Med en ikke-invasiv og realtidsteknik afbildes nanoskopisk polymerbevægelse inde i et polymerfilament under 3D-udskrivning. Finjustering af denne bevægelse er afgørende for at producere konstruktioner med optimal ydeevne og udseende. Denne metode når kernen i plastlagsfusion og giver dermed indsigt i optimale trykforhold og materialedesignkriterier.
I nyere tid har 3D-printteknologi revolutioneret vores evne til at designe og producere produkter, men optimering af printkvaliteten kan være udfordrende. Processen med ekstrudering 3D-udskrivning involverer tryk på smeltet materiale gennem en tynd dyse og deponering af det på tidligere ekstruderet materiale. Denne metode er afhængig af binding mellem de på hinanden følgende lag for at skabe et stærkt og visuelt tiltalende slutprodukt. Dette er ikke nogen nem opgave, da mange parametre, såsom dysetemperatur, lagtykkelse og udskrivningshastighed, skal finjusteres for at opnå optimale resultater. I denne undersøgelse præsenteres en metode til visualisering af polymerdynamikken under ekstrudering, hvilket giver indsigt i lagbindingsprocessen. Ved hjælp af laserspeckle-billeddannelse kan plaststrømmen og fusionen løses ikke-invasivt, internt og med høj rumlig tidsmæssig opløsning. Denne måling, som er let at udføre, giver en dybdegående forståelse af den underliggende mekanik, der påvirker den endelige udskriftskvalitet. Denne metode blev testet med en række køleblæserhastigheder, og resultaterne viste øget polymerbevægelse med lavere blæserhastigheder og forklarede således den dårlige udskriftskvalitet, når køleventilatoren blev slukket. Disse resultater viser, at denne metode giver mulighed for at optimere udskrivningsindstillingerne og forstå materialets adfærd. Disse oplysninger kan bruges til udvikling og afprøvning af nye trykmaterialer eller avancerede udskæringsprocedurer. Med denne tilgang kan en dybere forståelse af ekstrudering bygges for at tage 3D-udskrivning til det næste niveau.
Metoden til 3D-udskrivning er en additiv fremstillingsteknik, hvor et objekt fremstilles lag for lag for at danne den ønskede form. Denne metode har en stor og forskelligartet brugerbase takket være dens alsidighed, overkommelige pris og brugervenlighed. Smeltet aflejringsmodellering har en bevægelig ekstruder (med en diameter på hundreder af mikron til et par millimeter) for at deponere smeltet plast i den ønskede form1. Den ekstruderede plast skal opføre sig på en væskelignende måde i en vis varighed for at opnå god fusion med den tidligere trykte plast og danne et stærkt sammenhængende materiale. Plasten skal dog køle ned og størkne hurtigt efter udskrivning for at forhindre, at plasten flyder væk fra udskriftsstedet og reducerer udskriftskvaliteten. Dette delikate samspil mellem opvarmning og køling har vist sig direkte at understøtte balancen mellem den mekaniske styrke og den geometriske nøjagtighed af det endelige 3D-printede objekt2. For at opnå den optimale varme-kølebalance ekstruderes plasten ved en temperatur lige over dens smeltetemperatur, og et blæserhoved, der er fastgjort til printeren, bruges til hurtigt at køle plasten ned. En dybdegående forståelse af virkningerne af udskrivningstemperaturer og kølehastigheder kan give den indsigt, der kræves for at udvikle avancerede udskærings- og udskrivningsprotokoller, der maksimerer de mekaniske eller geometriske resultater på de områder, hvor de er vigtigst. Bestræbelser på at få mere indsigt i disse processer er ofte afhængige af infrarød (IR) billeddannelse, som kun visualiserer overfladetemperaturen 3,4,5 og ikke angiver plastens indre temperatur. Lokal opvarmning ud over smelteovergangen øger polymermobiliteten drastisk og tillader således polymersammenfiltring mellem det gamle og det nye materiale. Denne tidsmæssigt forbedrede polymerbevægelse er et krav til dannelsen af det endelige sammenhængende materiale 6,7, men IR-billeddannelse kan kun måle polymerbevægelse indirekte gennem overfladetemperaturen 8,9. Oversættelse af overfladetemperaturen til lagbinding kræver således præcis viden om kerne-overfladetemperaturgradienten og den tilhørende komplekse polymerdynamik over et interval af tids- og længdeskalaer. En direkte måling af lagbindingen (dvs. polymersammenfiltringsprocessen) ville muliggøre visualisering af mekanismen bag bulkmaterialesamhørighed uden forudgående information eller antagelser.
