Real-time beeldvorming van verlijming in 3D-geprinte lagen
Summary
Met een niet-invasieve en real-time techniek wordt nanoscopische polymeerbeweging in een polymeerfilament in beeld gebracht tijdens 3D-printen. Het finetunen van deze beweging is cruciaal voor het produceren van constructies met optimale prestaties en uiterlijk. Deze methode bereikt de kern van kunststoflaagfusie en biedt zo inzicht in optimale printomstandigheden en materiaalontwerpcriteria.
Abstract
In de afgelopen tijd heeft 3D-printtechnologie een revolutie teweeggebracht in ons vermogen om producten te ontwerpen en te produceren, maar het optimaliseren van de afdrukkwaliteit kan een uitdaging zijn. Het proces van extrusie 3D-printen omvat het onder druk zetten van gesmolten materiaal door een dun mondstuk en het deponeren op eerder geëxtrudeerd materiaal. Deze methode is gebaseerd op verlijming tussen de opeenvolgende lagen om een sterk en visueel aantrekkelijk eindproduct te creëren. Dit is geen gemakkelijke taak, omdat veel parameters, zoals de temperatuur van het mondstuk, de laagdikte en de afdruksnelheid, moeten worden afgestemd om optimale resultaten te bereiken. In deze studie wordt een methode gepresenteerd om de polymeerdynamica tijdens extrusie te visualiseren, die inzicht geeft in het laagbindingsproces. Met behulp van laserspikkelbeeldvorming kunnen de plastic stroom en fusie niet-invasief, intern en met een hoge spatiotemporale resolutie worden opgelost. Deze meting, die eenvoudig uit te voeren is, biedt een diepgaand inzicht in de onderliggende mechanica die van invloed is op de uiteindelijke afdrukkwaliteit. Deze methode werd getest met een reeks koelventilatorsnelheden en de resultaten toonden een verhoogde polymeerbeweging met lagere ventilatorsnelheden en verklaarden dus de slechte afdrukkwaliteit wanneer de koelventilator werd uitgeschakeld. Deze bevindingen tonen aan dat deze methodologie het mogelijk maakt om de afdrukinstellingen te optimaliseren en het materiaalgedrag te begrijpen. Deze informatie kan worden gebruikt voor de ontwikkeling en het testen van nieuwe drukmaterialen of geavanceerde snijprocedures. Met deze aanpak kan een dieper begrip van extrusie worden opgebouwd om 3D-printen naar een hoger niveau te tillen.
Introduction
De methode van 3D-printen is een additieve productietechniek waarbij een object laag voor laag wordt vervaardigd om de gewenste vorm te vormen. Deze methode heeft een groot en divers gebruikersbestand dankzij de veelzijdigheid, betaalbaarheid en gebruiksgemak. Fused deposition modeling bestaat uit een bewegende extruder (met een diameter van honderden microns tot een paar millimeter) om gesmolten plastic in de gewenste vorm te deponeren1. De geëxtrudeerde kunststof moet zich gedurende een bepaalde tijd op een vloeistofachtige manier gedragen om een goede fusie met het eerder geprinte plastic te bereiken en een sterk samenhangend materiaal te vormen. Het plastic moet echter snel afkoelen en stollen na het afdrukken om te voorkomen dat het plastic wegstroomt van de afdruklocatie en de afdrukkwaliteit vermindert. Van dit delicate samenspel tussen verwarming en koeling is aangetoond dat het de balans tussen de mechanische sterkte en de geometrische nauwkeurigheid van het uiteindelijke 3D-geprinte object2 direct ondersteunt. Om de optimale verwarmings-koelbalans te bereiken, wordt het plastic geëxtrudeerd bij een temperatuur net boven de smelttemperatuur en wordt een ventilatorkop, bevestigd aan de printer, gebruikt om het plastic snel af te koelen. Een diepgaand inzicht in de effecten van afdruktemperaturen en koelsnelheden kan de inzichten bieden die nodig zijn voor het ontwikkelen van geavanceerde snij- en afdrukprotocollen die de mechanische of geometrische resultaten maximaliseren in de gebieden waar ze het belangrijkst zijn. Pogingen om meer inzicht te krijgen in deze processen zijn vaak gebaseerd op infrarood (IR) beeldvorming, die alleen de oppervlaktetemperatuur 3,4,5 visualiseert en niet de binnentemperatuur van het plastic aangeeft. Lokale verwarming na de smeltovergang verhoogt de polymeermobiliteit drastisch en maakt zo polymeerverstrengeling tussen het oude en nieuwe materiaal mogelijk. Deze tijdelijk verbeterde polymeerbeweging is een vereiste voor de vorming van het uiteindelijke cohesieve materiaal6,7, maar IR-beeldvorming kan alleen de polymeerbeweging indirect meten via de oppervlaktetemperatuur 8,9. Het vertalen van de oppervlaktetemperatuur naar laagbinding vereist dus nauwkeurige kennis van de kern-oppervlaktetemperatuurgradiënt en de bijbehorende complexe polymeerdynamiek over een reeks tijd- en lengteschalen. Een directe meting van de laagbinding (d.w.z. het polymeerverstrengelingsproces) zou de visualisatie van het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de cohesie van bulkmateriaal mogelijk maken zonder a priori informatie of aannames.
