ولم يتلق صاحبا البلاغ أي تمويل خارجي.

1. إعداد ومحاذاة أداة LSI مع طابعة 3D
<ol><li>ضع طابعة 3D على سطح ثابت لتقليل الاهتزازات. ضع أداة LSI بجانبها بحيث يكون للكاميرا رؤية واضحة لمنطقة الطباعة. ضع أداة LSI أعلى قليلا من لوحة بناء الطابعة 3D ، وقم بإمالتها لأسفل قليلا جدا حتى لا يتم إعاقة الرؤية.</li>
	<li>قم بتشغيل إضاءة الليزر والمجال الساطع ، وتحقق من محاذاتها مع منطقة التصوير. اضبط طاقة الليزر على 20 ميجاوات ، وتأكد من خروج الليزر من صندوق الإعداد الموسع على مساحة كبيرة (عدة سنتيمترات مربعة) ، وتأكد من أن كثافة الطاقة منخفضة بما يكفي (عدة مرات أقل من مؤشر الليزر) لاستخدامها في الموقع دون اتخاذ تدابير أمان إضافية مثل نظارات الليزر أو حاويات سوداء. تنبيه: لا تنظر مباشرة إلى الليزر.</li>
	<li>ابدأ بطباعة اختبار (على سبيل المثال ، ملف الترميز التكميلي 1 أو ملف الترميز التكميلي 2) لجعل المحاذاة والإعداد التجريبي أكثر ملاءمة (الخطوات 1.3-1.6). تأكد من تركيز كاميرا LSI على منطقة الطباعة.</li>
	<li>أثناء هذه الطباعة التجريبية الأولى ، قم بمحاذاة الإضاءة والكاميرا الرقمية على النحو الأمثل. اضبط اتجاه الليزر بحيث تضيء منطقة التصوير بأكملها بشكل متجانس ، واضبط الحجاب الحاجز بحيث يكون حجم البقع أكبر قليلا من حجم البكسل.</li>
	<li>قم بتحسين معدل الإطارات ووقت التعريض بحيث يتم تقليل عدد وحدات البكسل ذات التعرض المنخفض والتعرض الزائد لتحقيق أقصى نطاق ديناميكي.</li>
	<li>اختر المعلمات الصحيحة لتحليل بيانات LSI المباشر ؛ الأهم من ذلك ، حدد التردد الذي ينتج أفضل تباين في التصوير بين البلاستيك المصهور والصلب. اضبط منطقة الاهتمام (ROI) وقياس خريطة الألوان. في هذه الحالة ، تم اختيار طول سلسلة فورييه 16 ، وتم تصور سعة التردد الثاني. نظرا لأن معدل جمع صور البقع هو 50 إطارا في الثانية ، فإن التردد المرئي هو 6.25 هرتز.</li>
	<li>قم بإعداد أداة LSI لالتقاط الصور لتجربة طباعة 3D واحدة. اختر عدد مرات حفظ الصور ومدتها. في هذه الحالة ، تم حفظ الصور كل 0.25 ثانية بحيث تم حفظ صور متعددة لكل تمريرة لرأس الطابعة. لكل تجربة ، تم حفظ الصور لمدة 15 دقيقة حيث استغرقت كل مهمة طباعة 12 دقيقة كحد أقصى.</li>
</ol>2. إعداد تصميم الطباعة ثلاثية الأبعاد وكود G
<ol><li>ارسم الكائن باستخدام برنامج رسم 3D من اختيارك ، وقم بتصدير الكائن كملف .stl. في هذه الحالة ، تم استخدام جدار به حواف وثقوب ، كما هو موضح في الشكل 1 ويمكن تنزيله من ملف الترميز التكميلي 1.</li>
	<li>قم باستيراد ملف .stl إلى برنامج التقطيع، واختر إعدادات الطباعة. تعتمد هذه الإعدادات على اختيار المواد وطراز طابعة 3D ؛ بالنسبة للحالة المستخدمة في هذه الدراسة ، استخدم الإعدادات الموضحة في الجدول 1. استخدم خيطا يفضل أن يكون أبيض أو أي لون ينثر ضوء الليزر دون امتصاص كبير.</li>
	<li>اضغط على زر Slice ( Slice) في برنامج التقطيع للحصول على الطبقات ومسار انتقال رأس الطباعة. يمكن العثور على ملف تكوين برنامج التقطيع في ملف الترميز التكميلي 3.</li>
	<li>احفظ رمز G الناتج (ملف الترميز التكميلي 2) ، وأرسله إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد.</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65415/65415fig01.jpg"> الشكل 1: تصميم الكائن. عرض 3D (يسار) وعرض 2D (يمين) من الجانب والأمام وأعلى تصميم الكائن. تمثل الشبكة 1.0 مم × 1.0 مم ، مع 1.0 سم × 1.0 سم بالخط العريض. يبلغ طول الجدار 25 مم × 12 مم × 1.2 مم (العرض × الارتفاع × العمق) ، ويبلغ عرض التلال 1.0 مم ، وعمقها 0.4 مم ، ويفصل بينها 1.0 مم. يبلغ عرض النوافذ 1.0 مم وارتفاعها 2.0 مم. يمكن العثور على تصميم 3D في ملف الترميز التكميلي 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/65415fig01large.jpg" target="_blank">يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>الخاصية / الإعداد</td>
