التصوير في الوقت الحقيقي للترابط في طبقات مطبوعة 3D
Summary
باستخدام تقنية غير جراحية وفي الوقت الفعلي ، يتم تصوير حركة البوليمر النانوية داخل خيوط البوليمر أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D. يعد ضبط هذه الحركة أمرا بالغ الأهمية لإنتاج تركيبات ذات أداء ومظهر مثاليين. تصل هذه الطريقة إلى جوهر اندماج الطبقة البلاستيكية ، وبالتالي تقدم رؤى حول ظروف الطباعة المثلى ومعايير تصميم المواد.
Abstract
في الآونة الأخيرة ، أحدثت تقنية الطباعة 3D ثورة في قدرتنا على تصميم وإنتاج المنتجات ، ولكن تحسين جودة الطباعة قد يكون أمرا صعبا. تتضمن عملية بثق الطباعة 3D الضغط على المواد المنصهرة من خلال فوهة رقيقة وإيداعها على المواد المبثوقة سابقا. تعتمد هذه الطريقة على الترابط بين الطبقات المتتالية لإنشاء منتج نهائي قوي وجذاب بصريا. هذه ليست مهمة سهلة ، حيث يجب ضبط العديد من المعلمات ، مثل درجة حرارة الفوهة وسمك الطبقة وسرعة الطباعة ، لتحقيق أفضل النتائج. في هذه الدراسة ، تم تقديم طريقة لتصور ديناميكيات البوليمر أثناء البثق ، مما يعطي نظرة ثاقبة لعملية الترابط الطبقي. باستخدام تصوير البقع بالليزر ، يمكن حل تدفق البلاستيك والانصهار بشكل غير جراحي وداخلي وبدقة زمانية مكانية عالية. يوفر هذا القياس ، الذي يسهل تنفيذه ، فهما متعمقا للآليات الأساسية التي تؤثر على جودة الطباعة النهائية. تم اختبار هذه المنهجية مع مجموعة من سرعات مروحة التبريد ، وأظهرت النتائج زيادة حركة البوليمر مع سرعات أقل للمروحة ، وبالتالي ، أوضحت جودة الطباعة الرديئة عند إيقاف تشغيل مروحة التبريد. تظهر هذه النتائج أن هذه المنهجية تسمح بتحسين إعدادات الطباعة وفهم سلوك المواد. يمكن استخدام هذه المعلومات لتطوير واختبار مواد طباعة جديدة أو إجراءات تقطيع متقدمة. مع هذا النهج ، يمكن بناء فهم أعمق للبثق لنقل الطباعة 3D إلى المستوى التالي.
Introduction
طريقة الطباعة 3D هي تقنية تصنيع مضافة يتم فيها تصنيع كائن طبقة تلو الأخرى لتشكيل الشكل المطلوب. تتمتع هذه الطريقة بقاعدة مستخدمين كبيرة ومتنوعة بفضل تنوعها والقدرة على تحمل التكاليف وسهولة الاستخدام. تتميز نمذجة الترسيب المنصهر بطارد متحرك (يبلغ قطره مئات الميكرونات إلى بضعة ملليمترات) لإيداع البلاستيك المصهور في الشكل المطلوب1. يجب أن يتصرف البلاستيك المبثوق بطريقة تشبه السائل لفترة معينة لتحقيق اندماج جيد مع البلاستيك المطبوع مسبقا وتشكيل مادة متماسكة بقوة. ومع ذلك ، يجب أن يبرد البلاستيك ويتصلب بسرعة بعد الطباعة لمنع البلاستيك من التدفق بعيدا عن موقع الطباعة وتقليل جودة الطباعة. وقد ثبت أن هذا التفاعل