Om inzicht te krijgen in de ruimtelijke en temporele verdeling van laagbinding, wordt in dit werk een beeldvormingstechniek gebruikt die de dynamiek van de polymeren waaruit het plastic filament bestaat direct kwantificeert. Deze techniek, laser speckle imaging (LSI), vertrouwt op interferometrische lichtverstrooiing om nanoscopische bewegingen te visualiseren, onafhankelijk van de chemische samenstelling. Afhankelijk van de optische eigenschappen van het monster, kan het nauwkeurig enkele millimeters tot centimeters meten in niet-transparante materialen10,11,12, in tegenstelling tot IR-beeldvorming, die alleen oppervlaktetemperaturen 8,9 rapporteert. Deze attributen hebben onlangs op spikkels gebaseerde methoden populair gemaakt bij het begrijpen van dynamische processen in een overvloed aan materialen, hoewel ze oorspronkelijk werden ontwikkeld voor medische toepassingen10,11,12. Onlangs is LSI gebruikt om inzicht te krijgen in het gedrag van geavanceerde polymere materialen zoals zelfreinigende vloeibare kristalpolymeernetwerken 13,14, evenals voor het voorspellen van breuken in rubber15 en voor het bestuderen van zelfherstellende materialen16.
De haalbaarheid van het toepassen van LSI op 3D-printen werd getoond in een eerder artikel17, waar een draagbare LSI-opstelling met real-time analysemogelijkheden werd gepresenteerd, en het werd aangetoond dat de afzetting van gesmolten plastic resulteert in verhoogde polymeerbeweging meerdere lagen onder de huidige laag. In het hier gepresenteerde artikel wordt systematisch onderzoek gedaan naar de effecten van de koelventilatorsnelheid op de mate van meerlaagse hechting. Er wordt een verbeterde plug-and-play-versie van het draagbare instrument gebruikt die door gebruikers kan worden bediend zonder optica of programmeerexpertise. De spikkelbeelden worden in realtime geanalyseerd met behulp van Fourier-transformaties17, die de amplitude van de spikkelintensiteitsfluctuaties visualiseren. Dit instrument heeft een extra brightfield-camera die is uitgelijnd met de spikkelcamera, zodat de LSI-bewegingskaarten kunnen worden bedekt met de brightfield-afbeeldingen voor eenvoudigere interpretatie zonder dat het brightfield-licht de bewegingskaarten beïnvloedt. De experimentele aanpak die in dit artikel wordt gepresenteerd, kan worden gebruikt om meer inzicht te krijgen in het smelten, laagverlijmen en stollen van geëxtrudeerd plastic tijdens het 3D-printen van uitdagende geometrieën en materialen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De experimenten en resultaten die in dit onderzoek worden beschreven, tonen aan dat LSI een gemakkelijk toe te passen hulpmiddel is dat een dieper begrip van laagbinding tijdens additieve productie mogelijk maakt. LSI maakt de directe meting van de polymeerbeweging mogelijk, die nauwkeurig moet worden afgestemd om een coherent materiaal te vormen door de interpenetratie en daaropvolgende verstrengeling van de polymeerketens. Het meest voorkomende alternatief voor het meten van laagbinding in situ is infraroodbeeldvorming 3,4,5. Deze beproefde methode brengt de lokale oppervlaktetemperatuur van de kunststof8,9 in beeld, wat een indirecte meting is van de polymeerbeweging in het materiaal. Bij heter plastic is de beweging sneller en wordt de hechting sterker. De relatie tussen temperatuur en beweging is echter niet lineair, omdat de printtemperaturen de smelt- en glasovergangstemperaturen 6,7 overschrijden. Deze niet-triviale relatie kan direct worden waargenomen in de LSI-afbeeldingen; In het bijzonder is er een scherpe overgang tussen de vloeistofachtige bovenste en de vaste stofachtige ondergebieden, terwijl de temperatuurgradiënt naar verwachting veel geleidelijker zal zijn. Een ander nadeel van IR-beeldvorming is dat het alleen de oppervlaktetemperatuur meet, terwijl LSI de polymeerbeweging meet, meestal enkele millimeters diep in het materiaal.
