Med en ikke-invasiv og sanntidsteknikk avbildes nanoskopisk polymerbevegelse inne i et polymerfilament under 3D-utskrift. Finjustering av denne bevegelsen er avgjørende for å produsere konstruksjoner med optimal ytelse og utseende. Denne metoden når kjernen av plastlagsfusjon, og gir dermed innsikt i optimale utskriftsforhold og kriterier for materialdesign.
I nyere tid har 3D-utskriftsteknologi revolusjonert vår evne til å designe og produsere produkter, men optimalisering av utskriftskvaliteten kan være utfordrende. Prosessen med ekstrudering 3D-utskrift innebærer å presse smeltet materiale gjennom en tynn dyse og deponere det på tidligere ekstrudert materiale. Denne metoden er avhengig av liming mellom de påfølgende lagene for å skape et sterkt og visuelt tiltalende sluttprodukt. Dette er ingen enkel oppgave, da mange parametere, for eksempel dysetemperatur, lagtykkelse og utskriftshastighet, må finjusteres for å oppnå optimale resultater. I denne studien presenteres en metode for å visualisere polymerdynamikken under ekstrudering, noe som gir innsikt i lagbindingsprosessen. Ved hjelp av laserflekkavbildning kan plaststrømmen og fusjonen løses ikke-invasivt, internt og med høy spatiotemporal oppløsning. Denne målingen, som er enkel å utføre, gir en grundig forståelse av den underliggende mekanikken som påvirker den endelige utskriftskvaliteten. Denne metoden ble testet med en rekke kjøleviftehastigheter, og resultatene viste økt polymerbevegelse med lavere viftehastigheter og forklarte dermed den dårlige utskriftskvaliteten når kjøleviften ble slått av. Disse funnene viser at denne metoden gjør det mulig å optimalisere utskriftsinnstillingene og forstå materialoppførselen. Denne informasjonen kan brukes til utvikling og testing av nye trykkmaterialer eller avanserte kutteprosedyrer. Med denne tilnærmingen kan en dypere forståelse av ekstrudering bygges for å ta 3D-utskrift til neste nivå.
Metoden for 3D-utskrift er en additiv produksjonsteknikk der et objekt produseres lag for lag for å danne ønsket form. Denne metoden har en stor og mangfoldig brukerbase takket være allsidigheten, overkommeligheten og brukervennligheten. Smeltet avsetningsmodellering har en bevegelig ekstruder (med en diameter på hundrevis av mikron til et par millimeter) for å deponere smeltet plast i ønsket form1. Den ekstruderte plasten skal oppføre seg på en væskelignende måte i en viss varighet for å oppnå god fusjon med den tidligere trykte plasten og danne et sterkt sammenhengende materiale. Plasten bør imidlertid kjøles ned og stivne raskt etter utskrift for å forhindre at plasten renner bort fra utskriftsstedet og reduserer utskriftskvaliteten. Dette delikate samspillet mellom oppvarming og kjøling har vist seg å direkte underbygge balansen mellom den mekaniske styrken og den geometriske nøyaktigheten til det endelige 3D-printede objektet2. For å oppnå optimal varme- og kjølebalanse ekstruderes plasten ved en temperatur like over smeltetemperaturen, og et viftehode, festet til skriveren, brukes til å kjøle ned plasten raskt. En grundig forståelse av effekten av utskriftstemperaturer og kjølehastigheter kan gi innsikten som kreves for å utvikle avanserte kutte- og utskriftsprotokoller som maksimerer de mekaniske eller geometriske resultatene i områdene der de er viktigst. Arbeidet med å få mer innsikt i disse prosessene er ofte avhengig av infrarød (IR) avbildning, som bare visualiserer overflatetemperaturen 3,4,5 og ikke indikerer plastens indre temperatur. Lokal oppvarming utover smelteovergangen øker polymermobiliteten drastisk og tillater dermed polymersammenfiltring mellom det gamle og det nye materialet. Denne temporalt forsterkede polymerbevegelsen er et krav for dannelsen av det endelige kohesive materialet6,7, men IR-avbildning kan bare måle polymerbevegelse indirekte gjennom overflatetemperaturen 8,9. Å oversette overflatetemperaturen til lagbinding krever derfor presis kunnskap om temperaturgradienten mellom kjerne og overflate og tilhørende kompleks polymerdynamikk over en rekke tids- og lengdeskalaer. En direkte måling av lagbindingen (dvs. polymersammenfiltringsprosessen) vil tillate visualisering av mekanismen som ligger til grunn for bulkmaterialkohesjon uten a priori informasjon eller antagelser.