الدقيق بين التسخين والتبريد يدعم بشكل مباشر التوازن بين القوة الميكانيكية والدقة الهندسية للكائن النهائي المطبوعثلاثي الأبعاد 2. لتحقيق التوازن الأمثل للتدفئة والتبريد ، يتم بثق البلاستيك عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة الانصهار ، ويتم استخدام رأس مروحة متصل بالطابعة لتبريد البلاستيك بسرعة. يمكن أن يوفر الفهم المتعمق لتأثيرات درجات حرارة الطباعة وسرعات التبريد الرؤى المطلوبة لتطوير بروتوكولات التقطيع والطباعة المتقدمة التي تزيد من النتائج الميكانيكية أو الهندسية في المناطق التي تكون فيها أكثر أهمية. غالبا ما تعتمد الجهود المبذولة لاكتساب مزيد من التبصر في هذه العمليات على التصوير بالأشعة تحت الحمراء (IR) ، والذي يصور فقط درجة حرارة السطح3،4،5 ولا يشير إلى درجة الحرارة الداخلية للبلاستيك. التسخين المحلي بعد انتقال الذوبان يزيد بشكل كبير من حركة البوليمر ، وبالتالي يسمح بتشابك البوليمر بين المادة القديمة والجديدة. تعد حركة البوليمر المحسنة مؤقتا شرطا لتشكيل المادة المتماسكة النهائية 6,7 ، لكن التصوير بالأشعة تحت الحمراء يمكنه فقط قياس حركة البوليمر بشكل غير مباشر من خلال درجة حرارة السطح 8,9. وبالتالي ، فإن ترجمة درجة حرارة السطح إلى رابطة طبقية تتطلب معرفة دقيقة بتدرج درجة حرارة سطح القلب وديناميكيات البوليمر المعقدة المرتبطة بها على مدى نطاق من مقاييس الوقت والطول. سيسمح القياس المباشر لرابطة الطبقة (أي عملية تشابك البوليمر) بتصور الآلية الكامنة وراء تماسك المواد السائبة دون معلومات أو افتراضات مسبقة.
لفهم التوزيع المكاني والزماني للترابط الطبقي ، يتم استخدام تقنية التصوير التي تحدد بشكل مباشر ديناميكيات البوليمرات التي تشكل الخيوط البلاستيكية في هذا العمل. تعتمد هذه التقنية ، تصوير البقع بالليزر (LSI) ، على تشتت الضوء التداخل لتصور الحركات النانوية ، بغض النظر عن التركيب الكيميائي. اعتمادا على الخصائص البصرية للعينة ، يمكنها قياس عدة ملليمترات إلى سنتيمترات بدقة في مواد غير شفافة10،11،12 ، على عكس التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، الذي يبلغ عن درجات حرارة السطح 8,9 فقط. جعلت هذه السمات مؤخرا الأساليب القائمة على البقع شائعة في فهم العمليات الديناميكية في عدد كبير من المواد ، على الرغم من أنها تم تطويرها في الأصل للتطبيقات الطبية10،11،12. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام LSI لاكتساب نظرة ثاقبة لسلوك المواد البوليمرية المتقدمة مثل شبكات البوليمر البلوري السائل ذاتية التنظيف 13,14 ، وكذلك للتنبؤ بالكسر في المطاط15 ولدراسة مواد الشفاء الذاتي16.