			<td>قيمة</td>
		</tr><tr><td>خيوط</td>
			<td>حمض اللبنيك (PLA) ، أبيض</td>
		</tr><tr><td>قطر الفوهة</td>
			<td>0.4 مم</td>
		</tr><tr><td>سمك الطبقة</td>
			<td>0.2 مم</td>
		</tr><tr><td>درجة حرارة الفوهة</td>
			<td>210 درجة مئوية</td>
		</tr><tr><td>سرعة مروحة التبريد</td>
			<td>100%</td>
		</tr><tr><td>سرعة الطباعة</td>
			<td>10 مم / ثانية</td>
		</tr><tr><td>سرعة السفر</td>
			<td>10 مم / ثانية</td>
		</tr><tr><td>درجة حرارة السرير</td>
			<td>60 درجة مئوية</td>
		</tr></tbody></table>الجدول 1: إعدادات الطباعة ثلاثية الأبعاد. الإعدادات وخصائص الطابعة المستخدمة لتقطيع تصميم الكائن. بالنسبة للتجربة الثانية ، تم تغيير سرعة المروحة يدويا إلى 0٪.
3. إجراء التجربة
<ol><li>ابدأ تشغيل طابعة 3D ، وانتظر حتى تنتهي فترة الإحماء.</li>
	<li>يمكن بدء قياس LSI في أي لحظة ، ولكن لمنع توفير البيانات غير الضروري ، ابدأ قياس LSI عندما يبدأ البلاستيك في البثق.</li>
	<li>انتظر حتى تنتهي الطابعة 3D، ثم أوقف قياس LSI.</li>
	<li>قم بتحميل البيانات الناتجة في برنامج عرض الصور ، وافحص الكائن المطبوع بصريا. قارن حركات البوليمر البلاستيكية المقاسة أثناء الطباعة مع السلامة الهيكلية النهائية وجودة السطح.</li>
</ol>

تصور ديناميكيات البوليمر لتحسين جودة الطباعة 3D

<ol>
	<li>Daminabo, S. C., Goel, S., Grammatikos, S. A., Nezhad, H. Y., Thakur, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fused+deposition+modeling-based+additive+manufacturing+(3D+printing):+Techniques+for+polymer+material+systems.">Fused deposition modeling-based additive manufacturing (3D printing): Techniques for polymer material systems.</a> Materials Today Chemistry. 16, 100248 (2020).</li><li>Lee, C. Y., Liu, C. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+forced-air+cooling+on+a+3D+printed+PLA+part+manufactured+by+fused+filament+fabrication.">The influence of forced-air cooling on a 3D printed PLA part manufactured by fused filament fabrication.</a> Additive Manufacturing. 25, 196-203 (2019).</li><li>Seppala, J. E., Migler, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Infrared+thermography+of+welding+zones+produced+by+polymer+extrusion+additive+manufacturing.">Infrared thermography of welding zones produced by polymer extrusion additive manufacturing.</a> Additive Manufacturing. 12, 71-76 (2016).</li><li>Shmueli, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+in+situ+X-ray+scattering+and+infrared+imaging+of+polymer+extrusion+in+additive+manufacturing.">Simultaneous in situ X-ray scattering and infrared imaging of polymer extrusion in additive manufacturing.</a> ACS Applied Polymer Materials. 1 (6), 1559-1567 (2019).</li><li>Dinwiddie, R. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Infrared+imaging+of+the+polymer+3D-printing+process.">Infrared imaging of the polymer 3D-printing process.