Net als bij IR-beeldvorming is deze implementatie van LSI in wezen een point-and-shoot-methode; Het kan ter plaatse worden gebruikt als de camera op het betreffende gebied kan worden gericht. Het veelzijdige statief en de lange werkafstand van 0,7 m geven de vrijheid om elke beschikbare 3D-printer te gebruiken. Cruciaal is dat LSI gevoelig is voor nanoscopische bewegingen, en dus moeten trillingen uit de omgeving en het printproces zelf worden geminimaliseerd17. Als u bijvoorbeeld een andere taak op dezelfde tafel uitvoert of een deur dichtslaat, wordt er interferentie veroorzaakt. Daarom moet men voorzichtig rond de opstelling lopen; kamerverlichting of luchtstroom interfereren echter over het algemeen niet met het proces.
LSI geeft gedetailleerd inzicht in het laagbindingsproces en kan net zo eenvoudig worden toegepast als IR-beeldvorming. We stellen ons voor dat LSI een groot potentieel heeft bij het helpen ontwikkelen en begrijpen van geavanceerde 3D-printmethoden. De cooling fan speed sweep laat een glimp zien van wat er mogelijk is door LSI te combineren met 3D-printen. Zoals besproken in de inleiding, is de optimale koelsnelheid een balans tussen het lang genoeg gesmolten houden van het plastic om de laaghechting te verbeteren, maar het snel genoeg afkoelen om stroming te voorkomen. De 40% -100% koelventilatorsnelheidsresultaten waren zeer vergelijkbaar; Deze ventilatorsnelheden vertoonden inderdaad geen stroming en produceerden een goede oppervlaktekwaliteit. Met de 0% koelventilatorsnelheid begon het materiaal weg te stromen van de geprinte locatie, maar er werd voldoende laagbinding waargenomen in de LSI-meting. Op basis van onze resultaten zou de 20% koelventilatorsnelheid optimaal kunnen zijn voor het bereiken van een licht verbeterde laaghechting zonder afbreuk te doen aan de oppervlaktekwaliteit. Om echter conclusies te trekken die in de praktijk kunnen worden toegepast, moeten meer koelventilatorsnelheden tussen 0% en 40% worden beoordeeld. Het is ook wenselijk om kwantitatieve metingen vast te stellen voor de oppervlaktekwaliteit en materiaalsterkte om een objectief en volledig beeld te krijgen van de effecten van polymeerbeweging op de gewenste eigenschappen. Met deze toevoeging kan de aanpak krachtiger worden gemaakt voor het evalueren van creatieve 3D-printvooruitgang.
