הדמיה בזמן אמת של הדבקה בשכבות המודפסות בתלת-ממד
Summary
בטכניקה לא פולשנית ובזמן אמת, תנועת פולימר ננוסקופית בתוך חוט להט פולימרי מצולמת במהלך הדפסה תלת-ממדית. כוונון עדין של תנועה זו חיוני ליצירת מבנים בעלי ביצועים ומראה מיטביים. שיטה זו מגיעה לליבת היתוך שכבות הפלסטיק, ובכך מציעה תובנות לגבי תנאי הדפסה אופטימליים וקריטריונים לתכנון חומרים.
Abstract
בתקופה האחרונה, טכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד חוללה מהפכה ביכולת שלנו לעצב ולייצר מוצרים, אך אופטימיזציה של איכות ההדפסה יכולה להיות מאתגרת. תהליך הדפסת האקסטרוזיה בתלת-ממד כרוך בלחיצה על חומר מותך דרך זרבובית דקה והפקדתו על חומר שהושחל בעבר. שיטה זו מסתמכת על חיבור בין השכבות העוקבות ליצירת מוצר סופי חזק ומושך ויזואלית. זו אינה משימה קלה, מכיוון שיש לכוונן פרמטרים רבים, כגון טמפרטורת הזרבובית, עובי השכבה ומהירות ההדפסה כדי להשיג תוצאות אופטימליות. במחקר זה מוצגת שיטה להדמיית דינמיקת הפולימר במהלך אקסטרוזיה, הנותנת תובנה לגבי תהליך מליטת השכבות. באמצעות הדמיית כתמי לייזר, ניתן לפתור את זרימת הפלסטיק והאיחוי באופן לא פולשני, פנימי וברזולוציה מרחבית-זמנית גבוהה. מדידה זו, שהיא קלה לביצוע, מספקת הבנה מעמיקה של המכניקה הבסיסית המשפיעה על איכות ההדפסה הסופית. מתודולוגיה זו נבדקה עם טווח מהירויות מאוורר קירור, והתוצאות הראו תנועה פולימרית מוגברת עם מהירויות מאוורר נמוכות יותר, ובכך הסבירו את איכות ההדפסה הירודה כאשר מאוורר הקירור כבוי. ממצאים אלה מראים כי מתודולוגיה זו מאפשרת אופטימיזציה של הגדרות ההדפסה והבנת התנהגות החומר. מידע זה יכול לשמש לפיתוח ובדיקה של חומרי הדפסה חדשניים או הליכי חיתוך מתקדמים. עם גישה זו, ניתן לבנות הבנה עמוקה יותר של אקסטרוזיה כדי לקחת את ההדפסה בתלת-ממד לשלב הבא.
Introduction
השיטה של הדפסה תלת מימדית היא טכניקת ייצור תוספתית שבה אובייקט מיוצר שכבה אחר שכבה כדי ליצור את הצורה הרצויה. לשיטה זו יש בסיס משתמשים גדול ומגוון הודות לרבגוניות, במחיר סביר ובקלות השימוש שלה. מידול תצהיר התכה כולל מכבש נע (בקוטר של מאות מיקרונים עד כמה מילימטרים) כדי לשקוע פלסטיק מותך לצורה הרצויה1. הפלסטיק המופשט צריך להתנהג בצורה דמוית נוזל למשך זמן מסוים כדי להשיג היתוך טוב עם הפלסטיק שהודפס בעבר וליצור חומר מלוכד מאוד. עם זאת, הפלסטיק אמור להתקרר ולהתמצק במהירות לאחר ההדפסה כדי למנוע מהפלסטיק לזרום הרחק ממקום ההדפסה ולהפחית את איכות ההדפסה. יחסי גומלין עדינים אלה בין חימום וקירור הוכחו כמבססים ישירות את האיזון בין החוזק המכני לבין הדיוק הגיאומטרי של האובייקט הסופי המודפס בתלת-ממד2. כדי להשיג את האיזון האופטימלי בין חימום לקירור, הפלסטיק מושחל בטמפרטורה קצת מעל טמפרטורת ההתכה שלו, וראש מאוורר, המחובר למדפסת, משמש לקירור הפלסטיק במהירות. הבנה מעמיקה של השפעות טמפרטורות ההדפסה ומהירויות הקירור יכולה לספק את התובנות