एक गैर-इनवेसिव और वास्तविक समय तकनीक के साथ, एक बहुलक फिलामेंट के अंदर नैनोस्कोपिक बहुलक गति को 3 डी प्रिंटिंग के दौरान चित्रित किया जाता है। इष्टतम प्रदर्शन और उपस्थिति के साथ संरचनाओं के निर्माण के लिए इस गति को ठीक करना महत्वपूर्ण है। यह विधि प्लास्टिक परत संलयन के मूल तक पहुंचती है, इस प्रकार इष्टतम मुद्रण स्थितियों और सामग्री डिजाइन मानदंडों में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है।
हाल के दिनों में, 3 डी प्रिंटिंग तकनीक ने उत्पादों को डिजाइन और उत्पादन करने की हमारी क्षमता में क्रांति ला दी है, लेकिन प्रिंट गुणवत्ता का अनुकूलन चुनौतीपूर्ण हो सकता है। एक्सट्रूज़न 3 डी प्रिंटिंग की प्रक्रिया में एक पतली नलिका के माध्यम से पिघली हुई सामग्री पर दबाव डालना और इसे पहले से एक्सट्रूडेड सामग्री पर जमा करना शामिल है। यह विधि एक मजबूत और नेत्रहीन आकर्षक अंतिम उत्पाद बनाने के लिए लगातार परतों के बीच संबंध पर निर्भर करती है। यह कोई आसान काम नहीं है, क्योंकि कई पैरामीटर, जैसे कि नोजल तापमान, परत की मोटाई और मुद्रण गति, इष्टतम परिणाम प्राप्त करने के लिए ठीक किया जाना चाहिए। इस अध्ययन में, एक्सट्रूज़न के दौरान बहुलक गतिशीलता की कल्पना करने के लिए एक विधि प्रस्तुत की गई है, जो परत बंधन प्रक्रिया में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है। लेजर झुकाव इमेजिंग का उपयोग करके, प्लास्टिक प्रवाह और संलयन को गैर-आक्रामक, आंतरिक रूप से और उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ हल किया जा सकता है। यह माप, जो प्रदर्शन करना आसान है, अंतिम प्रिंट गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले अंतर्निहित यांत्रिकी की गहन समझ प्रदान करता है। इस पद्धति का परीक्षण कूलिंग फैन गति की एक श्रृंखला के साथ किया गया था, और परिणामों ने कम पंखे की गति के साथ बहुलक गति में वृद्धि दिखाई और इस प्रकार, कूलिंग फैन बंद होने पर खराब प्रिंटिंग गुणवत्ता की व्याख्या की। इन निष्कर्षों से पता चलता है कि यह पद्धति मुद्रण सेटिंग्स को अनुकूलित करने और सामग्री व्यवहार को समझने की अनुमति देती है। इस जानकारी का उपयोग नवीन मुद्रण सामग्री या उन्नत स्लाइसिंग प्रक्रियाओं के विकास और परीक्षण के लिए किया जा सकता है। इस दृष्टिकोण के साथ, एक्सट्रूज़न की गहरी समझ 3 डी प्रिंटिंग को अगले स्तर पर ले जाने के लिए बनाई जा सकती है।
3 डी प्रिंटिंग की विधि एक योजक विनिर्माण तकनीक है जिसमें वांछित आकार बनाने के लिए एक वस्तु को परत दर परत निर्मित किया जाता है। इस विधि में इसकी बहुमुखी प्रतिभा, सामर्थ्य और उपयोग में आसानी के लिए एक बड़ा और विविध उपयोगकर्ता-आधार है। फ्यूज्ड जमाव मॉडलिंग में पिघले हुए प्लास्टिक को वांछित आकारमें जमा करने के लिए एक चलती एक्सट्रूडर (सैकड़ों माइक्रोन से कुछ मिलीमीटर के