For å få en forståelse av den romlige og tidsmessige fordelingen av lagbinding, brukes en avbildningsteknikk som direkte kvantifiserer dynamikken til polymerene som utgjør plastfilamentet i dette arbeidet. Denne teknikken, laser speckle imaging (LSI), er avhengig av interferometrisk lysspredning for å visualisere nanoskopiske bevegelser, uavhengig av kjemisk sammensetning. Avhengig av de optiske egenskapene til prøven, kan den nøyaktig måle flere millimeter til centimeter i ikke-gjennomsiktige materialer10,11,12, i motsetning til IR-bildebehandling, som bare rapporterer overflatetemperaturer 8,9. Disse egenskapene har nylig gjort flekkbaserte metoder populære for å forstå dynamiske prosesser i en mengde materialer, selv om de opprinnelig ble utviklet for medisinske applikasjoner10,11,12. Nylig har LSI blitt brukt til å få innsikt i oppførselen til avanserte polymere materialer som selvrensende flytende krystallpolymernettverk 13,14, samt for å forutsi brudd i gummi15 og for å studere selvhelbredende materialer16.
Muligheten for å bruke LSI til 3D-utskrift ble vist i en tidligere artikkel17, der et bærbart LSI-oppsett med sanntidsanalysefunksjoner ble presentert, og det ble vist at avsetning av smeltet plast resulterer i økt polymerbevegelse flere lag under det nåværende laget. I papiret som presenteres her, utføres systematisk forskning på effekten av kjøleviftehastigheten på graden av flerlagsbinding. En forbedret plug-and-play-versjon av det bærbare instrumentet brukes som kan betjenes av brukere uten optikk eller programmeringskompetanse. Flekkbildene analyseres i sanntid ved hjelp av Fourier-transformasjoner17, som visualiserer amplituden til flekkintensitetsfluktuasjonene. Dette instrumentet har et ekstra brightfield-kamera som er justert med speckle-kameraet, slik at LSI-bevegelseskartene kan legges over med lysfeltbildene for enklere tolkning uten at lysfeltet påvirker bevegelseskartene. Den eksperimentelle tilnærmingen som presenteres i denne artikkelen kan brukes til å få mer innsikt i smelting, lagbinding og størkning av ekstrudert plast under 3D-utskrift av utfordrende geometrier og materialer.
Eksperimentene og resultatene beskrevet i denne undersøkelsen viser at LSI er et lett anvendt verktøy som muliggjør en dypere forståelse av lagbinding under additiv produksjon. LSI muliggjør direkte måling av polymerbevegelsen, som må finjusteres for å danne et sammenhengende materiale ved interpenetrasjon og påfølgende innblanding av polymerkjedene. Det vanligste alternativet for måling av lagbinding in situ er infrarød avbildning 3,4,5. Denne veletablerte metoden avbilder den lokale overflatetemperaturen til plasten8,9, som er en indirekte måling av polymerbevegelsen inne i materialet. Med varmere plast er bevegelsen raskere, og bindingen blir sterkere. Forholdet mellom temperatur og bevegelse er imidlertid ikke lineært, da utskriftstemperaturene krysser smelte- og glassovergangstemperaturene 6,7. Dette ikke-trivielle forholdet kan observeres direkte i LSI-bildene; Spesielt er det en skarp overgang mellom den væskelignende toppen og de faste bunnområdene, mens temperaturgradienten forventes å være langt mer gradvis. En annen ulempe med IR-avbildning er at den bare måler overflatetemperaturen, mens LSI måler polymerbevegelse vanligvis flere millimeter dypt inne i materialet.
