С |
| Скорость вращения охлаждающего вентилятора | 100% |
| Скорость печати | 10 мм/с |
| Скорость передвижения | 10 мм/с |
| Температура постели | 60 °С |
Таблица 1: Настройки 3D-печати. Параметры и свойства принтера, используемые для нарезки дизайна объекта. Для второго эксперимента скорость вращения вентилятора была вручную изменена на 0%.
3. Проведение эксперимента
- Запустите 3D-принтер и дождитесь окончания периода прогрева.
- Измерение БИС может быть начато в любой момент, но, чтобы предотвратить ненужное сохранение данных, начинайте измерение БИС, когда пластик начинает выдавливаться.
- Дождитесь окончания работы 3D-принтера, а затем остановите измерение LSI.
- Загрузите полученные данные в программное обеспечение для просмотра изображений и визуально осмотрите напечатанный объект. Сравните измеренные движения пластикового полимера во время печати с конечной структурной целостностью и качеством поверхности.
Representative Results
В качестве тестовой мишени для экспериментов был нарисован простой объект: стена с гребнями сзади, два окна и большое отверстие (рис. 1). Объект был нарезан с параметрами и свойствами принтера, перечисленными в таблице 1.
Прибор LSI был выровнен с 3D-принтером, и был проведен эксперимент. Удобная конфигурация оснащена дополнительной камерой светлого поля, которая помогает во время выравнивания и позволяет легко сравнивать экструзию пластика и измеренное движение полимера. Камеры спекла и светлого поля оснащены оптическими фильтрами, которые предотвращают помехи от другого канала. Более подробную техническую информацию об установке можно найти в дополнительном файле 1, а объяснение процедуры анализа представлено в дополнительном файле 2. Основные результаты этого эксперимента показаны на рисунке 2, а полный фильм можно найти в дополнительном фильме 1. Как было показано ранее, эксперимент может быть выполнен с таким же успехом с помощью самодельного прибора17.
Рисунок 2: Интервальная съемка печати со 100% скоростью вращения охлаждающего вентилятора. Слева: яркое поле, изображение объекта спереди, когда принтер почти закончен. Качество печати выглядит хорошо при осмотре; Несмотря на то, что на поверхности видны линии слоев, общая спроектированная геометрия была создана. Справа: четыре снимка LSI из белой очерченной области в процессе печати; синие стрелки указывают положение печатающей головки во время снимка, так как LSI-образы не совпадают по времени с изображением светлого поля. Более светлые цвета на каждом снимке указывают на повышенное движение полимера, которое наблюдается в самых последних напечатанных слоях. Обратите внимание, что область с усиленным движением (зона сварки) имеет толщину в несколько слоев. Полный подробный видеоролик об эксперименте доступен в дополнительном фильме 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В дополнение к этим результатам отпечаток был визуально осмотрен; Как и ожидалось для этих широко используемых полимерных нитей и настроек печати, качество было хорошим. Спроектированная геометрия действительно была воспроизведена, и поверхность была ровной, с небольшой линией, видимой на каждом слое. С помощью данных LSI можно было получить более глубокое представление о процессе печати. Свежевыдавленный пластик был виден как очень подвижный, и подвижность постепенно уменьшалась по мере охлаждения. Высота области с высокой подвижностью (т. е. зоны сварки) составляла от четырех до пяти слоев толщиной на протяжении всей процедуры печати, что указывает на четко определенную продолжительность сплавления слоев.
Эксперимент был повторен с ручной регулировкой скорости вращения охлаждающего вентилятора до 0%. При такой настройке пластик недостаточно быстро остывал, что сказывалось на качестве печати. Основные результаты показаны на рисунке 3, а полный подробный видеоролик можно найти в дополнительном фильме 2.