व्यास के साथ) की सुविधा है। एक्सट्रूडेड प्लास्टिक को पहले मुद्रित प्लास्टिक के साथ अच्छा संलयन प्राप्त करने और एक मजबूत सामंजस्यपूर्ण सामग्री बनाने के लिए एक निश्चित अवधि के लिए तरल जैसे तरीके से व्यवहार करना चाहिए। हालांकि, प्लास्टिक को प्रिंट स्थान से दूर बहने और प्रिंट गुणवत्ता को कम करने से रोकने के लिए प्रिंटिंग के बाद प्लास्टिक को ठंडा और जल्दी से ठोस होना चाहिए। हीटिंग और कूलिंग के बीच इस नाजुक अंतःक्रिया को यांत्रिक शक्ति और अंतिम 3 डी-मुद्रित वस्तु2 की ज्यामितीय सटीकता के बीच संतुलन को सीधे रेखांकित करने के लिए दिखाया गया है। इष्टतम हीटिंग-कूलिंग संतुलन प्राप्त करने के लिए, प्लास्टिक को इसके पिघलने के तापमान से ठीक ऊपर के तापमान पर एक्सट्रूडेड किया जाता है, और प्रिंटर से जुड़े एक फैन हेड का उपयोग प्लास्टिक को जल्दी से ठंडा करने के लिए किया जाता है। मुद्रण तापमान और शीतलन गति के प्रभावों की गहन समझ उन्नत स्लाइसिंग और प्रिंटिंग प्रोटोकॉल विकसित करने के लिए आवश्यक अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकती है जो उन क्षेत्रों में यांत्रिक या ज्यामितीय परिणामों को अधिकतम करती है जहां वे सबसे महत्वपूर्ण हैं। इन प्रक्रियाओं में अधिक अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के प्रयास अक्सर अवरक्त (आईआर) इमेजिंग पर निर्भर करते हैं, जो केवल सतह के तापमान 3,4,5 की कल्पना करता है और प्लास्टिक के आंतरिक तापमान को इंगित नहीं करता है। पिघलने के संक्रमण से परे स्थानीय हीटिंग बहुलक गतिशीलता को काफी बढ़ाता है और इस प्रकार, पुरानी और नई सामग्री के बीच बहुलक उलझाव की अनुमति देता है। यह अस्थायी रूप से बढ़ी हुई बहुलक गति अंतिम एकजुट सामग्री 6,7 के गठन के लिए एक आवश्यकता है, लेकिन आईआर इमेजिंग केवल सतह के तापमान 8,9 के माध्यम से अप्रत्यक्ष रूप से बहुलक गति को माप सकती है। सतह के तापमान को परत बंधन में अनुवाद करने के लिए इस प्रकार कोर-सतह तापमान ढाल और समय और लंबाई के पैमाने की एक श्रृंखला में संबंधित जटिल बहुलक गतिशीलता के सटीक ज्ञान की आवश्यकता होती है। परत बंधन (यानी, बहुलक उलझाव प्रक्रिया) का एक प्रत्यक्ष माप प्राथमिक जानकारी या मान्यताओं के बिना थोक सामग्री सामंजस्य के अंतर्निहित तंत्र के विज़ुअलाइज़ेशन की अनुमति देगा।
परत बंधन के स्थानिक और लौकिक वितरण की समझ हासिल करने के लिए, एक इमेजिंग तकनीक जो सीधे प्लास्टिक फिलामेंट बनाने वाले पॉलिमर की गतिशीलता को निर्धारित करती है, इस काम में नियोजित है। यह तकनीक, लेजर स्पॉट इमेजिंग (एलएसआई), रासायनिक संरचना से स्वतंत्र नैनोस्कोपिक गतियों की कल्पना करने के लिए इंटरफेरोमेट्रिक प्रकाश प्रकीर्णन पर निर्भर करती है। नमूने के ऑप्टिकल गुणों के आधार पर, यह आईआर इमेजिंग के विपरीत, गैर-पारदर्शी सामग्री10,11,12 में कई मिलीमीटर से सेंटीमीटर