تم عرض جدوى تطبيق LSI على الطباعة ثلاثية الأبعاد في مقالة سابقة17 ، حيث تم تقديم إعداد LSI محمول مع إمكانات التحليل في الوقت الفعلي ، وتبين أن ترسب البلاستيك المصهور يؤدي إلى زيادة حركة البوليمر طبقات متعددة أسفل الطبقة الحالية. في الورقة المقدمة هنا ، يتم إجراء بحث منهجي في تأثيرات سرعة مروحة التبريد على درجة الترابط متعدد الطبقات. يتم استخدام نسخة محسنة للتوصيل والتشغيل من الأداة المحمولة التي يمكن تشغيلها من قبل المستخدمين دون بصريات أو خبرة في البرمجة. يتم تحليل صور البقع في الوقت الفعلي باستخدام تحويلات فورييه17 ، والتي تصور سعة تقلبات شدة البقع. يحتوي هذا الجهاز على كاميرا برايت فيلد إضافية تتماشى مع كاميرا البقع بحيث يمكن تراكب خرائط الحركة LSI مع صور برايت فيلد لتسهيل التفسير دون تأثير ضوء برايت فيلد على خرائط الحركة. يمكن استخدام النهج التجريبي المقدم في هذه المقالة لاكتساب مزيد من التبصر في ذوبان البلاستيك المبثوق وترابطه وتصلبه أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد للهندسة والمواد الصعبة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تظهر التجارب والنتائج الموضحة في هذا البحث أن LSI هي أداة سهلة التطبيق تسمح بفهم أعمق للترابط الطبقي أثناء التصنيع المضاف. يسمح LSI بالقياس المباشر لحركة البوليمر ، والتي يجب ضبطها بدقة لتشكيل مادة متماسكة عن طريق التداخل والتشابك اللاحق لسلاسل البوليمر. البديل الأكثر شيوعا لقياس الترابط الطبقي في الموقع هو التصوير بالأشعة تحت الحمراء3،4،5. تصور هذه الطريقة الراسخة درجة حرارة السطح المحلية للبلاستيك 8,9 ، وهو قياس غير مباشر لحركة البوليمر داخل المادة. مع البلاستيك الأكثر سخونة ، تكون الحركة أسرع ، ويصبح الترابط أقوى. ومع ذلك، فإن العلاقة بين درجة الحرارة والحركة ليست خطية، حيث تعبر درجات حرارة الطباعة درجات حرارة الذوبان والتزجج 6,7. يمكن ملاحظة هذه العلاقة غير التافهة مباشرة في صور LSI. على وجه التحديد ، هناك انتقال حاد بين المناطق العلوية الشبيهة بالسائل والمناطق السفلية الشبيهة بالمواد الصلبة ، في حين من المتوقع أن يكون تدرج درجة الحرارة أكثر تدرجا. عيب آخر في التصوير بالأشعة تحت الحمراء هو أنه يقيس درجة حرارة السطح فقط ، بينما يقيس LSI حركة البوليمر عادة بعمق عدة ملليمترات داخل المادة.
تماما كما هو الحال مع التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، فإن تنفيذ LSI هذا هو في الأساس طريقة توجيه وتصوير. يمكن استخدامه في الموقع إذا كان من الممكن توجيه الكاميرا إلى منطقة الاهتمام. يوفر الحامل ثلاثي القوائم متعدد الاستخدامات ومسافة العمل الطويلة التي تبلغ 0.7 متر حرية استخدام أي طابعة ثلاثية الأبعاد متوفرة. بشكل حاسم ، LSI حساس للحركات النانوية ، وبالتالي ، يجب تقليل الاهتزازات من المناطق المحيطة وعملية الطباعة نفسها17. على سبيل المثال ، سيؤدي أداء مهمة أخرى على نفس الطاولة أو إغلاق الباب إلى حدوث تداخل. لذلك ، ينبغي للمرء أن يتجول بعناية حول الإعداد ؛ ومع ذلك ، لا تتداخل أضواء الغرفة أو تدفق الهواء بشكل عام مع العملية.