</a> Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXVI. 9105, 910502 (2014).</li><li>Yousefpour, A., Hojjati, M., Immarigeon, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fusion+bonding/welding+of+thermoplastic+composites.">Fusion bonding/welding of thermoplastic composites.</a> Journal of Thermoplastic Composite Materials. 17 (4), 303-341 (2004).</li><li>Peterson, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+acrylonitrile+butadiene+styrene+in+fused+filament+fabrication:+A+plastics+engineering-focused+perspective.">Review of acrylonitrile butadiene styrene in fused filament fabrication: A plastics engineering-focused perspective.</a> Additive Manufacturing. 27, 363-371 (2019).</li><li>Menaka, M., Vasudevan, M., Venkatraman, B., Raj, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimating+bead+width+and+depth+of+penetration+during+welding+by+infrared+thermal+imaging.">Estimating bead width and depth of penetration during welding by infrared thermal imaging.</a> Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 47 (9), 564-568 (2005).</li><li>M&#246;llmann, K. P., Vollmer, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Infrared+thermal+imaging+as+a+tool+in+university+physics+education.">Infrared thermal imaging as a tool in university physics education.</a> European Journal of Physics. 28 (3), 37 (2007).</li><li>Dela Torre, I. M., Montes, M. D. S. H., Flores-Moreno, J. M., Santoyo, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+speckle+based+digital+optical+methods+in+structural+mechanics:+A+review.">Laser speckle based digital optical methods in structural mechanics: A review.</a> Optics and Lasers in Engineering. 87, 32-58 (2016).</li><li>Senarathna, J., Rege, A., Li, N., Thakor, N. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+speckle+contrast+imaging:+Theory,+instrumentation+and+applications.">Laser speckle contrast imaging: Theory, instrumentation and applications.</a> IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 99-110 (2013).</li><li>Bu&#307;s, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simpler,+faster,+and+softer:+Towards+broad+application+of+laser+speckle+imaging+in+art+conservation+and+soft+matter.">Simpler, faster, and softer: Towards broad application of laser speckle imaging in art conservation and soft matter.</a> Wageningen University and Research. , (2022).</li><li>van der Kooij, H. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphing+of+liquid+crystal+surfaces+by+emergent+collectivity.">Morphing of liquid crystal surfaces by emergent collectivity.</a> Nature Communications. 10 (1), 3501 (2019).</li><li>van Der Kooij, H. M., Broer, D. J., Liu, D., Sprakel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electroplasticization+of+liquid+crystal+polymer+networks.">Electroplasticization of liquid crystal polymer networks.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 12 (17), 19927-19937 (2020).</li><li>van der Kooij, H. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+speckle+strain+imaging+reveals+the+origin+of+delayed+fracture+in+a+soft+solid.">Laser speckle strain imaging reveals the origin of delayed fracture in a soft solid.</a> Science Advances. 4 (5), (2018).</li><li>vander Kooij, H. M., Susa, A., Garc&#237;a, S. J., vander Zwaag, S., Sprakel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+the+molecular+motions+of+autonomous+repair+in+a+self-healing+polymer.">Imaging the molecular motions of autonomous repair in a self-healing polymer.</a> Advanced Materials. 29 (26), 1701017 (2017).</li><li>Buijs, J., Gucht, J. V. D., Sprakel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fourier+transforms+for+fast+and+quantitative+laser+speckle+imaging.">Fourier transforms for fast and quantitative laser speckle imaging.</a> Scientific Reports. 9 (1), 13279 (2019).</li><li>Ehrmann, G., Ehrmann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+the+shape-memory+properties+of+3D+printed+PLA+structures+with+different+infills.">Investigation of the shape-memory properties of 3D printed PLA structures with different infills.</a> Polymers. 13 (1), 164 (2021).</li><li>Richards, L. M., Kazmi, S. S., Davis, J. L., Olin, K. E., Dunn, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+laser+speckle+contrast+imaging+of+blood+flow+using+a+webcam.">Low-cost laser speckle contrast imaging of blood flow using a webcam.</a> Biomedical Optics Express. 4 (10), 2269-2283 (2013).</li><li>Chen, H. L., Lai, C. L., Hsu, K. Y., Liu, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implementation+of+laser+speckle+imaging+system+with+low+cost+consumer+graded+instrumentation+for+skin+perfusion.">Implementation of laser speckle imaging system with low cost consumer graded instrumentation for skin perfusion.</a> 2016 IEEE International Conference on Consumer Electronics-Taiwan (ICCE-TW). , 1-2 (2016).</li></ol>

جيسي بويجس بصدد بدء شركة ناشئة تبيع أداة وبرامج LSI المستخدمة في هذه المقالة. يعلن المؤلفون الآخرون عدم وجود تضارب في المصالح.

تظهر التجارب والنتائج الموضحة في هذا البحث أن LSI هي أداة سهلة التطبيق تسمح بفهم أعمق للترابط الطبقي أثناء التصنيع المضاف. يسمح LSI بالقياس المباشر لحركة البوليمر ، والتي يجب ضبطها بدقة لتشكيل مادة متماسكة عن طريق التداخل والتشابك اللاحق لسلاسل البوليمر. البديل الأكثر شيوعا لقياس الترابط الطبقي في الموقع هو التصوير بالأشعة تحت الحمراء3،4،5. تصور هذه الطريقة الراسخة درجة حرارة السطح المحلية للبلاستيك 8,9 ، وهو قياس غير مباشر لحركة البوليمر داخل المادة. مع البلاستيك الأكثر سخونة ، تكون الحركة أسرع ، ويصبح الترابط أقوى. ومع ذلك، فإن العلاقة بين درجة الحرارة والحركة ليست خطية، حيث تعبر درجات حرارة الطباعة درجات حرارة الذوبان والتزجج 6,7. يمكن ملاحظة هذه العلاقة غير التافهة مباشرة في صور LSI. على وجه التحديد ، هناك انتقال حاد بين المناطق العلوية الشبيهة بالسائل والمناطق السفلية الشبيهة بالمواد الصلبة ، في حين من المتوقع أن يكون تدرج درجة الحرارة أكثر تدرجا. عيب آخر في التصوير بالأشعة تحت الحمراء هو أنه يقيس درجة حرارة السطح فقط ، بينما يقيس LSI حركة البوليمر عادة بعمق عدة ملليمترات داخل المادة.