Рисунок 3: Интервальная съемка печати с 0% скоростью охлаждающего вентилятора. Слева: яркое поле, изображение объекта спереди, когда принтер почти закончен. Визуальное качество печати выглядит плохо; На поверхности видны неровные линии слоев и большие пятна. Кроме того, общая спроектированная геометрия была воспроизведена несовершенно; Примечательно, что окна и отверстия деформированы. Справа: четыре снимка LSI из белой очерченной области в процессе печати; синие стрелки указывают положение печатающей головки во время снимка, так как LSI-образы не совпадают по времени с изображением светлого поля. Более светлые цвета на каждом снимке указывают на повышенное движение полимера, которое можно наблюдать по всему объекту. Полный подробный видеоролик об эксперименте доступен в дополнительном фильме 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В соответствии с ожиданиями, визуальный осмотр 3D-печатной конструкции действительно показал низкое качество печати. Слои распределились неравномерно, а спроектированная геометрия воспроизводилась с деформациями. Сравнение изображений светлого поля на рисунках 2 и 3 показывает основное влияние охлаждающего вентилятора на качество поверхности и форму результата печати. Происхождение этого эффекта было определено путем сравнения результатов LSI на рисунке 2 и рисунке 3. При 100% скорости вращения охлаждающего вентилятора усиленное движение полимера наблюдалось в области, расположенной всего на несколько слоев ниже экструдированного пластика. Поэтому каждый слой был умеренно сжижен несколько раз, чтобы добиться склеивания слоев без пластического потока. При 0% скорости охлаждающего вентилятора наблюдалось усиленное движение полимера по всему объекту. Таким образом, каждый слой разжижался много раз и очень близко к свежевыдавленному пластику, что приводило к потере геометрической точности из-за потока пластика.
Чтобы получить более количественное представление об эффекте охлаждающего вентилятора в более умеренных ситуациях, скорость охлаждающего вентилятора систематически варьировалась. Дизайн объекта был упрощен до стены размером 25 мм x 12 мм x 0,8 мм (ширина x высота x глубина) без отверстий и выступов. Использовались те же настройки печати, что и в таблице 1 . Эксперимент проводился 12 раз со скоростью вращения охлаждающего вентилятора 0%, 20%, 40%, 60%, 80% и 100%, каждый в двух экземплярах. Полученные фильмы можно найти в Дополнительные фильмы 3, Дополнительный фильм 4, Дополнительный фильм 5, Дополнительный фильм 6, Дополнительный фильм 7 и Дополнительный фильм 8, а также Файл дополнительного кодирования 6, Файл дополнительного кодирования 7, Файл дополнительного кодирования 8, Файл дополнительного кодирования 9, Файл дополнительного кодирования 10 и Файл дополнительного кодирования 11.
Для количественного сравнения зон сварки для разных скоростей вращения вентиляторов был проведен расширенный анализ данных по результатам БИС. Цель этого анализа данных состояла в том, чтобы получить профиль высоты степени движения полимера в зоне сварки. Связанный с ним полностью прокомментированный сценарий MATLAB можно найти в файле дополнительного кодирования 4 и кратко описан. Для каждого LSI-изображения в фильме профиль высоты вычисляется путем взятия среднего значения по горизонтальному направлению. Профили изображений, на которых печатающая головка находится в ROI, показывают отчетливый пик вокруг зоны сварки. Чтобы выбрать исключительно эти профили, учитываются только профили с пиком выше 8 дБ. Профили, в которых этот пик находится слишком близко к краю ROI, также отбрасываются. Пиковые положения всех профилей впоследствии выравниваются, чтобы получить средний профиль относительно высоты, на которой полимеры наиболее подвижны. Результирующие профили для шести различных скоростей вращения охлаждающего вентилятора показаны на рисунке 4.
