3D baskılı katmanlarda yapıştırmanın gerçek zamanlı görüntülenmesi
Summary
İnvaziv olmayan ve gerçek zamanlı bir teknikle, bir polimer filament içindeki nanoskopik polimer hareketi 3D baskı sırasında görüntülenir. Bu harekete ince ayar yapmak, optimum performans ve görünüme sahip yapılar üretmek için çok önemlidir. Bu yöntem, plastik tabaka füzyonunun özüne ulaşır, böylece optimum baskı koşulları ve malzeme tasarım kriterleri hakkında fikir verir.
Abstract
Son zamanlarda, 3D baskı teknolojisi, ürün tasarlama ve üretme yeteneğimizde devrim yarattı, ancak baskı kalitesini optimize etmek zor olabilir. Ekstrüzyon 3D baskı işlemi, erimiş malzemenin ince bir nozuldan bastırılmasını ve daha önce ekstrüde edilmiş malzemenin üzerine bırakılmasını içerir. Bu yöntem, güçlü ve görsel olarak çekici bir nihai ürün oluşturmak için ardışık katmanlar arasındaki bağa dayanır. Bu kolay bir iş değildir, çünkü meme sıcaklığı, katman kalınlığı ve baskı hızı gibi birçok parametrenin optimum sonuçlar elde etmek için ince ayarlanması gerekir. Bu çalışmada, ekstrüzyon sırasında polimer dinamiklerini görselleştirmek için bir yöntem sunulmuş ve tabaka bağlama işlemi hakkında fikir verilmiştir. Lazer benek görüntüleme kullanılarak, plastik akışı ve füzyonu invaziv olmayan, dahili olarak ve yüksek uzaysal zamansal çözünürlükle çözülebilir. Gerçekleştirilmesi kolay olan bu ölçüm, nihai baskı kalitesini etkileyen temel mekaniğin derinlemesine anlaşılmasını sağlar. Bu metodoloji bir dizi soğutma fanı hızıyla test edildi ve sonuçlar daha düşük fan hızlarıyla artan polimer hareketi gösterdi ve böylece soğutma fanı kapatıldığında düşük baskı kalitesini açıkladı. Bu bulgular, bu metodolojinin baskı ayarlarını optimize etmeye ve malzeme davranışını anlamaya izin verdiğini göstermektedir. Bu bilgiler, yeni baskı malzemelerinin veya gelişmiş dilimleme prosedürlerinin geliştirilmesi ve test edilmesi için kullanılabilir. Bu yaklaşımla, 3D baskıyı bir sonraki seviyeye taşımak için ekstrüzyonun daha derin bir anlayışı oluşturulabilir.
Introduction
3D baskı yöntemi, bir nesnenin istenen şekli oluşturmak için katman katman üretildiği eklemeli bir üretim tekniğidir. Bu yöntem, çok yönlülüğü, satın alınabilirliği ve kullanım kolaylığı sayesinde geniş ve çeşitli bir kullanıcı tabanına sahiptir. Erimiş biriktirme modellemesi, erimiş plastiği istenen şekle1 koymak için hareketli bir ekstrüdere (yüzlerce mikron ila birkaç milimetre çapında) sahiptir. Ekstrüde plastik, daha önce basılmış plastikle iyi bir füzyon elde etmek ve güçlü bir şekilde yapışkan bir malzeme oluşturmak için belirli bir süre sıvı benzeri bir şekilde davranmalıdır. Bununla birlikte, plastiğin baskı yerinden uzaklaşmasını ve baskı kalitesini düşürmesini önlemek için plastiğin baskıdan sonra hızlı bir şekilde soğuması ve katılaşması gerekir. Isıtma ve soğutma arasındaki bu hassas etkileşimin, mekanik mukavemet ile son 3D baskılı nesne2’nin geometrik doğruluğu arasındaki dengeyi doğrudan desteklediği gösterilmiştir. Optimum ısıtma-soğutma dengesini elde etmek için, plastik erime sıcaklığının hemen üzerindeki bir sıcaklıkta ekstrüde edilir ve plastiği hızlı bir şekilde soğutmak için yazıcıya bağlı bir fan kafası kullanılır. Baskı sıcaklıklarının ve soğutma hızlarının etkilerinin derinlemesine anlaşılması, en önemli oldukları alanlarda mekanik veya geometrik sonuçları en üst düzeye çıkaran gelişmiş dilimleme ve baskı protokolleri geliştirmek için gereken bilgileri sağlayabilir. Bu işlemler hakkında daha fazla bilgi edinme çabaları genellikle yalnızca yüzey sıcaklığını 3,4,5 olarak görselleştiren ve plastiğin iç sıcaklığını göstermeyen kızılötesi (IR) görüntülemeye dayanır. Erime geçişinin ötesinde yerel ısıtma, polimer hareketliliğini büyük ölçüde arttırır ve böylece eski ve yeni malzeme arasında polimer dolaşıklığına izin verir. Bu geçici olarak geliştirilmiş polimer hareketi, nihai yapışkan malzeme 6,7’nin oluşumu için bir gerekliliktir, ancak IR görüntüleme, polimer hareketini yalnızca yüzey sıcaklığı 8,9 boyunca dolaylı olarak ölçebilir. Bu nedenle, yüzey sıcaklığının katman bağına çevrilmesi, çekirdek-yüzey sıcaklığı gradyanı ve ilgili karmaşık polimer dinamiklerinin bir dizi zaman ve uzunluk ölçeğinde kesin olarak bilinmesini gerektirir. Katman bağının (yani, polimer dolaşıklık sürecinin) doğrudan ölçülmesi, a priori bilgi veya varsayımlar olmadan dökme malzeme yapışmasının altında yatan mekanizmanın görselleştirilmesine izin verecektir.