تماما كما هو الحال مع التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، فإن تنفيذ LSI هذا هو في الأساس طريقة توجيه وتصوير. يمكن استخدامه في الموقع إذا كان من الممكن توجيه الكاميرا إلى منطقة الاهتمام. يوفر الحامل ثلاثي القوائم متعدد الاستخدامات ومسافة العمل الطويلة التي تبلغ 0.7 متر حرية استخدام أي طابعة ثلاثية الأبعاد متوفرة. بشكل حاسم ، LSI حساس للحركات النانوية ، وبالتالي ، يجب تقليل الاهتزازات من المناطق المحيطة وعملية الطباعة نفسها17. على سبيل المثال ، سيؤدي أداء مهمة أخرى على نفس الطاولة أو إغلاق الباب إلى حدوث تداخل. لذلك ، ينبغي للمرء أن يتجول بعناية حول الإعداد ؛ ومع ذلك ، لا تتداخل أضواء الغرفة أو تدفق الهواء بشكل عام مع العملية.
يعطي LSI نظرة تفصيلية على عملية ربط الطبقة ويمكن تطبيقه بسهولة مثل التصوير بالأشعة تحت الحمراء. نحن نتصور أن LSI لديها إمكانات كبيرة في المساعدة على تطوير وفهم أساليب الطباعة 3D المتقدمة. يظهر مسح سرعة مروحة التبريد لمحة عما هو ممكن من خلال الجمع بين LSI والطباعة ثلاثية الأبعاد. كما تمت مناقشته في المقدمة ، فإن سرعة التبريد المثلى هي التوازن بين الحفاظ على البلاستيك المنصهر لفترة كافية لتحسين الترابط الطبقي ولكن تبريده بسرعة كافية لمنع التدفق. كانت نتائج سرعة مروحة التبريد 40٪ -100٪ متشابهة جدا ؛ في الواقع ، لم تظهر سرعات المروحة هذه أي تدفق وأنتجت جودة سطح جيدة. مع سرعة مروحة التبريد 0٪ ، بدأت المادة في التدفق بعيدا عن الموقع المطبوع ، ولكن لوحظ وجود رابطة طبقة واسعة في قياس LSI. بناء على نتائجنا ، يمكن أن تكون سرعة مروحة التبريد بنسبة 20٪ مثالية لتحقيق رابطة طبقة محسنة قليلا دون المساس بجودة السطح. ومع ذلك ، لاستخلاص استنتاجات يمكن تطبيقها في الممارسة العملية ، يجب تقييم سرعات مروحة تبريد أكبر بين 0٪ و 40٪. من المستحسن أيضا وضع مقاييس كمية لجودة السطح وقوة المواد للحصول على رؤية موضوعية وكاملة لتأثيرات حركة البوليمر على الخصائص المطلوبة. مع هذه الإضافة ، يمكن جعل النهج أكثر قوة لتقييم تقدم الطباعة الإبداعية 3D.
الإعدادات الدقيقة التي يتم اختيارها لتحليل LSI ليست عرضة للأخطاء الفادحة طالما يمكن تمييز مراحل البلاستيك الشبيهة بالسائل والبلاستيك الشبيه بالصلب بوضوح. تتغير حركة البوليمر بشكل كبير عند عبور درجات حرارة الذوبان والتزجج، لذا فإن مجموعة كبيرة من إعدادات LSI تلتقط التباين جيدا. يمكن اختبار ذلك بسهولة من خلال اختبار طباعة كائن مباشر (على سبيل المثال ، جدار مستقيم) باستخدام إعدادات طابعة 3D الموصى بها من قبل مورد المواد. بالنسبة لمستخدمي LSI الأكثر تقدما، يمكن أن يؤدي التعمق في نطاق التردد إلى الحصول على معلومات إضافية، حيث يمكن تمييز أنواع مختلفة من حركة البوليمر كميا. على سبيل المثال ، ترتبط حركة البوليمر عالية التردد بأعلى