तक सटीक रूप से माप सकता है, जो केवल सतह के तापमान 8,9 की रिपोर्ट करता है। इन विशेषताओं ने हाल ही में सामग्री की अधिकता में गतिशील प्रक्रियाओं को समझने में बिंदु-आधारित विधियों को लोकप्रिय बना दिया है, हालांकि वे मूल रूप से चिकित्सा अनुप्रयोगों10,11,12 के लिए विकसित किए गए थे। हाल ही में, एलएसआई का उपयोग उन्नत बहुलक सामग्रियों जैसे स्व-सफाई तरल क्रिस्टल बहुलक नेटवर्क 13,14 के व्यवहार में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए किया गया है, साथ ही रबर15 में फ्रैक्चर की भविष्यवाणी करने और आत्म-उपचार सामग्री16 का अध्ययन करने के लिए किया गया है।
एलएसआई को 3 डी प्रिंटिंग में लागू करने की व्यवहार्यता को पिछले लेख17 में प्रदर्शित किया गया था, जहां वास्तविक समय विश्लेषण क्षमताओं के साथ एक पोर्टेबल एलएसआई सेटअप प्रस्तुत किया गया था, और यह दिखाया गया था कि पिघले हुए प्लास्टिक के जमाव के परिणामस्वरूप वर्तमान परत के नीचे कई परतों में बहुलक गति बढ़ जाती है। यहां प्रस्तुत पेपर में, बहु-परत बंधन की डिग्री पर शीतलन पंखे की गति के प्रभावों में व्यवस्थित शोध किया जाता है। पोर्टेबल उपकरण का एक बेहतर प्लग-एंड-प्ले संस्करण का उपयोग किया जाता है जिसे प्रकाशिकी या प्रोग्रामिंग विशेषज्ञता के बिना उपयोगकर्ताओं द्वारा संचालित किया जा सकता है। फूरियर ट्रांसफॉर्म17 का उपयोग करके वास्तविक समय में झुकाव छवियों का विश्लेषण किया जाता है, जो झुकाव तीव्रता में उतार-चढ़ाव के आयाम की कल्पना करते हैं। इस उपकरण में एक अतिरिक्त ब्राइटफील्ड कैमरा है जो स्पॉट कैमरे के साथ संरेखित है ताकि एलएसआई मोशन मैप्स को ब्राइटफील्ड छवियों के साथ ओवरले किया जा सके ताकि गति मानचित्रों को प्रभावित करने वाले ब्राइटफील्ड प्रकाश के बिना आसान व्याख्या की जा सके। इस लेख में प्रस्तुत प्रयोगात्मक दृष्टिकोण का उपयोग चुनौतीपूर्ण ज्यामिति और सामग्रियों के 3 डी प्रिंटिंग के दौरान एक्सट्रूडेड प्लास्टिक के पिघलने, परत बंधन और ठोसकरण में अधिक अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है।
इस शोध में वर्णित प्रयोगों और परिणामों से पता चलता है कि एलएसआई एक आसानी से लागू उपकरण है जो योजक विनिर्माण के दौरान परत बंधन की गहरी समझ के लिए अनुमति देता है। एलएसआई बहुलक गति के प्रत्यक्ष माप की अनुमति देता है, जिसे बहुलक श्रृंखलाओं के अंतःप्रवेश और बाद में झुकाव द्वारा एक सुसंगत सामग्री बनाने के लिए बारीकी से ट्यून किया जाना चाहिए। सीटू में परत बंधन को मापने के लिए सबसे आम विकल्प अवरक्त इमेजिंग 3,4,5 है। यह अच्छी तरह से स्थापित विधि प्लास्टिक8,9 के स्थानीय सतह के तापमान को चित्रित करती है, जो सामग्री के अंदर बहुलक गति का एक अप्रत्यक्ष माप है। गर्म प्लास्टिक के साथ, गति तेज होती है, और बंधन मजबूत हो जाता है। हालांकि, तापमान और गति के बीच संबंध