Katman bağının mekansal ve zamansal dağılımını anlamak için, bu çalışmada plastik filamenti oluşturan polimerlerin dinamiklerini doğrudan ölçen bir görüntüleme tekniği kullanılmıştır. Bu teknik, lazer benek görüntüleme (LSI), kimyasal bileşimden bağımsız olarak nanoskopik hareketleri görselleştirmek için interferometrik ışık saçılmasına dayanır. Numunenin optik özelliklerine bağlı olarak, yalnızca yüzey sıcaklıklarını 8,9 bildiren IR görüntülemenin aksine, şeffaf olmayan malzemelere10,11,12 milimetre ila santimetre arasında doğru bir şekilde ölçebilir. Bu özellikler son zamanlarda benek bazlı yöntemleri çok sayıda malzemedeki dinamik süreçleri anlamada popüler hale getirmiştir, ancak başlangıçta tıbbi uygulamalar için geliştirilmiştir10,11,12. Son zamanlarda, LSI, kendi kendini temizleyen sıvı kristal polimer ağları 13,14 gibi gelişmiş polimerik malzemelerin davranışı hakkında fikir edinmek, ayrıca kauçuk15’teki kırılmayı tahmin etmek ve kendi kendini iyileştiren malzemeleri incelemek için kullanılmıştır 16.
LSI’ın 3D baskıya uygulanmasının fizibilitesi, gerçek zamanlı analiz yeteneklerine sahip taşınabilir bir LSI kurulumunun sunulduğu önceki bir makale17’de sergilendi ve erimiş plastiğin birikmesinin, mevcut katmanın altında birden fazla katman halinde polimer hareketinin artmasına neden olduğu gösterildi. Burada sunulan makalede, soğutma fanı hızının çok katmanlı bağlanma derecesi üzerindeki etkileri üzerine sistematik araştırmalar yapılmıştır. Taşınabilir cihazın optik veya programlama uzmanlığı olmayan kullanıcılar tarafından çalıştırılabilen geliştirilmiş bir tak ve çalıştır versiyonu kullanılır. Benek görüntüleri, benek yoğunluğu dalgalanmalarının genliğini görselleştiren Fourier dönüşümleri17 kullanılarak gerçek zamanlı olarak analiz edilir. Bu cihaz, benek kamerasıyla hizalanmış ek bir parlak alan kamerasına sahiptir, böylece LSI hareket haritaları, hareket haritalarını etkileyen parlak alan ışığı olmadan daha kolay yorumlama için parlak alan görüntüleriyle kaplanabilir. Bu makalede sunulan deneysel yaklaşım, zorlu geometrilerin ve malzemelerin 3D baskısı sırasında ekstrüde plastiğin erimesi, katman bağlanması ve katılaşması hakkında daha fazla bilgi edinmek için kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu araştırmada açıklanan deneyler ve sonuçlar, LSI’ın eklemeli üretim sırasında katman bağının daha iyi anlaşılmasını sağlayan, kolayca uygulanan bir araç olduğunu göstermektedir. LSI, polimer zincirlerinin birbirine nüfuz etmesi ve ardından dolaşması ile tutarlı bir malzeme oluşturmak için ince bir şekilde ayarlanması gereken polimer hareketinin doğrudan ölçülmesine izin verir. Yerinde katman bağını ölçmek için en yaygın alternatif kızılötesi görüntüleme 3,4,5’tir. Bu iyi kurulmuş yöntem, malzemenin içindeki polimer hareketinin dolaylı bir ölçümü olan plastik 8,9’un yerel yüzey sıcaklığını görüntüler. Daha sıcak plastikle, hareket daha hızlıdır ve bağlanma daha güçlü hale gelir. Bununla birlikte, sıcaklık ve hareket arasındaki ilişki doğrusal değildir, çünkü baskı sıcaklıkları erime ve cam geçiş sıcaklıklarını 6,7 ile geçer. Bu önemsiz olmayan ilişki LSI görüntülerinde doğrudan gözlemlenebilir; Spesifik olarak, sıvı benzeri üst ve katı benzeri alt bölgeler arasında keskin bir geçiş varken, sıcaklık gradyanının çok daha kademeli olması bekleniyor. IR görüntülemenin bir diğer dezavantajı, yalnızca yüzey sıcaklığını ölçmesidir, LSI ise polimer hareketini tipik olarak malzemenin içinde birkaç milimetre derinlikte ölçer.