درجات الحرارة ، والتي لا توجد إلا بالقرب من رأس الطابعة. ترتبط حركة البوليمر منخفضة التردد بدرجات حرارة معتدلة ، والتي توجد في منطقة أكبر بكثير حول رأس الطابعة وأيضا لفترة أطولبكثير 17. يجب فحص ما إذا كانت درجة الترابط لحركة البوليمر التراكمية منخفضة التردد يمكن أن تكون مساوية لتلك مع الحركة القصيرة عالية التردد (على سبيل المثال ، مع التحليل الميكانيكي الديناميكي). يتم اختيار معظم الإعدادات الأخرى ، مثل مقياس خريطة الألوان ، وعائد الاستثمار ، والفاصل الزمني للتوفير ، وطول التجربة ، فقط لإعطاء نتيجة واضحة وجذابة بصريا. فيما يتعلق بإعدادات الطباعة 3D ، هناك أيضا الكثير من الحرية ، حيث يسمح LSI للمستخدم بتقييم نتائج تغيير أي من الإعدادات بشكل موضوعي. والجدير بالذكر أن تغيير سرعة الطباعة بشكل جذري يغير تفسير بيانات LSI. في هذا العمل ، تم استخدام سرعة طباعة وانتقال بطيئة تبلغ 10 مم / ثانية من أجل التقاط صور LSI متعددة أثناء مرور واحد لرأس الطابعة. إذا تم استخدام سرعة طباعة أكثر شيوعا تبلغ 60 مم / ثانية ل PLA ، فستتم طباعة طبقة كاملة واحدة تقريبا لكل صورة LSI ، وبالتالي ، سيحدث متوسط داخل طبقة واحدة. في حالة تجربة سرعات عالية مثل 300 مم / ثانية وأسرع ، سيحدث متوسط على طبقات متعددة. ومع ذلك، يعتمد هذا تماما على هندسة الطباعة الدقيقة وإعدادات LSI ويمكن تخفيفه بسهولة بواسطة مستخدم LSI ذي خبرة من خلال التصميم المتقدم للجهاز، أو ضبط حجم مجال الرؤية، أو استخدام كاميرا أسرع. يتطلب كلا النهجين ليزرا أكثر قوة ، والذي يتطلب ، بالاقتران مع رأس الطابعة العاكس ، احتياطات أمان ليزر إضافية. كما أن سرعة الطباعة البطيئة نسبيا لها تأثير إيجابي على الترابط الطبقي ، حيث ثبت سابقا أن انتقال الحرارة إلى البلاستيك يزداد مع سرعات طباعة أبطأ5.
ويتمثل أحد الاتجاهات الجديدة الممكنة لهذا النهج في اختبار المواد الجديدة؛ على سبيل المثال ، يمكن استخدام LSI لتصور الانتقالات ذات الصلة وتحديد إعدادات الطابعة الموصى بها بشكل موضوعي والتي توفر منطقة لحام من خمس طبقات عند تطبيق الطبقة العليا. يمكن أن يكون التطبيق الآخر هو دراسة منطقة اللحام في مواقف محددة حيث لا تكون جودة الطباعة جيدة بشكل موثوق ، مثل الجسور أو الأجزاء المتدلية أو الزوايا الحادة. إذا كان من الممكن فهم منطقة اللحام في المواقف الصعبة بشكل أفضل ، فيجب أن يكون من الممكن التعويض في رمز G. من الممارسات الشائعة بالفعل طباعة الطبقة الأولى أكثر سخونة وأبطأ من بقية الطبقات لتحقيق التصاق جيد بلوحة البناء18. نتصور استخدام تشريح G-code ديناميكي مماثل حيث ، على سبيل المثال ، يمكن ضبط تبريد المروحة لإنتاج زوايا أو جسور. يجب أن يكون من الممكن أيضا طباعة مادة الجدار الخارجي بتشطيب أكثر سلاسة وبقية المواد والحشو أكثر خشونة ولكن أقوى لزيادة قوة المواد والمظهر المرئي.
