Com uma técnica não invasiva e em tempo real, o movimento do polímero nanoscópico dentro de um filamento de polímero é obtido durante a impressão 3D. O ajuste fino desse movimento é crucial para produzir construções com desempenho e aparência ideais. Este método atinge o núcleo da fusão de camadas plásticas, oferecendo assim informações sobre as condições ideais de impressão e os critérios de design do material.
Nos últimos tempos, a tecnologia de impressão 3D revolucionou nossa capacidade de projetar e produzir produtos, mas otimizar a qualidade de impressão pode ser um desafio. O processo de extrusão da impressão 3D envolve a prensagem do material fundido através de um bico fino e o depósito em material previamente extrudado. Este método baseia-se na união entre as camadas consecutivas para criar um produto final forte e visualmente atraente. Essa não é uma tarefa fácil, pois muitos parâmetros, como a temperatura do bico, a espessura da camada e a velocidade de impressão, devem ser ajustados para alcançar os melhores resultados. Neste estudo, um método para visualizar a dinâmica do polímero durante a extrusão é apresentado, fornecendo informações sobre o processo de colagem de camadas. Usando imagens speckle laser, o fluxo plástico e a fusão podem ser resolvidos de forma não invasiva, interna e com alta resolução espaço-temporal. Esta medição, que é fácil de executar, fornece uma compreensão profunda da mecânica subjacente que influencia a qualidade de impressão final. Essa metodologia foi testada com uma faixa de velocidades do ventilador de resfriamento, e os resultados mostraram aumento do movimento do polímero com velocidades menores do ventilador e, portanto, explicaram a baixa qualidade de impressão quando o ventilador de resfriamento foi desligado. Esses resultados mostram que essa metodologia permite otimizar as configurações de impressão e entender o comportamento do material. Essas informações podem ser usadas para o desenvolvimento e teste de novos materiais de impressão ou procedimentos avançados de fatiamento. Com essa abordagem, uma compreensão mais profunda da extrusão pode ser construída para levar a impressão 3D ao próximo nível.
O método de impressão 3D é uma técnica de manufatura aditiva na qual um objeto é fabricado camada por camada para formar a forma desejada. Este método tem uma grande e diversificada base de usuários graças à sua versatilidade, acessibilidade e facilidade de uso. A modelagem por deposição fundida apresenta uma extrusora móvel (com um diâmetro de centenas de mícrons a alguns milímetros) para depositar o plástico fundido na forma desejada1. O plástico extrudado deve se comportar de maneira líquida por um certo período para conseguir uma boa fusão com o plástico previamente impresso e formar um material fortemente coeso. No entanto, o plástico deve esfriar e solidificar rapidamente após a impressão para evitar que o plástico flua para longe do local de impressão e reduza a qualidade de impressão. Foi demonstrado que essa delicada interação entre aquecimento e resfriamento sustenta diretamente o equilíbrio entre a resistência mecânica e a precisão geométrica do objeto final impresso em 3D2. Para alcançar o equilíbrio ideal de aquecimento-resfriamento, o plástico é extrudado a uma temperatura um pouco acima de sua temperatura de fusão, e uma cabeça de ventilador, conectada à impressora, é usada para resfriar o plástico rapidamente. Uma compreensão profunda dos efeitos das temperaturas de impressão e velocidades de resfriamento pode fornecer os insights necessários para o desenvolvimento de protocolos avançados de fatiamento e impressão que maximizem os resultados mecânicos ou geométricos nas áreas em que são mais importantes. Os esforços para obter mais informações sobre esses processos geralmente dependem de imagens infravermelhas (IR), que visualizam apenas a temperatura da superfície 3,4,5 e não indicam a temperatura interna do plástico. O aquecimento local além da transição de fusão aumenta drasticamente a mobilidade do polímero e, assim, permite o emaranhamento do polímero entre o material antigo e o novo. Esse movimento do polímero temporalmente aprimorado é um requisito para a formação do material coesivo final6,7, mas a imagem IR só pode medir o movimento do polímero indiretamente através da temperatura da superfície 8,9. A tradução da temperatura da superfície para a ligação da camada requer, portanto, o conhecimento preciso do gradiente de temperatura núcleo-superfície e da dinâmica complexa do polímero associada em uma faixa de escalas de tempo e comprimento. Uma medição direta da ligação da camada (isto é, o processo de emaranhamento do polímero) permitiria a visualização do mecanismo subjacente à coesão do material a granel sem informações ou suposições a priori.
Para entender a distribuição espacial e temporal da ligação por camadas, uma técnica de imagem que quantifica diretamente a dinâmica dos polímeros que compõem o filamento plástico é empregada neste trabalho. Essa técnica, a laser speckle imaging (LSI), baseia-se no espalhamento interferométrico de luz para visualizar os movimentos nanoscópicos, independentemente da composição química. Dependendo das propriedades ópticas da amostra, ela pode medir com precisão vários milímetros a centímetros em materiais não transparentes10,11,12, ao contrário da imagem IR, que relata apenas as temperaturas superficiais 8,9. Esses atributos tornaram recentemente populares os métodos baseados em speckle na compreensão de processos dinâmicos em uma infinidade de materiais, embora tenham sido originalmente desenvolvidos para aplicações médicas10,11,12. Recentemente, o LSI tem sido utilizado para obter informações sobre o comportamento de materiais poliméricos avançados, como redes poliméricas de cristal líquido autolimpantes13,14, bem como para prever fraturas emborracha15 e estudar materiais auto-reparáveis16.