रैखिक नहीं है, क्योंकि मुद्रण तापमान पिघलने और ग्लास संक्रमण तापमान 6,7 को पार करता है। यह गैर-तुच्छ संबंध सीधे एलएसआई छवियों में देखा जा सकता है; विशेष रूप से, तरल-जैसे शीर्ष और ठोस-जैसे तल क्षेत्रों के बीच एक तेज संक्रमण होता है, जबकि तापमान ढाल कहीं अधिक क्रमिक होने की उम्मीद है। आईआर इमेजिंग का एक और दोष यह है कि यह केवल सतह के तापमान को मापता है, जबकि एलएसआई बहुलक गति को मापता है जो आमतौर पर सामग्री के अंदर कई मिलीमीटर गहरा होता है।
आईआर इमेजिंग की तरह, एलएसआई का यह कार्यान्वयन अनिवार्य रूप से एक पॉइंट-एंड-शूट विधि है; इसका उपयोग सीटू में किया जा सकता है यदि कैमरे को रुचि के क्षेत्र में इंगित किया जा सकता है। बहुमुखी तिपाई और 0.7 मीटर की लंबी कामकाजी दूरी किसी भी उपलब्ध 3 डी प्रिंटर का उपयोग करने की स्वतंत्रता देती है। महत्वपूर्ण रूप से, एलएसआई नैनोस्कोपिक गतियों के प्रति संवेदनशील है, और इस प्रकार, परिवेश और मुद्रण प्रक्रिया से कंपन को कम करनाहोगा। उदाहरण के लिए, एक ही मेज पर एक और कार्य करना या एक दरवाजे को पटकना हस्तक्षेप का कारण होगा। इसलिए, किसी को सेटअप के चारों ओर सावधानी पूर्वक चलना चाहिए; हालांकि, कमरे की रोशनी या एयरफ्लो आम तौर पर प्रक्रिया में हस्तक्षेप नहीं करते हैं।
एलएसआई परत बंधन प्रक्रिया में विस्तृत अंतर्दृष्टि देता है और आईआर इमेजिंग के रूप में आसानी से लागू किया जा सकता है। हम कल्पना करते हैं कि एलएसआई में उन्नत 3 डी प्रिंटिंग विधियों के विकास और समझ में सहायता करने की बड़ी क्षमता है। कूलिंग फैन स्पीड स्वीप 3 डी प्रिंटिंग के साथ एलएसआई के संयोजन से क्या संभव है, इसकी एक झलक दिखाता है। जैसा कि परिचय में चर्चा की गई है, इष्टतम शीतलन गति परत बंधन में सुधार के लिए प्लास्टिक पिघला हुआ लंबे समय तक रखने के बीच एक संतुलन है, लेकिन प्रवाह को रोकने के लिए इसे तेजी से ठंडा करना है। 40% -100% शीतलन पंखे की गति के परिणाम बहुत समान थे; दरअसल, इन पंखे की गति ने कोई प्रवाह नहीं दिखाया और एक अच्छी सतह की गुणवत्ता का उत्पादन किया। 0% शीतलन पंखे की गति के साथ, सामग्री मुद्रित स्थान से दूर बहने लगी, लेकिन एलएसआई माप में पर्याप्त परत बंधन देखा गया। हमारे परिणामों के आधार पर, सतह की गुणवत्ता से समझौता किए बिना थोड़ा बेहतर परत बंधन प्राप्त करने के लिए 20% शीतलन पंखे की गति इष्टतम हो सकती है। हालांकि, अभ्यास में लागू किए जा सकने वाले निष्कर्ष निकालने के लिए, 0% और 40% के बीच अधिक शीतलन पंखे की गति का आकलन किया जाना चाहिए। वांछित गुणों पर बहुलक गति के प्रभावों का एक उद्देश्य और पूर्ण दृश्य प्राप्त करने के लिए सतह की गुणवत्ता और भौतिक शक्ति के लिए मात्रात्मक उपायों को स्थापित करना भी वांछनीय है। इसके अलावा, रचनात्मक 3 डी प्रिंटिंग अग्रिमों के मूल्यांकन के लिए दृष्टिकोण को और अधिक शक्तिशाली बनाया जा सकता है।