הנדרשות לפיתוח פרוטוקולי חיתוך והדפסה מתקדמים הממקסמים את התוצאות המכניות או הגיאומטריות בתחומים החשובים ביותר. מאמצים להשיג תובנה נוספת לגבי תהליכים אלה מסתמכים לעתים קרובות על דימות אינפרא אדום (IR), אשר רק ממחיש את טמפרטורת פני השטח 3,4,5 ואינו מציין את הטמפרטורה הפנימית של הפלסטיק. חימום מקומי מעבר למעבר ההתכה מגדיל באופן דרסטי את ניידות הפולימר ובכך מאפשר שזירה פולימרית בין החומר הישן לחדש. תנועת פולימר משופרת זמנית זו היא דרישה ליצירת החומר המלוכד הסופי 6,7, אך הדמיית IR יכולה למדוד את תנועת הפולימר רק בעקיפין דרך טמפרטורת פני השטח 8,9. תרגום טמפרטורת פני השטח לחיבור שכבות מחייב ידע מדויק של שיפוע טמפרטורת הליבה-פני השטח והדינמיקה הפולימרית המורכבת הנלווית על פני טווח של סקאלות זמן ואורך. מדידה ישירה של קשר השכבות (כלומר, תהליך השזירה הפולימרית) תאפשר הדמיה של המנגנון העומד בבסיס לכידות החומר בתפזורת ללא מידע או הנחות מראש.
כדי להבין את ההתפלגות המרחבית והזמנית של קשירת שכבות, נעשה שימוש בטכניקת הדמיה המכמתת ישירות את הדינמיקה של הפולימרים המרכיבים את חוט הלהט הפלסטי. טכניקה זו, דימות כתמי לייזר (LSI), מסתמכת על פיזור אור אינטרפרומטרי כדי להמחיש תנועות ננוסקופיות, ללא תלות בהרכב הכימי. בהתאם לתכונות האופטיות של הדגימה, הוא יכול למדוד במדויק כמה מילימטרים עד סנטימטרים לחומרים לא שקופים10,11,12, בניגוד להדמיית IR, המדווחת רק על טמפרטורות פני השטח 8,9. תכונות אלה הפכו לאחרונה שיטות מבוססות כתמים לפופולריות בהבנת תהליכים דינמיים בשפע של חומרים, למרות שהן פותחו במקור עבור יישומים רפואיים10,11,12. לאחרונה, LSI שימש כדי לקבל תובנה לגבי ההתנהגות של חומרים פולימריים מתקדמים כגון רשתות פולימר גבישי נוזלילניקוי עצמי 13,14, כמו גם לחיזוי שבר בגומי15 ולחקר חומרים המרפאים את עצמם 16.
ההיתכנות של יישום LSI להדפסה תלת ממדית הוצגה במאמר17 קודם, שם הוצג מערך LSI נייד עם יכולות ניתוח בזמן אמת, והוכח כי שקיעת פלסטיק מותך גורמת לתנועה מוגברת של פולימר שכבות מרובות מתחת לשכבה הנוכחית. במאמר המוצג כאן מתבצע מחקר שיטתי על השפעות מהירות מאוורר הקירור על מידת ההדבקה הרב-שכבתית. נעשה שימוש בגרסת plug-and-play משופרת של המכשיר הנייד שיכולה להיות מופעלת על ידי משתמשים ללא אופטיקה או מומחיות בתכנות. תמונות הכתמים מנותחות בזמן אמת באמצעות התמרות פורייה17, הממחישות את המשרעת של תנודות עוצמת הכתמים. למכשיר זה יש מצלמת שדה בהיר נוספת המיושרת עם מצלמת הכתמים כך שניתן לכסות את מפות התנועה של LSI עם תמונות שדה הבהיר לפרשנות קלה יותר מבלי שאור השדה הבהיר ישפיע על מפות התנועה. ניתן להשתמש בגישה הניסיונית המוצגת במאמר זה כדי לקבל תובנה נוספת לגבי התכה, חיבור שכבות והתמצקות של פלסטיק מושחל במהלך הדפסה תלת ממדית של גיאומטריות וחומרים מאתגרים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הניסויים והתוצאות המתוארים במחקר