A viabilidade da aplicação do LSI à impressão 3D foi mostrada em um artigoanterior 17, onde uma configuração LSI portátil com recursos de análise em tempo real foi apresentada, e foi mostrado que a deposição de plástico fundido resulta no aumento do movimento do polímero várias camadas abaixo da camada atual. No trabalho aqui apresentado, são realizadas pesquisas sistemáticas sobre os efeitos da velocidade do ventilador de resfriamento sobre o grau de colagem multicamadas. Uma versão plug-and-play melhorada do instrumento portátil é usada que pode ser operada por usuários sem experiência em óptica ou programação. As imagens speckle são analisadas em tempo real utilizando transformadas de Fourier17, que visualizam a amplitude das flutuações de intensidade do speckle. Este instrumento tem uma câmera de campo brilhante adicional que está alinhada com a câmera speckle para que os mapas de movimento LSI possam ser sobrepostos com as imagens de campo brilhante para facilitar a interpretação sem que a luz de campo brilhante afete os mapas de movimento. A abordagem experimental apresentada neste artigo pode ser usada para obter mais informações sobre a fusão, ligação de camadas e solidificação de plástico extrudado durante a impressão 3D de geometrias e materiais desafiadores.
Os experimentos e resultados descritos nesta pesquisa mostram que o LSI é uma ferramenta de fácil aplicação que permite uma compreensão mais profunda da colagem de camadas durante a manufatura aditiva. O LSI permite a medição direta do movimento do polímero, que deve ser ajustado finamente para formar um material coerente pela interpenetração e subsequente emaranhamento das cadeias poliméricas. A alternativa mais comum para medir a colagem de camadas in situ é a imagem infravermelha 3,4,5. Este método bem estabelecido imageia a temperatura da superfície local do plástico8,9, que é uma medida indireta do movimento do polímero no interior do material. Com o plástico mais quente, o movimento é mais rápido e a colagem torna-se mais forte. Entretanto, a relação entre temperatura e movimento não é linear, pois as temperaturas de impressão atravessam as temperaturas de fusão e transição vítrea 6,7. Essa relação não trivial pode ser observada diretamente nas imagens do LSI; Especificamente, há uma transição acentuada entre as regiões superior semelhante a líquido e as regiões inferiores sólidas, enquanto o gradiente de temperatura deve ser muito mais gradual. Outra desvantagem da imagem IR é que ela mede apenas a temperatura da superfície, enquanto a LSI mede o movimento do polímero tipicamente vários milímetros de profundidade dentro do material.
Assim como na imagem IR, essa implementação do LSI é essencialmente um método point-and-shoot; Pode ser usado in situ se a câmera puder ser apontada para a região de interesse. O tripé versátil e a longa distância de trabalho de 0,7 m dão a liberdade de usar qualquer impressora 3D disponível. Crucialmente, o LSI é sensível aos movimentos nanoscópicos e, portanto, as vibrações do ambiente e do próprio processo de impressão devem ser minimizadas17. Por exemplo, executar outra tarefa na mesma mesa ou bater uma porta causará interferência. Portanto, deve-se andar cuidadosamente ao redor do setup; no entanto, as luzes da sala ou o fluxo de ar geralmente não interferem no processo.
O LSI fornece informações detalhadas sobre o processo de colagem de camadas e pode ser aplicado tão facilmente quanto a imagem IR. Vislumbramos que a LSI tem grande potencial em auxiliar o desenvolvimento e a compreensão de métodos avançados de impressão 3D. A varredura da velocidade do ventilador de resfriamento mostra um vislumbre do que é possível combinando LSI com impressão 3D. Como discutido na introdução, a velocidade ideal de resfriamento é um equilíbrio entre manter o plástico fundido por tempo suficiente para melhorar a colagem da camada, mas resfriá-lo rápido o suficiente para evitar o fluxo. Os resultados de 40%-100% da velocidade do ventilador de resfriamento foram muito semelhantes; De fato, essas velocidades do ventilador não mostraram nenhum fluxo e produziram uma boa qualidade de superfície. Com a velocidade do ventilador de resfriamento de 0%, o material começou a fluir para longe do local impresso, mas uma ampla colagem da camada foi observada na medição do LSI. Com base em nossos resultados, a velocidade do ventilador de resfriamento de 20% pode ser ideal para obter uma colagem de camada ligeiramente melhorada sem comprometer a qualidade da superfície. No entanto, para tirar conclusões que possam ser aplicadas na prática, mais velocidades do ventilador de resfriamento entre 0% e 40% devem ser avaliadas. Também é desejável estabelecer medidas quantitativas para a qualidade da superfície e resistência do material para obter uma visão objetiva e completa dos efeitos do movimento do polímero sobre as propriedades desejadas. Com essa adição, a abordagem poderia se tornar mais poderosa para avaliar os avanços criativos da impressão 3D.
