3D 프린팅 레이어의 결합에 대한 실시간 이미징
Summary
비침습적 실시간 기술을 통해 폴리머 필라멘트 내부의 나노스코픽 폴리머 모션이 3D 프린팅 중에 이미지화됩니다. 이 모션을 미세 조정하는 것은 최적의 성능과 외관을 가진 구조물을 생산하는 데 매우 중요합니다. 이 방법은 플라스틱 레이어 융합의 핵심에 도달하여 최적의 인쇄 조건 및 재료 설계 기준에 대한 통찰력을 제공합니다.
Abstract
최근 3D 프린팅 기술은 제품을 설계하고 생산하는 능력에 혁명을 일으켰지만 프린팅 품질을 최적화하는 것은 어려울 수 있습니다. 압출 3D 프린팅 공정에는 얇은 노즐을 통해 용융된 재료를 가압하고 이전에 압출된 재료에 증착하는 작업이 포함됩니다. 이 방법은 강력하고 시각적으로 매력적인 최종 제품을 만들기 위해 연속적인 레이어 간의 결합에 의존합니다. 최적의 결과를 얻으려면 노즐 온도, 레이어 두께 및 인쇄 속도와 같은 많은 매개변수를 미세 조정해야 하기 때문에 이는 쉬운 작업이 아닙니다. 이 연구에서는 압출 중 폴리머 역학을 시각화하는 방법을 제시하여 층 결합 공정에 대한 통찰력을 제공합니다. 레이저 스페클 이미징을 사용하면 플라스틱 흐름과 융합을 비침습적으로, 내부적으로, 높은 시공간 해상도로 분해할 수 있습니다. 수행하기 쉬운 이 측정은 최종 인쇄 품질에 영향을 미치는 기본 메커니즘에 대한 심층적인 이해를 제공합니다. 이 방법론은 다양한 냉각 팬 속도로 테스트되었으며, 그 결과 팬 속도가 낮을수록 폴리머 동작이 증가하여 냉각 팬이 꺼졌을 때 인쇄 품질이 좋지 않은 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 이 방법론을 통해 인쇄 설정을 최적화하고 재료 거동을 이해할 수 있음을 보여줍니다. 이 정보는 새로운 인쇄 재료 또는 고급 슬라이싱 절차의 개발 및 테스트에 사용할 수 있습니다. 이 접근 방식을 통해 압출에 대한 더 깊은 이해를 구축하여 3D 프린팅을 다음 단계로 끌어올릴 수 있습니다.
Introduction
3D 프린팅 방법은 물체를 층별로 제조하여 원하는 모양을 형성하는 적층 제조 기술입니다. 이 방법은 다양성, 경제성 및 사용 용이성 덕분에 크고 다양한 사용자 기반을 가지고 있습니다. 용융 증착 모델링은 용융된 플라스틱을 원하는 형상1로 증착하기 위해 움직이는 압출기(수백 미크론에서 수 밀리미터의 직경을 가짐)를 특징으로 한다. 압출 플라스틱은 이전에 인쇄된 플라스틱과 잘 융착되어 강한 응집력을 형성하기 위해 일정 기간 동안 액체와 같은 방식으로 거동해야 합니다. 그러나 플라스틱은 인쇄 위치에서 플라스틱이 흘러 나와 인쇄 품질을 저하시키는 것을 방지하기 위해 인쇄 후 빠르게 냉각되고 응고되어야 합니다. 가열과 냉각 사이의 이러한 섬세한 상호 작용은 최종 3D 프린팅 물체의 기계적 강도와 기하학적 정확도 사이의 균형을 직접적으로 뒷받침하는 것으로 나타났습니다2. 최적의 가열-냉각 균형을 달성하기 위해 플라스틱은 용융 온도보다 약간 높은 온도에서 압출되고 프린터에 부착된 팬 헤드를 사용하여 플라스틱을 빠르게 냉각시킵니다. 인쇄 온도 및 냉각 속도의 영향에 대한 심층적인 이해는 가장 중요한 영역에서 기계적 또는 기하학적 결과를 최대화하는 고급 슬라이싱 및 인쇄 프로토콜을 개발하는 데 필요한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 이러한 공정에 대한 더 많은 통찰력을 얻으려는 노력은 종종 표면 온도 3,4,5 만 시각화하고 플라스틱의 내부 온도를 나타내지 않는 적외선 (IR) 이미징에 의존합니다. 용융 전이를 넘어서는 국소 가열은 폴리머 이동성을 크게 증가시켜 기존 재료와 새 재료 사이의 폴리머 얽힘을 허용합니다. 이러한 시간적으로 강화된 폴리머 운동은 최종 응집성 물질(6,7)의 형성을 위한 요구이지만, IR 이미징은 표면 온도(8,9)를 통해 간접적으로만 폴리머 운동을 측정할 수 있다. 따라서 표면 온도를 층 결합으로 변환하려면 다양한 시간 및 길이 척도에 걸쳐 코어-표면 온도 구배 및 관련 복잡한 폴리머 역학에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 층 결합(즉, 폴리머 얽힘 과정)의 직접적인 측정은 선험적 정보나 가정 없이 벌크 재료 응집의 기본 메커니즘을 시각화할 수 있습니다.