एलएसआई विश्लेषण के लिए चुनी गई सटीक सेटिंग्स महत्वपूर्ण त्रुटियों से ग्रस्त नहीं हैं जब तक कि तरल जैसे प्लास्टिक और ठोस जैसे प्लास्टिक चरणों को स्पष्ट रूप से अलग किया जा सके। पिघलने और ग्लास संक्रमण तापमान को पार करते समय बहुलक गति नाटकीय रूप से बदल जाती है, इसलिए एलएसआई सेटिंग्स की एक विस्तृत श्रृंखला कंट्रास्ट को अच्छी तरह से पकड़ती है। यह सामग्री आपूर्तिकर्ता द्वारा अनुशंसित 3 डी प्रिंटर सेटिंग्स के साथ एक सीधी वस्तु (जैसे, एक सीधी दीवार) के परीक्षण प्रिंट के साथ आसानी से परीक्षण किया जा सकता है। अधिक उन्नत एलएसआई उपयोगकर्ताओं के लिए, आवृत्ति सीमा में गहराई से जाने से अतिरिक्त जानकारी मिल सकती है, क्योंकि विभिन्न प्रकार की बहुलक गति को मात्रात्मक रूप से अलग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, उच्च आवृत्ति बहुलक गति उच्चतम तापमान से जुड़ी होती है, जो केवल प्रिंटर सिर के करीब मौजूद होती है। कम आवृत्ति बहुलक गति मध्यम तापमान से जुड़ी होती है, जो प्रिंटर सिर के आसपास बहुत बड़े क्षेत्र में मौजूद होती है और बहुतलंबे समय तक भी होती है। क्या संचयी कम आवृत्ति बहुलक गति के लिए संबंध की डिग्री छोटी, उच्च आवृत्ति गति (जैसे, गतिशील यांत्रिक विश्लेषण के साथ) के बराबर हो सकती है, इसकी जांच की जानी चाहिए। अधिकांश अन्य सेटिंग्स, जैसे कलरमैप स्केलिंग, आरओआई, बचत अंतराल और प्रयोग की लंबाई, पूरी तरह से एक स्पष्ट और आकर्षक परिणाम देने के लिए चुनी जाती हैं। 3 डी प्रिंटिंग सेटिंग्स के बारे में, बहुत स्वतंत्रता भी है, क्योंकि एलएसआई उपयोगकर्ता को किसी भी सेटिंग्स को बदलने के परिणामों का निष्पक्ष रूप से आकलन करने की अनुमति देता है। विशेष रूप से, प्रिंटिंग की गति में भारी बदलाव एलएसआई डेटा की व्याख्या को बदल देता है। इस काम में, प्रिंटर हेड के एक पास के दौरान कई एलएसआई छवियों को कैप्चर करने के लिए 10 मिमी / सेकंड की धीमी प्रिंटिंग और यात्रा गति का उपयोग किया गया था। यदि पीएलए के लिए 60 मिमी / सेकंड की अधिक सामान्य प्रिंट गति का उपयोग किया जाता है, तो एलएसआई छवि के लिए लगभग एक पूर्ण परत मुद्रित की जाएगी, और इस प्रकार, एक परत के भीतर औसत होगा। यदि 300 मिमी / सेकंड और तेज जैसी उच्च अंत गति के साथ प्रयोग किया जाता है, तो कई परतों पर औसत होगा। फिर भी, यह पूरी तरह से सटीक प्रिंट ज्यामिति और एलएसआई सेटिंग्स पर निर्भर है और उन्नत मशीन डिजाइन के माध्यम से एक अनुभवी एलएसआई उपयोगकर्ता द्वारा आसानी से कम किया जा सकता है, दृश्य के क्षेत्र के आकार को समायोजित करना, या तेज कैमरे का उपयोग करना। दोनों दृष्टिकोणों को एक अधिक शक्तिशाली लेजर की आवश्यकता होती है, जो चिंतनशील प्रिंटर हेड के साथ संयोजन में, अतिरिक्त लेजर सुरक्षा सावधानियों की आवश्यकता होती है। अपेक्षाकृत धीमी मुद्रण गति का परत बंधन पर भी सकारात्मक प्रभाव पड़ता है, क्योंकि यह पहले साबित हुआ था कि धीमी मुद्रण गतिके साथ प्लास्टिक में गर्मी हस्तांतरण बढ़ जाता है।
