Визуализация склеивания в слоях, напечатанных на 3D-принтере, в режиме реального времени
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
Representative Results
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.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы не получили внешнего финансирования.
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 |
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. 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).