Рисунок 4: Профили высоты для систематического изменения скорости охлаждающего вентилятора. Слева: профили зоны сварки для скорости вращения вентилятора охлаждения 100% (черный), 80% (синий), 60% (фиолетовый), 40% (красный), 20% (оранжевый) и 0% (желтый), полученные из сценария расширенного анализа данных в файле дополнительного кодирования 4. Заштрихованная область — это стандартное отклонение между повторяющимися экспериментами. Правая схема объясняет процедуру усреднения для получения профиля типичного изображения LSI. Совместив максимумы пиков всех полученных профилей, получается зона сварки. Максимальная зона сварки (относительная высота = 0) - это высота, на которой полимеры наиболее подвижны. Полные подробные видеоролики LSI и светлого поля каждого эксперимента доступны в Дополнительном фильме 3, Дополнительном фильме 4, Дополнительном фильме 5, Дополнительном фильме 6, Дополнительном фильме 7 и Дополнительном фильме 8. Объект,напечатанный для этого рисунка, можно найти в файле дополнительного кодирования 5, а соответствующие файлы G-кода - в файле дополнительного кодирования 6. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Профили зоны сварки для охлаждения 40%-100% были практически идентичны. Зона сварки для 20% охлаждения имела плечо, уходящее в несколько более глубоких слоев. Зона сварки для охлаждения 0% распространяется на всю измеряемую площадь. Высота, на которой полимеры были наиболее подвижны, лежала в самом последнем напечатанном слое или немного ниже. Это явление объясняет наличие сигнала LSI на положительных относительных высотах, так как над пиком подвижности находится печатный материал. Во всех случаях зона сварки достигала намного глубже, чем толщина слоя 0,2 мм.
Дополнительный файл 1: Настройка LSI.xls. Аппаратные параметры используемого здесь БИС-прибора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: LSI-анализ.docx. Объяснение преобразования необработанных спекл-изображений в LSI-изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный ролик 1: БИС и светлое поле эксперимента, описанного на рисунке 2. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный ролик 2: БИС и яркое поле эксперимента, описанного на рисунке 3. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный ролик 3: Эксперимент со 100% скоростью вращения вентилятора охлаждения, описанный на рисунке 4. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный ролик 4: Эксперимент с частотой вращения охлаждающего вентилятора 80%, описанный на рисунке 4. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный ролик 5: Эксперимент с частотой вращения охлаждающего вентилятора 60%, описанный на рисунке 4. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный ролик 6: Эксперимент с 40% скоростью охлаждающего вентилятора, описанный на рисунке 4. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный ролик 7: Эксперимент с 20% скоростью охлаждающего вентилятора, описанный на рисунке 4. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный ролик 8: Эксперимент с 0% скоростью охлаждающего вентилятора, описанный на рисунке 4. Фильм воспроизводится с 12,5-кратной скоростью в реальном времени. Верхняя часть — это результат LSI, а нижняя часть — синхронизированное представление светлого поля с указанием окупаемости инвестиций LSI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот фильм.
Дополнительный файл кодирования 1: wall_with_holes.stl. 3D-проект объекта, описанный на рисунке 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл кодирования 2: wall_with_holes.gcode. Фрагментированный объект wall_with_holes.stl с параметрами из таблицы 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл кодирования 3: config.ini. Конфигурационный файл для программного обеспечения для нарезки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл кодирования 4: AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. Сценарий для выполнения расширенного анализа данных о развертке вентилятора охлаждения и построения графика Рисунок 4. Сценарий полностью прокомментирован. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл кодирования 5: wall.stl. 3D-дизайн объекта, используемого для сбора данных, показан на рисунке 4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл кодирования 6: wall_100%fan.gcode. Нарезанный объект wall.stl со 100% скоростью вращения вентилятора охлаждения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Файл дополнительного кодирования 7: wall_80%fan.gcode. Нарезанный объект wall.stl с скоростью вращения вентилятора охлаждения 80%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл кодирования 8: wall_60%fan.gcode. Нарезанный объект wall.stl с частотой вращения охлаждающего вентилятора 60%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Файл дополнительного кодирования 9: wall_40%fan.gcode. Нарезанный объект wall.stl с скоростью вращения вентилятора охлаждения 40%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Файл дополнительного кодирования 10: wall_20%fan.gcode. Нарезанный объект wall.stl с частотой вращения вентилятора охлаждения 20%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл кодирования 11: wall_0%fan.gcode. Нарезанный объект wall.stl с 0% скоростью вращения охлаждающего вентилятора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Discussion
Эксперименты и результаты, описанные в этом исследовании, показывают, что LSI является легко применяемым инструментом, который позволяет глубже понять склеивание слоев во время аддитивного производства. LSI позволяет напрямую измерять движение полимера, которое должно быть точно настроено для формирования когерентного материала путем взаимопроникновения и последующего запутывания полимерных цепей. Наиболее распространенной альтернативой для измерения склеивания слоев in situ является инфракрасная визуализация 3,4,5. Этот хорошо зарекомендовавший себя метод отображает локальную температуру поверхности пластика8,9, которая является косвенным измерением движения полимера внутри материала. С более горячим пластиком движение происходит быстрее, а сцепление становится сильнее. Однако связь между температурой и движением не является линейной, так как температуры печати пересекают температуры плавления и стеклования 6,7. Это нетривиальное соотношение можно непосредственно наблюдать на изображениях LSI; В частности, наблюдается резкий переход между жидкостной верхней и твердоподобной нижней областями, в то время как температурный градиент, как ожидается, будет гораздо более постепенным. Еще одним недостатком ИК-визуализации является то, что она измеряет только температуру поверхности, в то время как LSI измеряет движение полимера, как правило, на несколько миллиметров вглубь материала.