يعطي LSI نظرة تفصيلية على عملية ربط الطبقة ويمكن تطبيقه بسهولة مثل التصوير بالأشعة تحت الحمراء. نحن نتصور أن LSI لديها إمكانات كبيرة في المساعدة على تطوير وفهم أساليب الطباعة 3D المتقدمة. يظهر مسح سرعة مروحة التبريد لمحة عما هو ممكن من خلال الجمع بين LSI والطباعة ثلاثية الأبعاد. كما تمت مناقشته في المقدمة ، فإن سرعة التبريد المثلى هي التوازن بين الحفاظ على البلاستيك المنصهر لفترة كافية لتحسين الترابط الطبقي ولكن تبريده بسرعة كافية لمنع التدفق. كانت نتائج سرعة مروحة التبريد 40٪ -100٪ متشابهة جدا ؛ في الواقع ، لم تظهر سرعات المروحة هذه أي تدفق وأنتجت جودة سطح جيدة. مع سرعة مروحة التبريد 0٪ ، بدأت المادة في التدفق بعيدا عن الموقع المطبوع ، ولكن لوحظ وجود رابطة طبقة واسعة في قياس LSI. بناء على نتائجنا ، يمكن أن تكون سرعة مروحة التبريد بنسبة 20٪ مثالية لتحقيق رابطة طبقة محسنة قليلا دون المساس بجودة السطح. ومع ذلك ، لاستخلاص استنتاجات يمكن تطبيقها في الممارسة العملية ، يجب تقييم سرعات مروحة تبريد أكبر بين 0٪ و 40٪. من المستحسن أيضا وضع مقاييس كمية لجودة السطح وقوة المواد للحصول على رؤية موضوعية وكاملة لتأثيرات حركة البوليمر على الخصائص المطلوبة. مع هذه الإضافة ، يمكن جعل النهج أكثر قوة لتقييم تقدم الطباعة الإبداعية 3D.
الإعدادات الدقيقة التي يتم اختيارها لتحليل LSI ليست عرضة للأخطاء الفادحة طالما يمكن تمييز مراحل البلاستيك الشبيهة بالسائل والبلاستيك الشبيه بالصلب بوضوح. تتغير حركة البوليمر بشكل كبير عند عبور درجات حرارة الذوبان والتزجج، لذا فإن مجموعة كبيرة من إعدادات LSI تلتقط التباين جيدا. يمكن اختبار ذلك بسهولة من خلال اختبار طباعة كائن مباشر (على سبيل المثال ، جدار مستقيم) باستخدام إعدادات طابعة 3D الموصى بها من قبل مورد المواد. بالنسبة لمستخدمي LSI الأكثر تقدما، يمكن أن يؤدي التعمق في نطاق التردد إلى الحصول على معلومات إضافية، حيث يمكن تمييز أنواع مختلفة من حركة البوليمر كميا. على سبيل المثال ، ترتبط حركة البوليمر عالية التردد بأعلى درجات الحرارة ، والتي لا توجد إلا بالقرب من رأس الطابعة. ترتبط حركة البوليمر منخفضة التردد بدرجات حرارة معتدلة ، والتي توجد في منطقة أكبر بكثير حول رأس الطابعة وأيضا لفترة أطولبكثير 17. يجب فحص ما إذا كانت درجة الترابط لحركة البوليمر التراكمية منخفضة التردد يمكن أن تكون مساوية لتلك مع الحركة القصيرة عالية التردد (على سبيل المثال ، مع التحليل الميكانيكي الديناميكي). يتم اختيار معظم الإعدادات الأخرى ، مثل مقياس خريطة الألوان ، وعائد الاستثمار ، والفاصل الزمني للتوفير ، وطول التجربة ، فقط لإعطاء نتيجة واضحة وجذابة بصريا. فيما يتعلق بإعدادات الطباعة 3D ، هناك أيضا الكثير من الحرية ، حيث يسمح LSI للمستخدم بتقييم نتائج تغيير أي من الإعدادات بشكل موضوعي. والجدير بالذكر أن تغيير سرعة الطباعة بشكل جذري يغير تفسير بيانات LSI. في هذا العمل ، تم استخدام سرعة طباعة وانتقال بطيئة تبلغ 10 مم / ثانية من أجل التقاط صور LSI متعددة أثناء مرور واحد لرأس الطابعة. إذا تم استخدام سرعة طباعة أكثر شيوعا تبلغ 60 مم / ثانية ل PLA ، فستتم طباعة طبقة كاملة واحدة تقريبا لكل صورة LSI ، وبالتالي ، سيحدث متوسط داخل طبقة واحدة. في حالة تجربة سرعات عالية مثل 300 مم / ثانية وأسرع ، سيحدث متوسط على طبقات متعددة. ومع ذلك، يعتمد هذا تماما على هندسة الطباعة الدقيقة وإعدادات LSI ويمكن تخفيفه بسهولة بواسطة مستخدم LSI ذي خبرة من خلال التصميم المتقدم للجهاز، أو ضبط حجم مجال الرؤية، أو استخدام كاميرا أسرع. يتطلب كلا النهجين ليزرا أكثر قوة ، والذي يتطلب ، بالاقتران مع رأس الطابعة العاكس ، احتياطات أمان ليزر إضافية. كما أن سرعة الطباعة البطيئة نسبيا لها تأثير إيجابي على الترابط الطبقي ، حيث ثبت سابقا أن انتقال الحرارة إلى البلاستيك يزداد مع سرعات طباعة أبطأ5.