For at få en forståelse af den rumlige og tidsmæssige fordeling af lagbinding anvendes en billeddannelsesteknik, der direkte kvantificerer dynamikken i polymererne, der udgør plastfilamentet, i dette arbejde. Denne teknik, laser speckle imaging (LSI), er afhængig af interferometrisk lysspredning for at visualisere nanoskopiske bevægelser, uafhængigt af den kemiske sammensætning. Afhængigt af prøvens optiske egenskaber kan den nøjagtigt måle flere millimeter til centimeter i ikke-gennemsigtige materialer10,11,12, i modsætning til IR-billeddannelse, der kun rapporterer overfladetemperaturer 8,9. Disse egenskaber har for nylig gjort speckle-baserede metoder populære til forståelse af dynamiske processer i en overflod af materialer, selvom de oprindeligt blev udviklet til medicinske applikationer10,11,12. For nylig er LSI blevet brugt til at få indsigt i adfærden af avancerede polymere materialer såsom selvrensende flydende krystalpolymernetværk 13,14 samt til at forudsige brud i gummi15 og til at studere selvhelende materialer16.
Muligheden for at anvende LSI til 3D-print blev fremvist i en tidligere artikel17, hvor en bærbar LSI-opsætning med realtidsanalysefunktioner blev præsenteret, og det blev vist, at aflejring af smeltet plast resulterer i øget polymerbevægelse flere lag under det aktuelle lag. I papiret, der præsenteres her, udføres systematisk forskning i virkningerne af køleventilatorhastigheden på graden af flerlagsbinding. Der anvendes en forbedret plug-and-play-version af det bærbare instrument, der kan betjenes af brugere uden optik eller programmeringsekspertise. Speckle-billederne analyseres i realtid ved hjælp af Fourier-transformationer17, som visualiserer amplituden af speckleintensitetsudsvingene. Dette instrument har et ekstra brightfield-kamera, der er justeret med speckle-kameraet, så LSI-bevægelseskortene kan overlejres med brightfield-billederne for lettere fortolkning, uden at brightfield-lyset påvirker bevægelseskortene. Den eksperimentelle tilgang, der præsenteres i denne artikel, kan bruges til at få mere indsigt i smeltning, lagbinding og størkning af ekstruderet plast under 3D-udskrivning af udfordrende geometrier og materialer.
Eksperimenterne og resultaterne beskrevet i denne forskning viser, at LSI er et let anvendeligt værktøj, der giver mulighed for en dybere forståelse af lagbinding under additiv fremstilling. LSI muliggør direkte måling af polymerbevægelsen, som skal finjusteres til dannelse af et sammenhængende materiale ved interpenetration og efterfølgende sammenfiltring af polymerkæderne. Det mest almindelige alternativ til måling af lagbinding in situ er infrarød billeddannelse 3,4,5. Denne veletablerede metode afbilder den lokale overfladetemperatur på plast8,9, som er en indirekte måling af polymerbevægelsen inde i materialet. Med varmere plast er bevægelsen hurtigere, og bindingen bliver stærkere. Forholdet mellem temperatur og bevægelse er dog ikke lineært, da tryktemperaturerne krydser smelte- og glasovergangstemperaturerne 6,7. Dette ikke-trivielle forhold kan observeres direkte i LSI-billederne; Specifikt er der en skarp overgang mellem den væskelignende top og de faststoflignende bundområder, mens temperaturgradienten forventes at være langt mere gradvis. En anden ulempe ved IR-billeddannelse er, at den kun måler overfladetemperaturen, mens LSI måler polymerbevægelse typisk flere millimeter dybt inde i materialet.