As configurações exatas escolhidas para a análise LSI não são propensas a erros críticos, desde que as fases de plástico semelhante a líquido e plástico sólido possam ser distinguidas claramente. O movimento do polímero muda drasticamente ao cruzar as temperaturas de fusão e transição vítrea, de modo que uma ampla gama de configurações LSI captura bem o contraste. Isso pode ser facilmente testado com uma impressão de teste de um objeto simples (por exemplo, uma parede reta) com as configurações da impressora 3D recomendadas pelo fornecedor do material. Para usuários LSI mais avançados, aprofundar a faixa de frequência pode gerar informações extras, pois diferentes tipos de movimento do polímero podem ser quantitativamente distinguidos. Por exemplo, o movimento do polímero de alta frequência está associado às temperaturas mais altas, que só estão presentes perto da cabeça da impressora. O movimento do polímero de baixa frequência está associado a temperaturas moderadas, que estão presentes em uma área muito maior ao redor da cabeça da impressora e também por um tempo muito maior17. Deve-se examinar se o grau de ligação para o movimento cumulativo de polímeros de baixa frequência pode ser igual ao daqueles com movimentos curtos e de alta frequência (por exemplo, com análise dinâmico-mecânica). A maioria das outras configurações, como o dimensionamento do mapa de cores, o ROI, o intervalo de salvamento e a duração do experimento, são escolhidas exclusivamente para fornecer um resultado visualmente claro e atraente. Em relação às configurações de impressão 3D, também há muita liberdade, pois o LSI permite que o usuário avalie objetivamente os resultados da alteração de qualquer uma das configurações. Notavelmente, alterar drasticamente a velocidade de impressão altera a interpretação dos dados LSI. Neste trabalho, uma impressão lenta e uma velocidade de curso de 10 mm/s foram usadas para capturar múltiplas imagens LSI durante uma passagem da cabeça da impressora. Se uma velocidade de impressão mais comum de 60 mm/s para PLA fosse usada, aproximadamente uma camada completa seria impressa por imagem LSI e, assim, ocorreria uma média dentro de uma camada. Se experimentássemos velocidades de ponta, como 300 mm/s e mais rápido, ocorreria uma média em várias camadas. No entanto, isso é completamente dependente da geometria de impressão exata e das configurações LSI e pode ser facilmente mitigado por um usuário LSI experiente por meio de design avançado da máquina, ajustando o tamanho do campo de visão ou usando uma câmera mais rápida. Ambas as abordagens requerem um laser mais potente, que, em combinação com a cabeça da impressora reflexiva, requer precauções adicionais de segurança a laser. A velocidade de impressão relativamente lenta também tem uma influência positiva na colagem da camada, pois foi previamente comprovado que a transferência de calor para o plástico aumenta com velocidades de impressão mais lentas5.
Uma possível nova direção para essa abordagem é o teste de novos materiais; por exemplo, o LSI poderia ser usado para visualizar as transições relevantes e quantificar objetivamente as configurações recomendadas da impressora que fornecem uma zona de soldagem de cinco camadas após a aplicação da camada superior. Outra aplicação pode ser estudar a zona de soldagem em situações específicas onde a qualidade de impressão não é confiável, como para pontes, saliências ou cantos vivos. Se a zona de soldagem em situações difíceis puder ser melhor compreendida, deve ser possível compensar no código G. Já é prática comum imprimir a primeira camada mais quente e lenta que as demais camadas para conseguir uma boa aderência à chapa de construção18. Imaginamos o uso de fatiamento dinâmico semelhante de código G onde, por exemplo, o resfriamento do ventilador poderia ser ajustado para produzir cantos ou pontes. Também deve ser possível imprimir o material da parede externa com um acabamento mais liso e o resto do material e encher mais áspero, mas mais forte para maximizar a resistência do material e a aparência visual.
Este artigo discutiu a aplicação do LSI no estudo do processo de colagem de camadas após extrusão de plásticos. A técnica é excelente para essa tarefa, pois pode visualizar o movimento subjacente do polímero sem suposições a priori em tempo real durante a impressão 3D. No entanto, não fornece qualquer informação sobre a coesão material, pelo que serão necessários ensaios adicionais. As outras desvantagens discutidas são situacionais; a velocidade de imagem limitada de quatro imagens LSI por segundo pode ser aumentada com um laser maior e medidas adicionais de segurança do laser, e a sensibilidade à vibração requer precauções ou hardware de redução de vibração. LSI pode ser realizado com câmeras digitais baratas e pequenas e lasers19,20, o que permite a integração em praticamente todas as impressoras 3D para controle de qualidade ao vivo e ajuste dinâmico dos parâmetros de impressão. No entanto, faz mais sentido empregar LSI para desenvolver um conhecimento profundo da colagem de camadas durante a impressão 3D. Se esse entendimento for usado para desenvolver softwares de fatiamento mais avançados, todas as impressoras 3D do consumidor poderiam se beneficiar do conhecimento adquirido.
The authors have nothing to disclose.
Os autores não receberam financiamento externo.
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