ويتمثل أحد الاتجاهات الجديدة الممكنة لهذا النهج في اختبار المواد الجديدة؛ على سبيل المثال ، يمكن استخدام LSI لتصور الانتقالات ذات الصلة وتحديد إعدادات الطابعة الموصى بها بشكل موضوعي والتي توفر منطقة لحام من خمس طبقات عند تطبيق الطبقة العليا. يمكن أن يكون التطبيق الآخر هو دراسة منطقة اللحام في مواقف محددة حيث لا تكون جودة الطباعة جيدة بشكل موثوق ، مثل الجسور أو الأجزاء المتدلية أو الزوايا الحادة. إذا كان من الممكن فهم منطقة اللحام في المواقف الصعبة بشكل أفضل ، فيجب أن يكون من الممكن التعويض في رمز G. من الممارسات الشائعة بالفعل طباعة الطبقة الأولى أكثر سخونة وأبطأ من بقية الطبقات لتحقيق التصاق جيد بلوحة البناء18. نتصور استخدام تشريح G-code ديناميكي مماثل حيث ، على سبيل المثال ، يمكن ضبط تبريد المروحة لإنتاج زوايا أو جسور. يجب أن يكون من الممكن أيضا طباعة مادة الجدار الخارجي بتشطيب أكثر سلاسة وبقية المواد والحشو أكثر خشونة ولكن أقوى لزيادة قوة المواد والمظهر المرئي.
ناقشت هذه المقالة تطبيق LSI لدراسة عملية ربط الطبقة بعد بثق البلاستيك. هذه التقنية ممتازة لهذه المهمة ، حيث يمكنها تصور حركة البوليمر الأساسية دون افتراضات مسبقة في الوقت الفعلي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، فإنه لا يعطي أي معلومات عن تماسك المواد ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى اختبارات إضافية. العيوب الأخرى التي نوقشت هي الظرفية. يمكن زيادة سرعة التصوير المحدودة لأربع صور LSI في الثانية باستخدام ليزر أكبر وتدابير أمان ليزر إضافية ، وتتطلب حساسية الاهتزاز احتياطات أو أجهزة تقليل الاهتزاز. يمكن إجراء LSI باستخدام الكاميرات الرقمية الرخيصة والصغيرة والليزر 19,20 ، مما يسمح بالاندماج في كل طابعة ثلاثية الأبعاد تقريبا لمراقبة الجودة الحية والضبط الديناميكي لمعلمات الطباعة. ومع ذلك ، فمن المنطقي استخدام LSI لتطوير معرفة شاملة بالترابط الطبقي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. إذا تم استخدام هذا الفهم لتطوير برامج تشريح أكثر تقدما ، يمكن لكل طابعة 3D للمستهلك الاستفادة من المعرفة المكتسبة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ولم يتلق صاحبا البلاغ أي تمويل خارجي.
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).