층 결합의 공간적, 시간적 분포를 이해하기 위해 플라스틱 필라멘트를 구성하는 폴리머의 역학을 직접 정량화하는 이미징 기술이 이 작업에 사용됩니다. 이 기술인 레이저 스페클 이미징(LSI)은 간섭계 광 산란에 의존하여 화학적 조성과 무관하게 나노 움직임을 시각화합니다. 샘플의 광학적 특성에 따라, 표면 온도(8,9)만을 보고하는 IR 이미징과 달리, 불투명한 물질(10,11,12)로 수 밀리미터 내지 센티미터를 정확하게 측정할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 스페클 기반 방법은 원래 의료 응용 분야10,11,12를 위해 개발되었지만 과다한 재료의 동적 프로세스를 이해하는 데 널리 사용되었습니다. 최근, LSI는 자가 세정 액정 폴리머 네트워크(13,14)와 같은 첨단 고분자 재료의 거동에 대한 통찰력을 얻고, 고무(15)의 파괴를 예측하고, 자가 치유 재료(16)를 연구하는 데 사용되었다.
LSI를 3D 프린팅에 적용할 수 있는 가능성은 실시간 분석 기능을 갖춘 휴대용 LSI 셋업을 제시한 이전 논문17에서 제시되었으며, 용융 플라스틱의 증착으로 인해 현재 층 아래의 여러 층에서 폴리머 운동이 증가하는 것으로 나타났습니다. 여기에 제시된 논문에서는 냉각 팬 속도가 다층 접합 정도에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구가 수행됩니다. 광학 또는 프로그래밍 전문 지식 없이도 사용자가 조작할 수 있는 개선된 플러그 앤 플레이 버전의 휴대용 기기가 사용됩니다. 스페클 이미지는 스페클 강도 변동의 진폭을 시각화하는 푸리에 변환(17)을 사용하여 실시간으로 분석됩니다. 이 계측기에는 스페클 카메라와 정렬된 추가 명시야 카메라가 있어 명시야 조명이 모션 맵에 영향을 미치지 않고 더 쉽게 해석할 수 있도록 LSI 모션 맵을 명시야 이미지와 오버레이할 수 있습니다. 이 기사에 제시된 실험적 접근 방식은 까다로운 형상 및 재료의 3D 프린팅 중에 압출 플라스틱의 용융, 층 결합 및 응고에 대한 더 많은 통찰력을 얻는 데 사용할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구에서 설명한 실험과 결과는 LSI가 적층 제조 중 레이어 결합에 대한 더 깊은 이해를 가능하게 하는 쉽게 적용할 수 있는 도구임을 보여줍니다. LSI를 사용하면 폴리머 모션을 직접 측정할 수 있으며, 폴리머 사슬의 상호 침투 및 후속 얽힘에 의해 일관된 재료를 형성하기 위해 미세 조정되어야 합니다. 현장 층 결합을 측정하기 위한 가장 일반적인 대안은 적외선 이미징 3,4,5입니다. 이 잘 정립된 방법은 재료 내부의 폴리머 운동을 간접적으로 측정하는 플라스틱(8,9)의 국부 표면 온도를 이미지화합니다. 플라스틱이 뜨거울수록 움직임이 빨라지고 접착력이 강해집니다. 그러나 인쇄 온도가 용융 및 유리 전이 온도 6,7을 교차하기 때문에 온도와 운동 사이의 관계는 선형이 아닙니다. 이 사소하지 않은 관계는 LSI 이미지에서 직접 관찰할 수 있습니다. 특히, 액체와 같은 상단과 고체와 같은 하단 영역 사이에 급격한 전환이 있는 반면 온도 구배는 훨씬 더 점진적일 것으로 예상됩니다. IR 이미징의 또 다른 단점은 표면 온도만 측정하는 반면 LSI는 일반적으로 재료 내부의 수 밀리미터 깊이의 폴리머 움직임을 측정한다는 것입니다.