זה מראים כי LSI הוא כלי קל ליישום המאפשר הבנה עמוקה יותר של מליטת שכבות במהלך ייצור תוספים. LSI מאפשר מדידה ישירה של תנועת הפולימר, אשר חייב להיות מכוונן היטב כדי ליצור חומר קוהרנטי על ידי חדירה הדדית ושזירה לאחר מכן של שרשראות פולימר. החלופה הנפוצה ביותר למדידת מליטת שכבות באתרן היא הדמיית אינפרא אדום 3,4,5. שיטה מבוססת זו מדמה את טמפרטורת פני השטח המקומית של הפלסטיק8,9, שהיא מדידה עקיפה של תנועת הפולימר בתוך החומר. עם פלסטיק חם יותר, התנועה מהירה יותר, ואת מליטה הופך חזק יותר. עם זאת, היחס בין טמפרטורה לתנועה אינו ליניארי, שכן טמפרטורות ההדפסה חוצות את טמפרטורות המעבר של ההיתוך והזכוכית 6,7. קשר לא טריוויאלי זה ניתן לראות ישירות בתמונות LSI; באופן ספציפי, יש מעבר חד בין החלק העליון דמוי הנוזל לבין האזור התחתון דמוי המוצק, בעוד ששיפוע הטמפרטורה צפוי להיות הדרגתי הרבה יותר. חסרון נוסף של דימות IR הוא שהוא מודד את טמפרטורת פני השטח בלבד, בעוד LSI מודד תנועת פולימר בדרך כלל כמה מילימטרים עמוק בתוך החומר.
בדיוק כמו עם הדמיית IR, יישום זה של LSI הוא למעשה שיטת point-and-shoot; ניתן להשתמש בו באתרו אם ניתן לכוון את המצלמה לאזור העניין. החצובה הרב-תכליתית ומרחק העבודה הארוך של 0.7 מ’ מעניקים את החופש להשתמש בכל מדפסת תלת-ממד זמינה. באופן מכריע, LSI רגיש לתנועות ננוסקופיות, ולכן יש למזער תנודות מהסביבה ומתהליך ההדפסה עצמו17 . לדוגמה, ביצוע משימה נוספת על אותו שולחן או טריקת דלת יגרמו להפרעה. לכן, יש להסתובב בזהירות סביב ההתקנה; עם זאת, אורות החדר או זרימת האוויר אינם מפריעים בדרך כלל לתהליך.
LSI מספק תובנה מפורטת לגבי תהליך מליטת השכבות וניתן ליישם אותו בקלות כמו הדמיית IR. אנו רואים לנגד עינינו כי ל-LSI פוטנציאל גדול לסייע בפיתוח והבנה של שיטות הדפסה תלת-ממדיות מתקדמות. מטאטא מהירות מאוורר הקירור מראה הצצה למה שאפשרי על-ידי שילוב LSI עם הדפסה בתלת-ממד. כפי שנדון במבוא, מהירות הקירור האופטימלית היא איזון בין שמירה על מותך הפלסטיק למשך זמן רב מספיק כדי לשפר את מליטת השכבות, אך קירורו מהר מספיק כדי למנוע זרימה. תוצאות מהירות מאוורר הקירור של 40%-100% היו דומות מאוד; ואכן, מהירויות מאווררים אלה לא הראו זרימה כלשהי והפיקו איכות משטח טובה. עם מהירות מאוורר קירור של 0%, החומר החל לזרום הרחק מהמיקום המודפס, אך נצפתה מליטה שכבתית בשפע במדידת LSI. בהתבסס על התוצאות שלנו, מהירות מאוורר קירור של 20% יכולה להיות אופטימלית להשגת הדבקת שכבות משופרת מעט מבלי להתפשר על איכות פני השטח. עם זאת, כדי להסיק מסקנות שניתן ליישם בפועל, יש להעריך מהירויות מאוורר קירור גבוהות יותר בין 0% ל-40%. כמו כן, רצוי לקבוע מדדים כמותיים לאיכות פני השטח ולחוזק החומר כדי לקבל תמונה אובייקטיבית ומלאה של השפעות תנועת הפולימר על התכונות הרצויות. עם תוספת זו, ניתן להפוך את הגישה לעוצמתית יותר להערכת התקדמות יצירתית בהדפסה בתלת-ממד.