ناقشت هذه المقالة تطبيق LSI لدراسة عملية ربط الطبقة بعد بثق البلاستيك. هذه التقنية ممتازة لهذه المهمة ، حيث يمكنها تصور حركة البوليمر الأساسية دون افتراضات مسبقة في الوقت الفعلي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، فإنه لا يعطي أي معلومات عن تماسك المواد ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى اختبارات إضافية. العيوب الأخرى التي نوقشت هي الظرفية. يمكن زيادة سرعة التصوير المحدودة لأربع صور LSI في الثانية باستخدام ليزر أكبر وتدابير أمان ليزر إضافية ، وتتطلب حساسية الاهتزاز احتياطات أو أجهزة تقليل الاهتزاز. يمكن إجراء LSI باستخدام الكاميرات الرقمية الرخيصة والصغيرة والليزر 19,20 ، مما يسمح بالاندماج في كل طابعة ثلاثية الأبعاد تقريبا لمراقبة الجودة الحية والضبط الديناميكي لمعلمات الطباعة. ومع ذلك ، فمن المنطقي استخدام LSI لتطوير معرفة شاملة بالترابط الطبقي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. إذا تم استخدام هذا الفهم لتطوير برامج تشريح أكثر تقدما ، يمكن لكل طابعة 3D للمستهلك الاستفادة من المعرفة المكتسبة.

طريقة الطباعة 3D هي تقنية تصنيع مضافة يتم فيها تصنيع كائن طبقة تلو الأخرى لتشكيل الشكل المطلوب. تتمتع هذه الطريقة بقاعدة مستخدمين كبيرة ومتنوعة بفضل تنوعها والقدرة على تحمل التكاليف وسهولة الاستخدام. تتميز نمذجة الترسيب المنصهر بطارد متحرك (يبلغ قطره مئات الميكرونات إلى بضعة ملليمترات) لإيداع البلاستيك المصهور في الشكل المطلوب1. يجب أن يتصرف البلاستيك المبثوق بطريقة تشبه السائل لفترة معينة لتحقيق اندماج جيد مع البلاستيك المطبوع مسبقا وتشكيل مادة متماسكة بقوة. ومع ذلك ، يجب أن يبرد البلاستيك ويتصلب بسرعة بعد الطباعة لمنع البلاستيك من التدفق بعيدا عن موقع الطباعة وتقليل جودة الطباعة. وقد ثبت أن هذا التفاعل الدقيق بين التسخين والتبريد يدعم بشكل مباشر التوازن بين القوة الميكانيكية والدقة الهندسية للكائن النهائي المطبوعثلاثي الأبعاد 2. لتحقيق التوازن الأمثل للتدفئة والتبريد ، يتم بثق البلاستيك عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة الانصهار ، ويتم استخدام رأس مروحة متصل بالطابعة لتبريد البلاستيك بسرعة. يمكن أن يوفر الفهم المتعمق لتأثيرات درجات حرارة الطباعة وسرعات التبريد الرؤى المطلوبة لتطوير بروتوكولات التقطيع والطباعة المتقدمة التي تزيد من النتائج الميكانيكية أو الهندسية في المناطق التي تكون فيها أكثر أهمية. غالبا ما تعتمد الجهود المبذولة لاكتساب مزيد من التبصر في هذه العمليات على التصوير بالأشعة تحت الحمراء (IR) ، والذي يصور فقط درجة حرارة السطح3،4،5 ولا يشير إلى درجة الحرارة الداخلية للبلاستيك. التسخين المحلي بعد انتقال الذوبان يزيد بشكل كبير من حركة البوليمر ، وبالتالي يسمح بتشابك البوليمر بين المادة القديمة والجديدة. تعد حركة البوليمر المحسنة مؤقتا شرطا لتشكيل المادة المتماسكة النهائية 6,7 ، لكن التصوير بالأشعة تحت الحمراء يمكنه فقط قياس حركة البوليمر بشكل غير مباشر من خلال درجة حرارة السطح 8,9. وبالتالي ، فإن ترجمة درجة حرارة السطح إلى رابطة طبقية تتطلب معرفة دقيقة بتدرج درجة حرارة سطح القلب وديناميكيات البوليمر المعقدة المرتبطة بها على مدى نطاق من مقاييس الوقت والطول. سيسمح القياس المباشر لرابطة الطبقة (أي عملية تشابك البوليمر) بتصور الآلية الكامنة وراء تماسك المواد السائبة دون معلومات أو افتراضات مسبقة.