Как и в случае с ИК-визуализацией, эта реализация LSI по сути является методом «наведи и снимай»; Его можно использовать на месте , если камеру можно навести на интересующую область. Универсальный штатив и большое рабочее расстояние 0,7 м дают свободу использования любого доступного 3D-принтера. Важно отметить, что БИС чувствителен к наноскопическим движениям, и, таким образом, вибрации окружающей среды и самого процесса печати должны быть сведены к минимуму17. Например, выполнение другой задачи на том же столе или хлопанье дверью вызовет помехи. Поэтому следует осторожно пройтись по установке; Однако комнатное освещение или воздушный поток обычно не мешают процессу.
LSI дает подробное представление о процессе склеивания слоев и может применяться так же легко, как и ИК-визуализация. Мы предполагаем, что LSI обладает большим потенциалом в разработке и понимании передовых методов 3D-печати. Развертка скорости вращения вентилятора охлаждения дает представление о том, чего можно достичь, объединив БИС с 3D-печатью. Как обсуждалось во введении, оптимальная скорость охлаждения - это баланс между сохранением пластика в расплавленном состоянии достаточно долго, чтобы улучшить склеивание слоев, и его охлаждением достаточно быстро, чтобы предотвратить поток. Результаты скорости вращения охлаждающего вентилятора 40%-100% были очень похожи; Действительно, эти скорости вращения вентиляторов не показывали никакого потока и обеспечивали хорошее качество поверхности. При 0% скорости охлаждающего вентилятора материал начал вытекать из места печати, но при измерении LSI наблюдалось достаточное склеивание слоев. Основываясь на наших результатах, скорость вращения охлаждающего вентилятора 20% может быть оптимальной для достижения немного улучшенного склеивания слоев без ущерба для качества поверхности. Однако, чтобы сделать выводы, которые могут быть применены на практике, необходимо оценить большую скорость вращения охлаждающего вентилятора от 0% до 40%. Желательно также установить количественные показатели качества поверхности и прочности материала, чтобы получить объективное и полное представление о влиянии движения полимера на желаемые свойства. Благодаря этому дополнению подход можно сделать более мощным для оценки творческих достижений в области 3D-печати.