IR görüntülemede olduğu gibi, LSI’ın bu uygulaması aslında bir bas-çek yöntemidir; Kamera ilgilenilen bölgeye yönlendirilebiliyorsa yerinde kullanılabilir. Çok yönlü tripod ve 0,7 m’lik uzun çalışma mesafesi, mevcut herhangi bir 3D yazıcıyı kullanma özgürlüğü verir. En önemlisi, LSI nanoskopik hareketlere karşı hassastır ve bu nedenle çevreden ve baskı işleminin kendisinden gelen titreşimlerin en aza indirilmesi gerekir17. Örneğin, aynı masada başka bir görev yapmak veya bir kapıyı çarpmak parazite neden olur. Bu nedenle, kişi kurulumun etrafında dikkatlice dolaşmalıdır; Bununla birlikte, oda ışıkları veya hava akımı genellikle işleme müdahale etmez.
LSI, katman yapıştırma işlemi hakkında ayrıntılı bilgi verir ve IR görüntüleme kadar kolay uygulanabilir. LSI’ın gelişmiş 3D baskı yöntemlerinin geliştirilmesine ve anlaşılmasına yardımcı olma konusunda büyük bir potansiyele sahip olduğunu öngörüyoruz. Soğutma fanı hız taraması, LSI’ı 3D baskı ile birleştirerek nelerin mümkün olduğuna dair bir fikir verir. Girişte tartışıldığı gibi, optimum soğutma hızı, plastiğin tabaka bağını iyileştirmek için yeterince uzun süre erimiş halde tutulması ile akışı önlemek için yeterince hızlı soğutulması arasındaki dengedir. %40-%100 soğutma fanı hızı sonuçları çok benzerdi; Gerçekten de, bu fan hızları herhangi bir akış göstermedi ve iyi bir yüzey kalitesi üretti. %0 soğutma fanı hızı ile malzeme basıldığı yerden uzaklaşmaya başladı, ancak LSI ölçümünde geniş katman bağı gözlendi. Sonuçlarımıza dayanarak,% 20 soğutma fanı hızı, yüzey kalitesinden ödün vermeden biraz daha iyi katman yapıştırması elde etmek için en uygun olabilir. Bununla birlikte, pratikte uygulanabilecek sonuçlar çıkarmak için, %0 ile %40 arasında daha fazla soğutma fanı hızları değerlendirilmelidir. Ayrıca, polimer hareketinin istenen özellikler üzerindeki etkilerinin objektif ve eksiksiz bir görünümünü elde etmek için yüzey kalitesi ve malzeme mukavemeti için nicel ölçümlerin oluşturulması da arzu edilir. Bu eklemeyle, yaratıcı 3D baskı ilerlemelerini değerlendirmek için yaklaşım daha güçlü hale getirilebilir.