IR 이미징과 마찬가지로 이러한 LSI 구현은 본질적으로 포인트 앤 슛(point-and-shoot) 방식입니다. 카메라가 관심 영역을 가리킬 수 있는 경우 현장에서 사용할 수 있습니다. 다용도 삼각대와 0.7m의 긴 작동 거리로 사용 가능한 모든 3D 프린터를 자유롭게 사용할 수 있습니다. 결정적으로, LSI는 나노 움직임에 민감하기 때문에 주변 진동과 인쇄 공정 자체를 최소화해야 합니다17. 예를 들어, 같은 테이블에서 다른 작업을 수행하거나 문을 쾅 닫으면 간섭이 발생합니다. 따라서 설정을 주의 깊게 살펴보아야 합니다. 그러나 실내 조명이나 공기 흐름은 일반적으로 프로세스를 방해하지 않습니다.
LSI는 레이어 본딩 공정에 대한 자세한 통찰력을 제공하며 IR 이미징처럼 쉽게 적용할 수 있습니다. 우리는 LSI가 첨단 3D 프린팅 방법의 개발과 이해를 도울 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다. 냉각 팬 스피드 스윕은 LSI와 3D 프린팅을 결합하여 가능한 것을 엿볼 수 있습니다. 서론에서 논의한 바와 같이, 최적의 냉각 속도는 층 결합을 개선할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 플라스틱을 용융된 상태로 유지하는 것과 흐름을 방지할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 냉각하는 것 사이의 균형입니다. 40%-100% 냉각 팬 속도 결과는 매우 유사했습니다. 실제로 이러한 팬 속도는 흐름을 나타내지 않았으며 좋은 표면 품질을 생성했습니다. 냉각 팬 속도가 0%일 때 재료가 인쇄 위치에서 멀어지기 시작했지만 LSI 측정에서 충분한 층 결합이 관찰되었습니다. 우리의 결과에 따르면, 20% 냉각 팬 속도는 표면 품질을 손상시키지 않으면서 약간 개선된 레이어 본딩을 달성하는 데 최적일 수 있습니다. 그러나 실제로 적용할 수 있는 결론을 도출하려면 0%에서 40% 사이의 더 많은 냉각 팬 속도를 평가해야 합니다. 또한 원하는 특성에 대한 폴리머 운동의 영향에 대한 객관적이고 완전한 관점을 얻기 위해 표면 품질 및 재료 강도에 대한 정량적 측정을 설정하는 것이 바람직합니다. 이 추가를 통해 창의적인 3D 프린팅 발전을 평가하는 데 더 강력한 접근 방식을 만들 수 있습니다.
LSI 분석을 위해 선택된 정확한 설정은 액체와 같은 플라스틱상과 고체와 같은 플라스틱상을 명확하게 구별할 수 있는 한 심각한 오류가 발생하기 쉽지 않습니다. 용융 온도와 유리 전이 온도를 교차할 때 폴리머 동작이 크게 변하기 때문에 광범위한 LSI 설정이 대비를 잘 포착합니다. 이것은 재료 공급업체에서 권장하는 3D 프린터 설정을 사용하여 간단한 물체(예: 직선 벽)의 테스트 인쇄로 쉽게 테스트할 수 있습니다. 고급 LSI 사용자의 경우 주파수 범위를 더 깊이 파고들면 다양한 유형의 폴리머 모션을 정량적으로 구별할 수 있으므로 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 고주파 폴리머 운동은 프린터 헤드 근처에만 존재하는 최고 온도와 관련이 있습니다. 저주파 폴리머 운동은 적당한 온도와 관련이 있으며, 이는 프린터 헤드 주변의 훨씬 더 넓은 영역에 존재하며 또한 훨씬 더 오랜 시간 동안 존재한다(17). 누적 저주파 폴리머 운동에 대한 결합 정도가 짧은 고주파 운동(예: 동적 기계적 분석)의 결합 정도와 같을 수 있는지 여부를 조사해야 합니다. 컬러맵 스케일링, ROI, 저장 간격 및 실험 길이와 같은 대부분의 다른 설정은 시각적으로 명확하고 매력적인 결과를 제공하기 위해 선택됩니다. 