Akkurat som med IR-bildebehandling, er denne implementeringen av LSI i hovedsak en pek-og-skyt-metode; Den kan brukes in situ hvis kameraet kan pekes mot interesseområdet. Det allsidige stativet og den lange arbeidsavstanden på 0,7 m gir friheten til å bruke hvilken som helst tilgjengelig 3D-skriver. Avgjørende er at LSI er følsom for nanoskopiske bevegelser, og dermed må vibrasjoner fra omgivelsene og selve utskriftsprosessen minimeres17. For eksempel vil det å utføre en annen oppgave på samme bord eller smelle en dør føre til forstyrrelser. Derfor bør man gå nøye rundt oppsettet; Imidlertid forstyrrer romlys eller luftstrøm vanligvis ikke prosessen.
LSI gir detaljert innsikt i lagbindingsprosessen og kan brukes like enkelt som IR-bildebehandling. Vi ser at LSI har stort potensial i å hjelpe utviklingen og forståelsen av avanserte 3D-utskriftsmetoder. Hastigheten på kjøleviften viser et glimt av hva som er mulig ved å kombinere LSI med 3D-utskrift. Som diskutert i innledningen, er den optimale kjølehastigheten en balanse mellom å holde plasten smeltet lenge nok til å forbedre lagbindingen, men avkjøle den raskt nok til å forhindre strømning. Resultatene fra 40%-100% kjøleviftehastigheten var veldig like; Faktisk viste disse viftehastighetene ingen flyt og ga en god overflatekvalitet. Med kjøleviftehastigheten på 0 % begynte materialet å strømme bort fra det trykte stedet, men det ble observert rikelig lagbinding i LSI-målingen. Basert på resultatene våre kan kjøleviftehastigheten på 20 % være optimal for å oppnå litt forbedret lagbinding uten at det går ut over overflatekvaliteten. For å trekke konklusjoner som kan brukes i praksis, må imidlertid flere kjøleviftehastigheter mellom 0% og 40% vurderes. Det er også ønskelig å etablere kvantitative mål for overflatekvalitet og materialstyrke for å få en objektiv og fullstendig oversikt over effekten av polymerbevegelse på de ønskede egenskapene. Med dette tillegget kan tilnærmingen gjøres kraftigere for å evaluere kreative 3D-utskriftsfremskritt.
De nøyaktige innstillingene som er valgt for LSI-analysen, er ikke utsatt for kritiske feil så lenge væskelignende plast og solidlignende plastfaser kan skilles tydelig. Polymerbevegelsen endres dramatisk når man krysser smelte- og glassovergangstemperaturene, så et bredt spekter av LSI-innstillinger fanger kontrastbrønnen. Dette kan enkelt testes med en testutskrift av et enkelt objekt (f.eks. en rett vegg) med 3D-skriverinnstillingene som anbefales av materialleverandøren. For mer avanserte LSI-brukere kan det å dykke dypere inn i frekvensområdet gi ekstra informasjon, da forskjellige typer polymerbevegelser kan skilles kvantitativt. For eksempel er høyfrekvent polymerbevegelse forbundet med de høyeste temperaturene, som bare er tilstede nær skriverhodet. Lavfrekvent polymerbevegelse er forbundet med moderate temperaturer, som er tilstede i et mye større område rundt skriverhodet og også i mye lengre tid17. Hvorvidt graden av binding for kumulativ lavfrekvent polymerbevegelse kan være lik den med kort, høyfrekvent bevegelse (f.eks. med dynamisk mekanisk analyse) må undersøkes. De fleste andre innstillinger, som fargekartskalering, avkastning, lagringsintervall og eksperimentlengde, velges bare for å gi et visuelt klart og tiltalende resultat. Når det gjelder 3D-utskriftsinnstillingene, er det også mye frihet, ettersom LSI lar brukeren objektivt