Точные настройки, выбранные для анализа БИС, не подвержены критическим ошибкам, если можно четко различать жидкоподобные пластиковые и твердые пластические фазы. Движение полимера резко изменяется при пересечении температур плавления и стеклования, поэтому широкий диапазон настроек LSI хорошо улавливает контраст. Это можно легко проверить с помощью тестовой печати простого объекта (например, прямой стены) с настройками 3D-принтера, рекомендованными поставщиком материалов. Для более продвинутых пользователей БИС углубление в частотный диапазон может дать дополнительную информацию, поскольку различные типы движения полимера могут быть количественно различимы. Например, высокочастотное движение полимера связано с самыми высокими температурами, которые присутствуют только вблизи головки принтера. Низкочастотное движение полимера связано с умеренными температурами, которые присутствуют на гораздо большей площади вокруг головки принтера, а также в течение гораздо более длительного времени17. Необходимо выяснить, может ли степень сцепления при кумулятивном низкочастотном движении полимера быть равна степени сцепления при коротком высокочастотном движении (например, при динамическом механическом анализе). Большинство других настроек, таких как масштабирование цветовой карты, рентабельность инвестиций, интервал сохранения и продолжительность эксперимента, выбираются исключительно для получения визуально четкого и привлекательного результата. Что касается настроек 3D-печати, то здесь также есть большая свобода, так как LSI позволяет пользователю объективно оценить результаты изменения любой из настроек. Примечательно, что резкое изменение скорости печати меняет интерпретацию данных LSI. В этой работе медленная печать и скорость перемещения 10 мм/с использовались для захвата нескольких изображений LSI за один проход головки принтера. Если бы использовалась более распространенная скорость печати 60 мм/с для PLA, то на каждое LSI-изображение был бы напечатан примерно один полный слой, и, таким образом, произошло бы усреднение в пределах одного слоя. Если экспериментировать с высокими скоростями, такими как 300 мм/с и выше, произойдет усреднение по нескольким слоям. Тем не менее, это полностью зависит от точной геометрии печати и настроек БИС и может быть легко смягчено опытным пользователем БИС с помощью усовершенствованной конструкции машины, регулировки размера поля зрения или использования более быстрой камеры. Оба подхода требуют более мощного лазера, который в сочетании с отражающей головкой принтера требует дополнительных мер предосторожности при лазерной безопасности. Относительно медленная скорость печати также оказывает положительное влияние на склеивание слоев, так как ранее было доказано, что теплопередача пластику увеличивается с более медленными скоростями печати5.
Одним из возможных новых направлений этого подхода является тестирование новых материалов; Например, LSI можно использовать для визуализации соответствующих переходов и объективной количественной оценки рекомендуемых настроек принтера, которые дают пятислойную зону сварки при нанесении верхнего слоя. Другое применение может заключаться в изучении зоны сварки в определенных ситуациях, когда качество печати ненадежно хорошее, например, для мостов, выступов или острых углов. Если зона сварки в сложных ситуациях может быть лучше понята, должна быть возможность компенсации в G-коде. Уже общепринятой практикой является печать первого слоя горячее и медленнее, чем остальные слои, для достижения хорошей адгезии к рабочей пластине18. Мы предполагаем использование аналогичной динамической нарезки G-кода, где, например, охлаждение вентилятора может быть отрегулировано для создания углов или мостов. Также должна быть возможность печатать наружный материал стен с более гладкой поверхностью, а остальной материал и заполнение - более грубые, но прочные, чтобы максимизировать как прочность материала, так и внешний вид.
В этой статье обсуждалось применение БИС для изучения процесса склеивания слоев после экструзии пластмасс. Этот метод отлично подходит для этой задачи, так как он может визуализировать основное движение полимера без априорных предположений в режиме реального времени во время 3D-печати. Однако он не дает никакой информации о сцеплении материала, поэтому потребуется дополнительное тестирование. Другие обсуждаемые недостатки носят ситуационный характер; ограниченная скорость визуализации четырех изображений LSI в секунду может быть увеличена с помощью большего лазера и дополнительных мер безопасности лазера, а чувствительность к вибрации требует мер предосторожности или аппаратного обеспечения для подавления вибрации. БИС может быть выполнена с помощью дешевых и небольших цифровых камер илазеров 19,20, что позволяет интегрироваться практически в каждый 3D-принтер для контроля качества в реальном времени и динамической настройки параметров печати. Тем не менее, имеет смысл использовать LSI для получения глубоких знаний о склеивании слоев во время 3D-печати. Если это понимание будет использовано для разработки более совершенного программного обеспечения для нарезки, каждый потребительский 3D-принтер может извлечь выгоду из полученных знаний.
Disclosures
Джесси Буйс (Jesse Buijs) находится в процессе создания стартап-компании, которая продает прибор и программное обеспечение LSI, используемые в этой статье. Остальные авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Acknowledgments
Авторы не получили внешнего финансирования.
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).