3D 프린팅 설정과 관련하여 LSI를 사용하면 사용자가 설정 변경 결과를 객관적으로 평가할 수 있으므로 많은 자유가 있습니다. 특히 인쇄 속도를 급격하게 변경하면 LSI 데이터의 해석이 변경됩니다. 이 작업에서는 프린터 헤드를 한 번 통과하는 동안 여러 LSI 이미지를 캡처하기 위해 10mm/s의 느린 인쇄 및 이동 속도가 사용되었습니다. PLA에 대해 60mm/s의 보다 일반적인 인쇄 속도를 사용하는 경우 LSI 이미지당 대략 하나의 전체 레이어가 인쇄되므로 한 레이어 내에서 평균이 발생합니다. 300mm/s 이상과 같은 고급 속도로 실험하는 경우 여러 레이어에 대한 평균이 발생합니다. 그럼에도 불구하고 이는 정확한 인쇄 형상 및 LSI 설정에 전적으로 의존하며 숙련된 LSI 사용자가 고급 기계 설계, 시야 크기 조정 또는 더 빠른 카메라 사용을 통해 쉽게 완화할 수 있습니다. 두 가지 접근 방식 모두 더 강력한 레이저를 필요로 하며, 반사 프린터 헤드와 함께 추가 레이저 안전 예방 조치가 필요합니다. 상대적으로 느린 인쇄 속도는 또한 플라스틱 열전달이 느린 인쇄 속도5에 따라 증가한다는 것이 이전에 입증 되었기 때문에 레이어 결합에 긍정적 인 영향을 미친다.
이 접근법에 대한 한 가지 가능한 새로운 방향은 새로운 재료의 테스트입니다. 예를 들어, LSI를 사용하여 관련 전환을 시각화하고 최상위 레이어 적용 시 5레이어 용접 영역을 제공하는 권장 프린터 설정을 객관적으로 정량화할 수 있습니다. 또 다른 응용 분야는 브리지, 돌출부 또는 날카로운 모서리와 같이 인쇄 품질이 안정적으로 좋지 않은 특정 상황에서 용접 영역을 연구하는 것입니다. 어려운 상황의 용접 영역을 더 잘 이해할 수 있다면 G 코드로 보정 할 수 있어야합니다. 빌드 플레이트(18)에 대한 양호한 접착력을 얻기 위해 제1 층을 나머지 층보다 더 뜨겁고 느리게 인쇄하는 것이 이미 일반적인 관행이다. 예를 들어 팬 냉각을 조정하여 모서리 또는 브리지를 생성할 수 있는 유사한 동적 G 코드 슬라이싱의 사용을 구상합니다. 또한 외벽 재료를 더 매끄럽게 마무리하고 나머지 재료를 더 거칠지만 더 강하게 채워 재료 강도와 시각적 외관을 모두 최대화할 수 있어야 합니다.
이 기사에서는 플라스틱 압출 후 층 접합 공정을 연구하기 위한 LSI의 적용에 대해 논의했습니다. 이 기술은 3D 프린팅 중에 실시간으로 선험적 가정 없이 기본 폴리머 동작을 시각화할 수 있기 때문에 이 작업에 탁월합니다. 그러나 재료 응집력에 대한 정보는 제공하지 않으므로 추가 테스트가 필요합니다. 논의된 다른 단점은 상황에 따라 다릅니다. 초당 4개의 LSI 이미지의 제한된 이미징 속도는 더 큰 레이저와 추가 레이저 안전 조치로 증가할 수 있으며 진동 감도는 예방 조치 또는 손떨림 보정 하드웨어가 필요합니다. LSI는 저렴하고 작은 디지털 카메라와 레이저19,20으로 수행 할 수 있으며, 이는 거의 모든 3D 프린터에 통합하여 실시간 품질 관리 및 인쇄 매개 변수의 동적 조정을 가능하게합니다. 그러나 LSI를 사용하여 3D 프린팅 중 레이어 본딩에 대한 철저한 지식을 개발하는 것이 더 합리적입니다. 이러한 이해가 고급 슬라이싱 소프트웨어를 개발하는 데 사용된다면 모든 소비자 3D 프린터는 얻은 지식의 이점을 누릴 수 있습니다.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 외부 자금을받지 못했습니다.
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 |
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