vurdere resultatene av å endre noen av innstillingene. Spesielt endrer utskriftshastigheten drastisk tolkningen av LSI-dataene. I dette arbeidet ble det brukt en langsom utskrifts- og kjørehastighet på 10 mm / s for å ta flere LSI-bilder i løpet av en omgang av skriverhodet. Hvis en mer vanlig utskriftshastighet på 60 mm / s for PLA ble brukt, ville omtrent ett fullt lag bli skrevet ut per LSI-bilde, og dermed ville gjennomsnitt innen ett lag oppstå. Hvis du eksperimenterer med avanserte hastigheter som 300 mm / s og raskere, vil gjennomsnitt over flere lag oppstå. Likevel er dette helt avhengig av den nøyaktige utskriftsgeometrien og LSI-innstillingene, og kan enkelt reduseres av en erfaren LSI-bruker gjennom avansert maskindesign, justering av størrelsen på synsfeltet eller bruk av et raskere kamera. Begge tilnærmingene krever en kraftigere laser, som i kombinasjon med det reflekterende skriverhodet krever ekstra lasersikkerhetstiltak. Den relativt langsomme utskriftshastigheten har også en positiv innvirkning på lagbindingen, da det tidligere ble bevist at varmeoverføringen til plasten øker med langsommere utskriftshastigheter5.
En mulig ny retning for denne tilnærmingen er testing av nye materialer; LSI kan for eksempel brukes til å visualisere de relevante overgangene og objektivt kvantifisere de anbefalte skriverinnstillingene som gir en femlags sveisesone ved påføring av topplaget. Et annet bruksområde kan være å studere sveisesonen i spesifikke situasjoner der utskriftskvaliteten ikke er pålitelig god, for eksempel for broer, overheng eller skarpe hjørner. Hvis sveisesonen i vanskelige situasjoner kan forstås bedre, bør det være mulig å kompensere i G-koden. Det er allerede vanlig praksis å skrive ut det første laget varmere og langsommere enn resten av lagene for å oppnå god vedheft til byggeplaten18. Vi ser for oss bruk av lignende dynamisk G-kodekutting der for eksempel viftekjølingen kan justeres for å produsere hjørner eller broer. Det skal også være mulig å printe ytterveggmaterialet med en jevnere finish og resten av materialet og innfyllet grovere, men sterkere for å maksimere både materialstyrken og det visuelle utseendet.
Denne artikkelen har diskutert anvendelsen av LSI for å studere lagbindingsprosessen etter plastekstrudering. Teknikken er utmerket for denne oppgaven, da den kan visualisere den underliggende polymerbevegelsen uten a priori forutsetninger i sanntid under 3D-utskrift. Det gir imidlertid ingen informasjon om materialkohesjonen, så ytterligere testing vil være nødvendig. De andre ulempene som diskuteres er situasjonsbestemte; den begrensede bildehastigheten på fire LSI-bilder per sekund kan økes med en større laser og ekstra lasersikkerhetstiltak, og vibrasjonsfølsomheten krever forholdsregler eller maskinvare for vibrasjonsreduksjon. LSI kan utføres med billige og små digitale kameraer og lasere19,20, noe som gjør det mulig å integrere i praktisk talt alle 3D-skrivere for live kvalitetskontroll og dynamisk justering av utskriftsparametrene. Det er imidlertid mer fornuftig å bruke LSI for å utvikle grundig kunnskap om lagbinding under 3D-utskrift. Hvis denne forståelsen brukes til å utvikle mer avansert kutteprogramvare, kan hver forbruker 3D-skriver dra nytte av kunnskapen som er oppnådd.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne mottok 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 |