ההגדרות המדויקות שנבחרו לניתוח LSI אינן מועדות לטעויות קריטיות כל עוד ניתן להבחין בבירור בין פאזות פלסטיק דמוי נוזל ופלסטיק דמוי מוצק. תנועת הפולימר משתנה באופן דרמטי בעת חציית טמפרטורות ההתכה ומעבר הזכוכית, כך שטווח רחב של הגדרות LSI לוכד היטב את הניגודיות. ניתן לבדוק זאת בקלות באמצעות הדפסת בדיקה של אובייקט פשוט (למשל, קיר ישר) עם הגדרות מדפסת התלת-ממד המומלצות על-ידי ספק החומרים. עבור משתמשי LSI מתקדמים יותר, התעמקות בתחום התדרים יכולה להניב מידע נוסף, מכיוון שניתן להבחין כמותית בין סוגים שונים של תנועת פולימר. לדוגמה, תנועת פולימר בתדר גבוה קשורה לטמפרטורות הגבוהות ביותר, שנמצאות רק קרוב לראש המדפסת. תנועת פולימר בתדר נמוך יותר קשורה לטמפרטורות מתונות, הנמצאות באזור גדול בהרבה סביב ראש המדפסת וגם לזמן ארוך הרבה יותר17. יש לבחון האם מידת הקשר לתנועה פולימרית מצטברת בתדר נמוך יכולה להיות שווה לזו של תנועה קצרה בתדר גבוה (למשל, עם אנליזה מכנית דינמית). רוב ההגדרות האחרות, כגון שינוי קנה המידה של מפת הצבע, החזר ההשקעה, מרווח החיסכון ואורך הניסוי, נבחרות אך ורק כדי לספק תוצאה ברורה ומושכת מבחינה חזותית. לגבי הגדרות הדפסה תלת מימדית, יש גם חופש רב, כמו LSI מאפשר למשתמש להעריך באופן אובייקטיבי את התוצאות של שינוי כל ההגדרות. יש לציין כי שינוי דרסטי במהירות ההדפסה משנה את הפרשנות של נתוני LSI. בעבודה זו, הדפסה איטית ומהירות נסיעה של 10 מ”מ לשנייה שימשו כדי ללכוד תמונות LSI מרובות במהלך מעבר אחד של ראש המדפסת. אם נעשה שימוש במהירות הדפסה נפוצה יותר של 60 מ”מ לשנייה עבור PLA, תודפס בערך שכבה מלאה אחת לכל תמונת LSI, וכך תתרחש עלייה ממוצעת בתוך שכבה אחת. אם נתנסה במהירויות מתקדמות כגון 300 מ”מ לשנייה ומעלה, יתרחש ממוצע על פני שכבות מרובות. עם זאת, הדבר תלוי לחלוטין בגיאומטריית ההדפסה המדויקת ובהגדרות LSI וניתן להקל עליו בקלות על ידי משתמש LSI מנוסה באמצעות תכנון מכונה מתקדם, התאמת גודל שדה הראייה, או שימוש במצלמה מהירה יותר. שתי הגישות מחייבות לייזר חזק יותר, אשר, בשילוב עם ראש המדפסת הרפלקטיבי, דורש אמצעי בטיחות לייזר נוספים. למהירות ההדפסה האיטית יחסית יש גם השפעה חיובית על חיבור השכבות, שכן הוכח בעבר כי מעבר החום לפלסטיק עולה ככל שמהירויות ההדפסה איטיות יותר5.
כיוון חדש אפשרי לגישה זו הוא בדיקה של חומרים חדשים; לדוגמה, ניתן להשתמש ב- LSI כדי להמחיש את המעברים הרלוונטיים ולכמת באופן אובייקטיבי את הגדרות המדפסת המומלצות המעניקות אזור ריתוך של חמש שכבות ביישום השכבה העליונה. יישום נוסף יכול להיות ללמוד את אזור הריתוך במצבים ספציפיים שבהם איכות ההדפסה אינה טובה באופן אמין, כגון עבור גשרים, שלוחות או פינות חדות. אם אזור ריתוך במצבים קשים ניתן להבין טוב יותר, זה צריך להיות אפשרי לפצות בקוד G. כבר כיום מקובל להדפיס את השכבה הראשונה חמה ואיטית יותר משאר השכבות כדי להשיג הדבקה טובה ללוח הבנייה18. אנו חוזים שימוש בחיתוך G-code דינמי דומה שבו, למשל, ניתן לכוונן את קירור המאוורר כדי לייצר פינות או גשרים. כמו כן, יש לאפשר להדפיס את חומר הקיר החיצוני בגימור חלק יותר ואת שאר החומר ולמלא בצורה מחוספסת יותר אך חזקה יותר כדי למקסם הן את חוזק החומר והן את המראה החזותי.