Ligesom med IR-billeddannelse er denne implementering af LSI i det væsentlige en peg-og-skyd-metode; Det kan bruges in situ , hvis kameraet kan peges på det interessante område. Det alsidige stativ og den lange arbejdsafstand på 0,7 m giver friheden til at bruge enhver tilgængelig 3D-printer. Det afgørende er, at LSI er følsom over for nanoskopiske bevægelser, og derfor skal vibrationer fra omgivelserne og selve trykprocessen minimeres17. For eksempel vil udførelse af en anden opgave på samme bord eller smække en dør forårsage interferens. Derfor bør man omhyggeligt gå rundt i opsætningen; Imidlertid forstyrrer rumlys eller luftstrøm generelt ikke processen.
LSI giver detaljeret indsigt i lagbindingsprocessen og kan anvendes lige så let som IR-billeddannelse. Vi forestiller os, at LSI har et stort potentiale i at hjælpe med udviklingen og forståelsen af avancerede 3D-printmetoder. Køleblæserhastighedsfejningen viser et glimt af, hvad der er muligt ved at kombinere LSI med 3D-print. Som diskuteret i indledningen er den optimale kølehastighed en balance mellem at holde plasten smeltet længe nok til at forbedre lagbindingen, men afkøle den hurtigt nok til at forhindre strømning. Resultaterne med 40% -100% køleblæserhastighed var meget ens; Faktisk viste disse blæserhastigheder ikke noget flow og producerede en god overfladekvalitet. Med 0% køleblæserhastighed begyndte materialet at strømme væk fra det trykte sted, men rigelig lagbinding blev observeret i LSI-målingen. Baseret på vores resultater kunne køleblæserhastigheden på 20 % være optimal til at opnå lidt forbedret lagbinding uden at gå på kompromis med overfladekvaliteten. For at drage konklusioner, der kan anvendes i praksis, skal der dog vurderes flere køleventilatorhastigheder mellem 0% og 40%. Det er også ønskeligt at etablere kvantitative mål for overfladekvalitet og materialestyrke for at få et objektivt og fuldstændigt billede af virkningerne af polymerbevægelse på de ønskede egenskaber. Med denne tilføjelse kan tilgangen gøres mere kraftfuld til evaluering af kreative fremskridt inden for 3D-udskrivning.
De nøjagtige indstillinger, der vælges til LSI-analysen, er ikke tilbøjelige til kritiske fejl, så længe væskelignende plast og faststoflignende plastfaser kan skelnes tydeligt. Polymerbevægelsen ændres dramatisk, når den krydser smelte- og glasovergangstemperaturerne, så en bred vifte af LSI-indstillinger fanger kontrasten godt. Dette kan nemt testes med et testprint af en enkel genstand (f.eks. en lige væg) med de 3D-printerindstillinger, der anbefales af materialeleverandøren. For mere avancerede LSI-brugere kan dybere ned i frekvensområdet give ekstra information, da forskellige typer polymerbevægelse kan skelnes kvantitativt. For eksempel er højfrekvent polymerbevægelse forbundet med de højeste temperaturer, som kun er til stede tæt på printerhovedet. Lavfrekvent polymerbevægelse er forbundet med moderate temperaturer, som er til stede i et meget større område omkring printerhovedet og også i meget længere tid17. Hvorvidt graden af binding for kumulativ lavfrekvent polymerbevægelse kan være lig med den med kort, højfrekvent bevægelse (f.eks. med dynamisk mekanisk analyse) skal undersøges. De fleste andre indstillinger, f.eks. skalering af farvekort, investeringsafkast, lagringsinterval og eksperimentlængde, vælges udelukkende for at give et visuelt klart og tiltalende resultat. Med hensyn til 3D-udskrivningsindstillingerne er der også meget frihed, da LSI giver brugeren mulighed for