इस दृष्टिकोण के लिए एक संभावित नई दिशा नई सामग्री का परीक्षण है; उदाहरण के लिए, एलएसआई का उपयोग प्रासंगिक संक्रमणों की कल्पना करने और अनुशंसित प्रिंटर सेटिंग्स को निष्पक्ष रूप से निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है जो शीर्ष परत के आवेदन पर पांच-परत वेल्डिंग क्षेत्र देते हैं। एक अन्य अनुप्रयोग विशिष्ट स्थितियों में वेल्डिंग क्षेत्र का अध्ययन करना हो सकता है जहां प्रिंट की गुणवत्ता विश्वसनीय रूप से अच्छी नहीं है, जैसे कि पुलों, ओवरहैंग या तेज कोनों के लिए। यदि कठिन परिस्थितियों में वेल्डिंग क्षेत्र को बेहतर ढंग से समझा जा सकता है, तो जी-कोड में क्षतिपूर्ति करना संभव होना चाहिए। बिल्ड प्लेट18 में अच्छा आसंजन प्राप्त करने के लिए पहली परत को बाकी परतों की तुलना में गर्म और धीमी गति से प्रिंट करना पहले से ही आम बात है। हम इसी तरह के गतिशील जी-कोड स्लाइसिंग के उपयोग की कल्पना करते हैं, जहां, उदाहरण के लिए, कोनों या पुलों का उत्पादन करने के लिए फैन कूलिंग को समायोजित किया जा सकता है। बाहरी दीवार सामग्री को चिकनी फिनिश और बाकी सामग्री के साथ प्रिंट करना और सामग्री की ताकत और दृश्य उपस्थिति दोनों को अधिकतम करने के लिए खुरदरी लेकिन मजबूत भरना भी संभव होना चाहिए।
इस लेख ने प्लास्टिक एक्सट्रूज़न के बाद परत बंधन प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए एलएसआई के आवेदन पर चर्चा की है। तकनीक इस कार्य के लिए उत्कृष्ट है, क्योंकि यह 3 डी प्रिंटिंग के दौरान वास्तविक समय में प्राथमिक मान्यताओं के बिना अंतर्निहित बहुलक गति की कल्पना कर सकती है। हालांकि, यह सामग्री सामंजस्य पर कोई जानकारी नहीं देता है, इसलिए अतिरिक्त परीक्षण की आवश्यकता होगी। चर्चा की गई अन्य कमियां स्थितिजन्य हैं; प्रति सेकंड चार एलएसआई छवियों की सीमित इमेजिंग गति को एक बड़े लेजर और अतिरिक्त लेजर सुरक्षा उपायों के साथ बढ़ाया जा सकता है, और कंपन संवेदनशीलता को सावधानी या कंपन में कमी हार्डवेयर की आवश्यकता होती है। एलएसआई को सस्ते और छोटे डिजिटल कैमरों और लेजर19,20 के साथ किया जा सकता है, जो लाइव गुणवत्ता नियंत्रण और प्रिंटिंग मापदंडों की गतिशील ट्यूनिंग के लिए लगभग हर 3 डी प्रिंटर में एकीकरण की अनुमति देता है। हालांकि, 3 डी प्रिंटिंग के दौरान परत बंधन के गहन ज्ञान को विकसित करने के लिए एलएसआई को नियोजित करना अधिक समझ में आता है। यदि इस समझ का उपयोग अधिक उन्नत स्लाइसिंग सॉफ़्टवेयर विकसित करने के लिए किया जाता है, तो प्रत्येक उपभोक्ता 3 डी प्रिंटर प्राप्त ज्ञान से लाभ उठा सकता है।
The authors have nothing to disclose.
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