3Dプリント層における接合のリアルタイムイメージング

実験のターゲットとして、背面に隆起のある壁、2つの窓、大きな穴という単純な物体が描かれました(図1)。オブジェクトは、 表 1 にリストされているプリンター設定とプロパティでスライスされました。 LSI機器を3Dプリンターに合わせて実験を行いました。ユーザーフレンドリーなセットアップは、アライメント中に役立ち、プラスチック押出成形と測定されたポリマーの動きを簡単に比較できる追加の明視野カメラを備えています。スペックルカメラと明視野カメラの両方に、他のチャネルからの干渉を防ぐ光学フィルターが装備されています。セットアップに関する技術的な詳細については補足 ファイル1に、分析ルーチンの説明は 補足ファイル2に示されています。この実験の結果のハイライトを 図2に示し、完全なムービーは 補足ムービー1にあります。前に示したように、実験は、自作の機器17でも同様に行うことができる。 図2:冷却ファン速度100%での印刷のタイムラプス。 左:プリンタがほぼ完成したときのオブジェクトの明視野、正面図。印刷の品質は検査時に良好に見えます。サーフェスにはレイヤーラインが表示されますが、全体的に設計されたジオメトリが作成されています。右:印刷プロセス中の白い描写された領域からの4つのLSIスナップショット。青い矢印は、LSI画像が明視野画像と時間的に一致しないため、スナップショット時の印字ヘッド位置を示しています。各スナップショットの明るい色は、最近印刷されたレイヤーで観察されるポリマーの動きの増加を示します。運動が強化された領域(溶接ゾーン)は、複数の層の厚さであることに注意してください。実験の詳細動画は 補足動画1でご覧いただけます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 これらの結果を補完するために、印刷物を目視検査した。これらの一般的に使用されるポリマーフィラメントと印刷設定で予想されるように、品質は良好でした。設計されたジオメトリは確かに再現され、表面は均一で、各レイヤーに小さな線が見えました。LSIデータにより、印刷プロセスに関する深い洞察を得ることができました。押し出されたばかりのプラスチックは移動性が高いように見え、冷却するにつれて移動性は徐々に低下しました。移動性の高い領域(すなわち、溶接ゾーン)の高さは、印刷手順全体で4〜5層の厚さであり、明確に定義された層融合期間を示しています。 冷却ファンの速度を手動で0%に調整して実験を繰り返した。この設定では、プラスチックが十分に速く冷却されず、印刷品質に影響を与えました。結果のハイライトを 図3に示し、詳細な動画は 補足動画2をご覧ください。 図3:冷却ファン速度0%での印刷のタイムラプス。 左:プリンタがほぼ完成したときのオブジェクトの明視野、正面図。印刷の視覚的品質が悪いように見えます。表面には不規則な層線と大きな塊が見られます。さらに、全体的に設計されたジオメトリは不完全に再現されています。特に、窓や穴が変形しています。右:印刷プロセス中の白い描写された領域からの4つのLSIスナップショット。青い矢印は、LSI画像が明視野画像と時間的に一致しないため、スナップショット時の印字ヘッド位置を示しています。各スナップショットの明るい色は、オブジェクト全体で観察できるポリマーの動きの増加を示しています。実験の詳細動画は補足 動画2でご覧いただけます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 予想通り、3Dプリントされた構造の目視検査では、実際に印刷品質が悪いことが示されました。層は不均一に分布しており、設計された形状は変形して再現されました。図2と図3の明視野画像を比較すると、印刷結果の表面品質と形状に対する冷却ファンの主な影響がわかります。この効果の原因は、図2と図3のLSI結果を比較して決定しました。冷却ファンの速度を100%にすると、押し出されたプラスチックの数層下の領域でポリマーの動きが促進されました。そのため、各層を適度に数回液化して、塑性流動のない層接合を実現しました。冷却ファンの回転数を0%にすると、対象物全体を通してポリマーの動きが促進されました。したがって、各層は何度も液化され、新たに押し出されたプラスチックに非常に近くなり、塑性流動によって幾何学的精度が失われました。 より穏やかな状況での冷却ファン効果のより定量的なビューを得るために、冷却ファンの速度を体系的に変化させました。オブジェクトの設計は、穴や隆起のない25 mm x 12 mm x 0.8 mm(幅x高さx奥行き)の壁に簡略化されました。表1と同じ印刷設定を使用した。実験は12回行われ、冷却ファンの速度はそれぞれ0%、20%、40%、60%、80%、および100%でした。得られた動画は、補足動画3、補足動画4、補足動画5、補足動画6、補足動画7、補足動画8、ならびに補足符号化ファイル6、補足符号化ファイル7、補足符号化ファイル8、補足符号化ファイル9、補助符号化ファイル10、および補助符号化ファイル11に見出すことができる。 ファン速度の違いで溶接ゾーンを定量的に比較するために、LSIの結果に対して高度なデータ分析が行われました。このデータ分析の目的は、溶接ゾーン内のポリマーの動きの範囲の高さプロファイルを取得することでした。関連する完全にコメントされたMATLABスクリプトは、 補足コーディングファイル4 にあり、簡単に説明されています。動画内のすべてのLSI画像について、水平方向の平均を取ることによって高さプロファイルが計算されます。プリントヘッドがROIにある画像のプロファイルは、溶接ゾーンの周りに明確なピークを示しています。これらのプロファイルを排他的に選択するには、ピークが8 dBを超えるプロファイルのみが考慮されます。このピークがROIの端に近すぎるプロファイルも破棄されます。その後、すべてのプロファイルのピーク位置をアライメントして、ポリマーが最も可動性である高さに対する平均プロファイルを示します。6つの異なる冷却ファン速度の結果のプロファイルを 図4にプロットします。 図4:冷却ファン速度の体系的な変化の高さプロファイル。左:補足コーディングファイル4の高度なデータ分析スクリプトから取得した、冷却ファン速度100%(黒)、80%(青)、60%(紫)、40%(赤)、20%(オレンジ)、および0%(黄)の溶接ゾーンプロファイル。