מאמר זה דן ביישום של LSI לחקר תהליך מליטת השכבות לאחר שחול פלסטי. הטכניקה מצוינת למשימה זו, מכיוון שהיא יכולה לדמיין את תנועת הפולימר הבסיסית ללא הנחות מראש בזמן אמת במהלך הדפסה תלת ממדית. עם זאת, הוא אינו נותן מידע על לכידות החומר, ולכן תידרש בדיקה נוספת. החסרונות האחרים שנדונו הם מצביים; ניתן להגדיל את מהירות ההדמיה המוגבלת של ארבע תמונות LSI לשנייה באמצעות לייזר גדול יותר ואמצעי בטיחות לייזר נוספים, והרגישות לרטט דורשת אמצעי זהירות או חומרה להפחתת רעידות. LSI יכול להתבצע עם מצלמות דיגיטליות זולות וקטנות ולייזרים19,20, המאפשר שילוב כמעט בכל מדפסת תלת מימד לבקרת איכות חיה וכוונון דינמי של פרמטרי ההדפסה. עם זאת, הגיוני יותר להשתמש ב- LSI כדי לפתח ידע מעמיק בהדבקת שכבות במהלך הדפסה תלת מימדית. אם הבנה זו תשמש לפיתוח תוכנת חיתוך מתקדמת יותר, כל מדפסת תלת-ממד צרכנית תוכל להפיק תועלת מהידע שנצבר.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים לא קיבלו מימון חיצוני.
Materials
| 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 |
Referencias
- Daminabo, S. C., Goel, S., Grammatikos, S. A., Nezhad, H. Y., Thakur, V. K. Fused deposition modeling-based additive manufacturing (3D printing): Techniques for polymer material systems. Materials Today Chemistry. 16, 100248 (2020).
- Lee, C. Y., Liu, C. Y. The influence of forced-air cooling on a 3D printed PLA part manufactured by fused filament fabrication. Additive Manufacturing. 25, 196-203 (2019).
- Seppala, J. E., Migler, K. D. Infrared thermography of welding zones produced by polymer extrusion additive manufacturing. Additive Manufacturing. 12, 71-76 (2016).
- Shmueli, Y., et al. Simultaneous in situ X-ray scattering and infrared imaging of polymer extrusion in additive manufacturing. ACS Applied Polymer Materials. 1 (6), 1559-1567 (2019).
- Dinwiddie, R. B., et al. Infrared imaging of the polymer 3D-printing process. Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVI. 9105, 910502 (2014).
- Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P. Fusion bonding/welding of thermoplastic composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 17 (4), 303-341 (2004).
- Peterson, A. M. Review of acrylonitrile butadiene styrene in fused filament fabrication: A plastics engineering-focused perspective. Additive Manufacturing. 27, 363-371 (2019).
- Menaka, M., Vasudevan, M., Venkatraman, B., Raj, B. Estimating bead width and depth of penetration during welding by infrared thermal imaging. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 47 (9), 564-568 (2005).
- Möllmann, K. P., Vollmer, M. Infrared thermal imaging as a tool in university physics education. European Journal of Physics. 28 (3), 37 (2007).
- Dela Torre, I. M., Montes, M. D. S. H., Flores-Moreno, J. M., Santoyo, F. M. Laser speckle based digital optical methods in structural mechanics: A review. Optics and Lasers in Engineering. 87, 32-58 (2016).
- Senarathna, J., Rege, A., Li, N., Thakor, N. V. Laser speckle contrast imaging: Theory, instrumentation and applications. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 99-110 (2013).
- Buijs, J. J. Simpler, faster, and softer: Towards broad application of laser speckle imaging in art conservation and soft matter. Wageningen University and Research. , (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).