De exacte instellingen die voor de LSI-analyse worden gekozen, zijn niet gevoelig voor kritieke fouten, zolang vloeistofachtige plastic en vaste, vaste, plastic fasen duidelijk kunnen worden onderscheiden. De polymeerbeweging verandert drastisch bij het overschrijden van de smelt- en glasovergangstemperaturen, dus een breed scala aan LSI-instellingen legt het contrast goed vast. Dit kan eenvoudig worden getest met een testafdruk van een eenvoudig object (bijvoorbeeld een rechte muur) met de 3D-printerinstellingen die worden aanbevolen door de materiaalleverancier. Voor meer gevorderde LSI-gebruikers kan dieper graven in het frequentiebereik extra informatie opleveren, omdat verschillende soorten polymeerbewegingen kwantitatief kunnen worden onderscheiden. Hoogfrequente polymeerbeweging wordt bijvoorbeeld geassocieerd met de hoogste temperaturen, die alleen dicht bij de printerkop aanwezig zijn. Lagerfrequente polymeerbeweging wordt geassocieerd met gematigde temperaturen, die aanwezig zijn in een veel groter gebied rond de printerkop en ook voor een veel langere tijd17. Of de mate van binding voor cumulatieve laagfrequente polymeerbeweging gelijk kan zijn aan die bij korte, hoogfrequente beweging (bijvoorbeeld met dynamische mechanische analyse) moet worden onderzocht. De meeste andere instellingen, zoals de colormap-schaling, ROI, het opslaginterval en de lengte van het experiment, zijn uitsluitend gekozen om een visueel duidelijk en aantrekkelijk resultaat te geven. Met betrekking tot de 3D-printinstellingen is er ook veel vrijheid, omdat LSI de gebruiker in staat stelt om objectief de resultaten van het wijzigen van een van de instellingen te beoordelen. Met name het drastisch veranderen van de afdruksnelheid verandert de interpretatie van de LSI-gegevens. In dit werk werd een langzame afdruk- en reissnelheid van 10 mm/s gebruikt om meerdere LSI-afbeeldingen vast te leggen tijdens één passage van de printerkop. Als een meer gebruikelijke afdruksnelheid van 60 mm /s voor PLA zou worden gebruikt, zou ongeveer één volledige laag per LSI-afbeelding worden afgedrukt en zou er dus een gemiddelde binnen één laag optreden. Bij het experimenteren met high-end snelheden zoals 300 mm/s en sneller, zou er een gemiddelde over meerdere lagen optreden. Dit is echter volledig afhankelijk van de exacte afdrukgeometrie en LSI-instellingen en kan gemakkelijk worden verzacht door een ervaren LSI-gebruiker door middel van geavanceerd machineontwerp, het aanpassen van de grootte van het gezichtsveld of het gebruik van een snellere camera. Beide benaderingen vereisen een krachtigere laser, die in combinatie met de reflecterende printerkop extra laserveiligheidsmaatregelen vereist. De relatief lage printsnelheid heeft ook een positieve invloed op de laagverlijming, omdat eerder is bewezen dat de warmteoverdracht naar het plastic toeneemt bij lagere printsnelheden5.
Een mogelijke nieuwe richting voor deze aanpak is het testen van nieuwe materialen; LSI kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de relevante overgangen te visualiseren en objectief de aanbevolen printerinstellingen te kwantificeren die een laszone met vijf lagen geven bij het aanbrengen van de toplaag. Een andere toepassing kan zijn om de laszone te bestuderen in specifieke situaties waarin de afdrukkwaliteit niet betrouwbaar goed is, zoals voor bruggen, overhangen of scherpe hoeken. Als de laszone in moeilijke situaties beter kan worden begrepen, moet het mogelijk zijn om te compenseren in de G-code. Het is al gebruikelijk om de eerste laag heter en langzamer te printen dan de rest van de lagen om een goede hechting op de bouwplaat18 te bereiken. We denken aan het gebruik van vergelijkbare dynamische G-code slicing waarbij bijvoorbeeld de ventilatorkoeling kan worden aangepast om hoeken of bruggen te produceren. Het moet ook mogelijk zijn om het buitenwandmateriaal te printen met een gladdere afwerking en de rest van het materiaal en de vulling ruwer maar sterker om zowel de materiaalsterkte als het visuele uiterlijk te maximaliseren.
Dit artikel heeft de toepassing van LSI besproken om het laagbindingsproces na plastic extrusie te bestuderen. De techniek is uitstekend geschikt voor deze taak, omdat het de onderliggende polymeerbeweging kan visualiseren zonder a priori aannames in realtime tijdens 3D-printen. Het geeft echter geen informatie over de materiaalsamenhang, dus aanvullende tests zullen nodig zijn. De andere besproken nadelen zijn situationeel; de beperkte beeldsnelheid van vier LSI-beelden per seconde kan worden verhoogd met een grotere laser en extra laserveiligheidsmaatregelen, en de trillingsgevoeligheid vereist voorzorgsmaatregelen of trillingsreductiehardware. LSI kan worden uitgevoerd met goedkope en kleine digitale camera’s en lasers19,20, wat integratie in vrijwel elke 3D-printer mogelijk maakt voor live kwaliteitscontrole en dynamische afstemming van de printparameters. Het is echter logischer om LSI in te zetten om grondige kennis van laagverlijming tijdens 3D-printen te ontwikkelen. Als dit inzicht wordt gebruikt om meer geavanceerde snijsoftware te ontwikkelen, kan elke 3D-printer voor consumenten profiteren van de opgedane kennis.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs ontvingen geen externe financiering.
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).