objektivt at vurdere resultaterne af at ændre nogen af indstillingerne. Især drastisk ændring af udskrivningshastigheden ændrer fortolkningen af LSI-dataene. I dette arbejde blev der brugt en langsom udskrivnings- og kørehastighed på 10 mm/s til at tage flere LSI-billeder under en passage af printerhovedet. Hvis der blev anvendt en mere almindelig udskrivningshastighed på 60 mm/s for PLA, ville der blive udskrevet ca. et helt lag pr. LSI-billede, og der ville således forekomme et gennemsnit inden for et lag. Hvis der eksperimenteres med avancerede hastigheder som 300 mm / s og hurtigere, ville der forekomme gennemsnit over flere lag. Ikke desto mindre er dette helt afhængigt af den nøjagtige udskriftsgeometri og LSI-indstillinger og kan let afhjælpes af en erfaren LSI-bruger gennem avanceret maskindesign, justering af synsfeltets størrelse eller brug af et hurtigere kamera. Begge tilgange kræver en kraftigere laser, som i kombination med det reflekterende printerhoved kræver yderligere lasersikkerhedsforanstaltninger. Den relativt langsomme trykhastighed har også en positiv indflydelse på lagbindingen, da det tidligere er bevist, at varmeoverførslen til plasten øges med langsommere trykhastigheder5.
En mulig ny retning for denne tilgang er afprøvning af nye materialer; for eksempel kan LSI bruges til at visualisere de relevante overgange og objektivt kvantificere de anbefalede printerindstillinger, der giver en femlags svejsezone ved påføring af det øverste lag. En anden anvendelse kunne være at undersøge svejsezonen i specifikke situationer, hvor udskriftskvaliteten ikke er pålidelig god, f.eks. til broer, udhæng eller skarpe hjørner. Hvis svejsezonen i vanskelige situationer bedre kan forstås, skal det være muligt at kompensere i G-koden. Det er allerede almindelig praksis at udskrive det første lag varmere og langsommere end resten af lagene for at opnå god vedhæftning til byggepladen18. Vi forestiller os brugen af lignende dynamisk G-kodeudskæring, hvor f.eks. ventilatorkølingen kan justeres til at producere hjørner eller broer. Det skal også være muligt at udskrive ydervægsmaterialet med en glattere finish og resten af materialet og fyldet grovere, men stærkere for at maksimere både materialets styrke og visuelle udseende.
Denne artikel har diskuteret anvendelsen af LSI til at studere lagbindingsprocessen efter plastekstrudering. Teknikken er fremragende til denne opgave, da den kan visualisere den underliggende polymerbevægelse uden forudgående antagelser i realtid under 3D-print. Det giver dog ingen oplysninger om materialets samhørighed, så yderligere test vil være påkrævet. De andre ulemper, der diskuteres, er situationsbestemte; den begrænsede billedhastighed på fire LSI-billeder pr. sekund kan øges med en større laser og yderligere lasersikkerhedsforanstaltninger, og vibrationsfølsomheden kræver forholdsregler eller vibrationsreducerende hardware. LSI kan udføres med billige og små digitale kameraer og lasere19,20, hvilket giver mulighed for integration i stort set alle 3D-printere til live kvalitetskontrol og dynamisk tuning af udskrivningsparametrene. Det giver dog mere mening at anvende LSI til at udvikle grundig viden om lagbinding under 3D-print. Hvis denne forståelse bruges til at udvikle mere avanceret udskæringssoftware, kan enhver forbruger 3D-printer drage fordel af den opnåede viden.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne modtog ingen ekstern finansiering.
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 |