3D 打印层中粘合的实时成像

绘制一个简单的物体作为实验的测试目标：背面有脊的墙，两个窗户和一个大孔（图1）。使用 表 1 中列出的打印机设置和属性对对象进行切片。 将LSI仪器与3D打印机对齐，并进行实验。用户友好的设置具有一个额外的明场摄像头，有助于在对准过程中，并允许在塑料挤出和测量的聚合物运动之间轻松比较。散斑和明场相机都配备了滤光片，可防止来自其他通道的干扰。有关设置的更多技术细节可以在 补充文件 1 中找到，分析例程的说明在 补充文件 2 中提供。该实验结果的亮点如图 2所示，完整的视频可以在 补充视频1中找到。如前所述，该实验也可以使用自制仪器17进行。 图 2：以 100% 冷却风扇速度打印的延时。 左：明场，打印机几乎完成时对象的前视图图像。检查时打印质量看起来不错;虽然表面显示了层线，但已经生成了整体设计的几何图形。右：打印过程中白色划定区域的四个LSI快照;蓝色箭头表示快照时的打印头位置，因为LSI图像与明场图像的时间不对应。每个快照中较浅的颜色表示聚合物运动增加，这在最近打印的层中观察到。请注意，具有增强运动的区域（焊接区域）是多层厚的。实验的完整详细影片可在 补充影片 1 中找到。 请点击此处查看此图的大图。 与这些结果相辅相成的是，对印刷品进行了目视检查;正如预期的那样，对于这些常用的聚合物长丝和打印设置，质量很好。设计的几何形状确实被复制了，表面是均匀的，每层上都可以看到一条小线。使用LSI数据，可以深入了解打印过程。新挤出的塑料具有高度流动性，并且随着冷却而逐渐降低流动性。在整个打印过程中，高流动性区域（即焊接区域）的高度为四到五层厚，表明层融合的持续时间明确。 重复实验，将冷却风扇速度手动调整至0%。使用此设置，塑料冷却速度不够快，从而影响了打印质量。结果的亮点如图 3所示，完整的详细视频可以在 补充视频2中找到。 图 3：冷却风扇速度为 0% 时的打印延时。 左：明场，打印机几乎完成时对象的前视图图像。印刷品的视觉质量看起来很差;表面显示不规则的层线和大斑点。此外，整体设计的几何形状被不完美地再现;值得注意的是，窗户和孔是变形的。右：打印过程中白色划定区域的四个LSI快照;蓝色箭头表示快照时的打印头位置，因为LSI图像与明场图像的时间不对应。每个快照中较浅的颜色表示聚合物运动增加，这可以在整个物体中观察到。实验的完整详细影片可在 补充影片 2 中找到。 请点击此处查看此图的大图。 符合预期，对3D打印结构的目视检查确实显示出较差的打印质量。层分布不均匀，设计的几何形状通过变形再现。图2和图3中的明场图像比较显示了冷却风扇对打印结果的表面质量和形状的主要影响。通过比较图2和图3中的LSI结果来确定这种效应的来源。在100%的冷却风扇速度下，在挤出塑料下方仅几层的区域观察到增强的聚合物运动。因此，每层适度液化几次，以实现无塑性流动的层粘合。在0%冷却风扇速度下，在整个物体中观察到增强的聚合物运动。因此，每一层都经过多次液化，并且非常接近新挤出的塑料，导致塑料流动导致几何精度下降。 为了更定量地了解在更温和的情况下冷却风扇效果，系统地改变了冷却风扇速度。物体设计被简化为25 mm x 12 mm x 0.8 mm（宽x高x深）的墙，没有孔或脊。使用了与表1中相同的打印设置。实验进行了12次，冷却风扇速度为0%，20%，40%，60%，80%和100%，每个一式两份。生成的电影可以在补充影片 3、补充影片 4、补充影片 5、补充影片 6、补充影片 7 和补充影片 8 以及补充编码文件 6、补充编码文件 7、补充编码文件 8、补充编码文件 9、补充编码文件 10 和补充编码文件 11 中找到。 为了定量比较不同风扇速度下的焊接区域，对LSI结果进行了高级数据分析。该数据分析的目的是获得焊接区域中聚合物运动程度的高度剖面。相关的完全注释的 MATLAB 脚本可以在 补充编码文件 4 中找到，并进行了简要描述。对于电影中的每个LSI图像，高度剖面图是通过沿水平方向取平均值来计算的。打印头在ROI中的图像轮廓在焊接区域周围显示出明显的峰值。要专门选择这些配置文件，仅考虑峰值高于8 dB的配置文件。此峰值太接近ROI边缘的配置文件也会被丢弃。随后对齐所有轮廓的峰位置，以得出相对于聚合物最易移动的高度的平均轮廓。 图 4 绘制了六种不同冷却风扇速度的结果曲线。 图 4：冷却风扇速度系统变化的高度曲线。左：冷却风扇速度为 100%（黑色）、80%（蓝色）、60%（紫色）、40%（红色）、20%（橙色）和 0%（黄色）的焊接区域剖面图，从补充编码文件 4 中的高级数据分析脚本获得。阴影区域是重复实验之间的标准偏差。右图解释了获得典型LSI图像轮廓的取平均值过程。通过对齐所有获得的轮廓的峰值的最大值，获得焊接区域。焊接区域的最大值（相对高度 = 0）是聚合物最具流动性的高度。