影付きの領域は、重複する実験間の標準偏差です。右の回路図は、標準的なLSIイメージのプロファイルを取得するための平均化手順を説明しています。得られたすべてのプロファイルのピークの最大値を揃えることによって、溶接ゾーンが得られます。溶接ゾーンの最大値(相対高さ= 0)は、ポリマーが最も可動性が高い高さです。各実験の詳細なLSIおよび明視野動画は、補足動画3、補足動画4、補足動画5、補足動画6、補足動画7、 補足動画8でご覧いただけます。 この図用に印刷されたオブジェクトは、補足コーディングファイル5にあり、対応するGコードファイルは補足コーディングファイル6にあります。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 40%〜100%冷却の溶接ゾーンプロファイルはほぼ同じでした。20%冷却のための溶接ゾーンには、いくつかのより深い層に達するショルダーがありました。0%冷却の溶接ゾーンは、測定領域全体に広がっています。ポリマーが最も可動性であった高さは、最後に印刷された層またはそのわずかに下にあった。この現象は、移動度ピークより上に印刷物が存在するため、正の相対高さにLSI信号が存在することを説明しています。すべての場合において、溶接ゾーンは0.2 mmの層の厚さよりはるかに深く達しました。 補足ファイル1:LSIのセットアップ.xls。 ここで使用するLSI機器のハードウェアパラメータ。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足ファイル2:LSI解析.docx. 生スペックル画像のLSI画像への変換について解説します。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画1: 図2に記載のLSI及び明視野実験の動画。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画2: 図3に記載の実験のLSI及び明視野動画。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画3: 図4で説明した100%冷却ファン速度実験。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画4: 図4で説明した80%の冷却ファン速度の実験。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画5: 図4で説明した60%の冷却ファン速度実験。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画6: 図4で説明した40%の冷却ファン速度実験。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画7: 図4で説明した20%の冷却ファン速度実験。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足動画8: 図4で説明した冷却ファン速度0%の実験。 映画は12.5倍のリアルタイム速度で再生されます。上段がLSIの結果、下段がLSIのROIが示された同期明視野図です。 この動画をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディングファイル1:wall_with_holes.stl。 図 1 で説明したオブジェクトの 3D 設計。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディングファイル2:wall_with_holes.gcode。スライスされたオブジェクトは、表 1 の設定で wall_with_holes.stl になります。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディングファイル3:config.ini。 スライス ソフトウェアの構成ファイル。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディングファイル4:AdvancedDataAnalysis_FanSpeed時 冷却ファンのスイープデータに対して高度なデータ分析を実行するスクリプトとプロット 図 4.スクリプトは完全にコメントされています。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディングファイル5:wall.stl。図 4 のデータの収集に使用したオブジェクトの 3D 設計。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディング ファイル 6: wall_100n.gcode。 冷却ファン速度100%のスライスされたオブジェクト wall.stl 。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディング ファイル 7: wall_80n.gcode。 冷却ファン速度が80%のスライスされたオブジェクト wall.stl 。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディング ファイル 8: wall_60n.gcode. 冷却ファン速度が60%のスライスされたオブジェクト wall.stl 。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディング ファイル 9: wall_40n.gcode。 スライスされたオブジェクト wall.stl 冷却ファン速度 40%。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディング ファイル 10: wall_20n.gcode。 冷却ファンの速度が20%のスライスされたオブジェクト wall.stl 。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 補足コーディング ファイル 11: wall_0n.gcode. 冷却ファンの速度が0%のスライスされたオブジェクト wall.stl 。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。