LSI analizi için seçilen kesin ayarlar, sıvı benzeri plastik ve katı benzeri plastik fazlar net bir şekilde ayırt edilebildiği sürece kritik hatalara eğilimli değildir. Erime ve cam geçiş sıcaklıklarını geçerken polimer hareketi önemli ölçüde değişir, bu nedenle çok çeşitli LSI ayarları kontrastı iyi yakalar. Bu, malzeme tedarikçisi tarafından önerilen 3D yazıcı ayarlarıyla basit bir nesnenin (örneğin düz bir duvar) test baskısıyla kolayca test edilebilir. Daha gelişmiş LSI kullanıcıları için, frekans aralığının derinliklerine inmek, farklı polimer hareketi türleri nicel olarak ayırt edilebildiğinden, ekstra bilgi sağlayabilir. Örneğin, yüksek frekanslı polimer hareketi, yalnızca yazıcı kafasının yakınında bulunan en yüksek sıcaklıklarla ilişkilidir. Düşük frekanslı polimer hareketi, yazıcı kafasının etrafında çok daha geniş bir alanda ve ayrıca çok daha uzun bir süre boyunca bulunan ılımlı sıcaklıklarla ilişkilidir17. Kümülatif düşük frekanslı polimer hareketi için bağlanma derecesinin kısa, yüksek frekanslı hareketle (örneğin, dinamik mekanik analizle) eşit olup olmadığı incelenmelidir. Renk haritası ölçeklendirme, YG, kaydetme aralığı ve deneme uzunluğu gibi diğer ayarların çoğu, yalnızca görsel olarak net ve çekici bir sonuç vermek için seçilir. 3D baskı ayarlarıyla ilgili olarak, LSI, kullanıcının ayarlardan herhangi birini değiştirmenin sonuçlarını objektif olarak değerlendirmesine izin verdiği için çok fazla özgürlük vardır. Özellikle, baskı hızının büyük ölçüde değiştirilmesi LSI verilerinin yorumlanmasını değiştirir. Bu çalışmada, yazıcı kafasının bir geçişi sırasında birden fazla LSI görüntüsü yakalamak için 10 mm/sn yavaş baskı ve hareket hızı kullanılmıştır. PLA için 60 mm/sn’lik daha yaygın bir baskı hızı kullanılsaydı, LSI görüntüsü başına kabaca bir tam katman yazdırılırdı ve böylece bir katman içinde ortalama elde edilirdi. 300 mm/s ve daha hızlı gibi üst düzey hızlarla denemeler yapılırsa, birden fazla katmanın ortalaması alınır. Bununla birlikte, bu tamamen tam baskı geometrisine ve LSI ayarlarına bağlıdır ve deneyimli bir LSI kullanıcısı tarafından gelişmiş makine tasarımı, görüş alanının boyutunu ayarlama veya daha hızlı bir kamera kullanarak kolayca hafifletilebilir. Her iki yaklaşım da, yansıtıcı yazıcı kafası ile birlikte ek lazer güvenlik önlemleri gerektiren daha güçlü bir lazer gerektirir. Nispeten yavaş baskı hızı, katman yapıştırma üzerinde de olumlu bir etkiye sahiptir, çünkü daha önce plastiğe ısı transferinin daha yavaş baskı hızlarıyla arttığı kanıtlanmıştır5.
Bu yaklaşım için olası yeni bir yön, yeni malzemelerin test edilmesidir; Örneğin, LSI, ilgili geçişleri görselleştirmek ve üst katmanın uygulanması üzerine beş katmanlı bir kaynak bölgesi veren önerilen yazıcı ayarlarını objektif olarak ölçmek için kullanılabilir. Başka bir uygulama, köprüler, çıkıntılar veya keskin köşeler gibi baskı kalitesinin güvenilir bir şekilde iyi olmadığı belirli durumlarda kaynak bölgesini incelemek olabilir. Zor durumlarda kaynak bölgesi daha iyi anlaşılabilirse, G kodunda telafi etmek mümkün olmalıdır. Yapı plakası18’e iyi yapışma elde etmek için ilk katmanı diğer katmanlardan daha sıcak ve daha yavaş yazdırmak zaten yaygın bir uygulamadır. Örneğin, fan soğutmasının köşeler veya köprüler üretmek için ayarlanabileceği benzer dinamik G kodu dilimlemenin kullanılmasını öngörüyoruz. Dış duvar malzemesini daha pürüzsüz bir kaplama ve malzemenin geri kalanı ile yazdırmak ve hem malzeme mukavemetini hem de görsel görünümü en üst düzeye çıkarmak için daha kaba ancak daha güçlü dolgu yapmak da mümkün olmalıdır.
Bu makalede, plastik ekstrüzyon sonrası tabaka yapıştırma işlemini incelemek için LSI’ın uygulanması tartışılmıştır. Bu teknik, bu görev için mükemmeldir, çünkü 3D baskı sırasında gerçek zamanlı olarak a priori varsayımlar olmadan altta yatan polimer hareketini görselleştirebilir. Bununla birlikte, malzeme yapışması hakkında herhangi bir bilgi vermez, bu nedenle ek testler gerekecektir. Tartışılan diğer dezavantajlar durumsaldır; saniyede dört LSI görüntüsünün sınırlı görüntüleme hızı, daha büyük bir lazer ve ek lazer güvenlik önlemleri ile artırılabilir ve titreşim hassasiyeti önlemler veya titreşim azaltma donanımı gerektirir. LSI, canlı kalite kontrolü ve baskı parametrelerinin dinamik olarak ayarlanması için hemen hemen her 3D yazıcıya entegrasyona izin veren ucuz ve küçük dijital kameralar ve lazerler19,20 ile gerçekleştirilebilir. Bununla birlikte, 3D baskı sırasında katman yapıştırma hakkında kapsamlı bilgi geliştirmek için LSI’ı kullanmak daha mantıklıdır. Bu anlayış daha gelişmiş dilimleme yazılımı geliştirmek için kullanılırsa, her tüketici 3D yazıcı edinilen bilgiden yararlanabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar hiçbir dış finansman almadı.
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).