每个实验的完整详细LSI和明场动画可在补充视频3，补充视频4，补充视频5，补充视频6，补充视频7和 补充视频8中找到。 为该图打印的对象可以在补充编码文件 5 中找到，相应的 G 代码文件在补充编码文件 6 中找到。请点击此处查看此图的大图。 40%-100%冷却的焊接区域轮廓几乎相同。用于 20% 冷却的焊接区域的肩部延伸到几个更深的层。0%冷却的焊接区域延伸到整个测量区域。聚合物最易移动的高度位于或略低于最近打印的层。这种现象解释了在正相对高度存在LSI信号的原因，因为迁移率峰值上方有印刷材料。在所有情况下，焊接区域都比0.2 mm的层厚深得多。 补充文件 1：LSI 设置.xls。 此处使用的 LSI 仪器的硬件参数。 请点击此处下载此文件。 补充文件2：LSI分析.docx。 将原始散斑图像转换为LSI图像的说明。 请点击此处下载此文件。 补充视频1： LSI和明场动画的实验描述如图2所示。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充视频2： LSI和明场视频的实验如图3所示。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充视频3： 图4中描述的100%冷却风扇速度实验。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充视频4： 图4中描述的80%冷却风扇速度实验。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充视频5： 图4中描述的60%冷却风扇速度实验。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充视频6： 图4中描述的40%冷却风扇速度实验。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充视频7： 图4中描述的20%冷却风扇速度实验。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充视频8： 图4中描述的0%冷却风扇速度实验。 电影以 12.5 倍的实时速度播放。上半部分是LSI结果，下半部分是指示LSI ROI的同步明场视图。 请点击这里下载此影片。 补充编码文件 1：wall_with_holes.stl。 图 1 中描述的对象的 3D 设计。请点击此处下载此文件。 补充编码文件 2：wall_with_holes.gcode。 切片对象 wall_with_holes .stl ，具有 表 1 中的设置。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 3：配置.ini。 切片软件的配置文件。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 4：AdvancedDataAnalysis_FanSpeed.m. 该脚本对散热风扇扫描数据进行高级数据分析并绘制 图4。脚本已完全注释。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 5：wall.stl. 用于收集 图 4 中的数据的对象的 3D 设计。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 6：wall_100n.gcode。 切片对象 wall.stl ，冷却风扇速度为 100%。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 7：wall_80n.gcode。 切片对象 wall.stl ，冷却风扇速度为 80%。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 8：wall_60n.gcode。 切片对象 wall.stl ，冷却风扇速度为 60%。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 9：wall_40n.gcode。 切片对象 wall.stl ，冷却风扇速度为 40%。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 10：wall_20n.gcode。 切片对象 wall.stl ，冷却风扇速度为 20%。 请点击此处下载此文件。 补充编码文件 11：wall_0n.gcode。 切片对象 wall.stl ，冷却风扇速度为 0%。 请点击此处下载此文件。