لفهم التوزيع المكاني والزماني للترابط الطبقي ، يتم استخدام تقنية التصوير التي تحدد بشكل مباشر ديناميكيات البوليمرات التي تشكل الخيوط البلاستيكية في هذا العمل. تعتمد هذه التقنية ، تصوير البقع بالليزر (LSI) ، على تشتت الضوء التداخل لتصور الحركات النانوية ، بغض النظر عن التركيب الكيميائي. اعتمادا على الخصائص البصرية للعينة ، يمكنها قياس عدة ملليمترات إلى سنتيمترات بدقة في مواد غير شفافة10،11،12 ، على عكس التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، الذي يبلغ عن درجات حرارة السطح 8,9 فقط. جعلت هذه السمات مؤخرا الأساليب القائمة على البقع شائعة في فهم العمليات الديناميكية في عدد كبير من المواد ، على الرغم من أنها تم تطويرها في الأصل للتطبيقات الطبية10،11،12. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام LSI لاكتساب نظرة ثاقبة لسلوك المواد البوليمرية المتقدمة مثل شبكات البوليمر البلوري السائل ذاتية التنظيف 13,14 ، وكذلك للتنبؤ بالكسر في المطاط15 ولدراسة مواد الشفاء الذاتي16.
تم عرض جدوى تطبيق LSI على الطباعة ثلاثية الأبعاد في مقالة سابقة17 ، حيث تم تقديم إعداد LSI محمول مع إمكانات التحليل في الوقت الفعلي ، وتبين أن ترسب البلاستيك المصهور يؤدي إلى زيادة حركة البوليمر طبقات متعددة أسفل الطبقة الحالية. في الورقة المقدمة هنا ، يتم إجراء بحث منهجي في تأثيرات سرعة مروحة التبريد على درجة الترابط متعدد الطبقات. يتم استخدام نسخة محسنة للتوصيل والتشغيل من الأداة المحمولة التي يمكن تشغيلها من قبل المستخدمين دون بصريات أو خبرة في البرمجة. يتم تحليل صور البقع في الوقت الفعلي باستخدام تحويلات فورييه17 ، والتي تصور سعة تقلبات شدة البقع. يحتوي هذا الجهاز على كاميرا برايت فيلد إضافية تتماشى مع كاميرا البقع بحيث يمكن تراكب خرائط الحركة LSI مع صور برايت فيلد لتسهيل التفسير دون تأثير ضوء برايت فيلد على خرائط الحركة. يمكن استخدام النهج التجريبي المقدم في هذه المقالة لاكتساب مزيد من التبصر في ذوبان البلاستيك المبثوق وترابطه وتصلبه أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد للهندسة والمواد الصعبة.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D-drawing sofware</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td>TinkerCad</td>
			<td>tinkercad.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D-Printer</td>
			<td>Prusa3D</td>
			<td>Original Prusa i3 MK3S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Advanced data analysis software</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>MATLAB R2018b</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image viewing sofware</td>
			<td>National Institutes of Health</td>
			<td>ImageJ 1.47v</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LSI instrument</td>
			<td>NanoMoI</td>
			<td>NanoMoi allround</td>
			<td>company to be founded 2023</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polylactic acid (PLA) filament</td>
			<td>REAL</td>
			<td>filament white 1,75 mm PLA 1 kg</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slicing software</td>
			<td>Prusa3D</td>
			<td>PrusaSlicer-2.5.0</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

real-time imaging of bonding in 3d-printed layers

في الآونة الأخيرة ، أحدثت تقنية الطباعة 3D ثورة في قدرتنا على تصميم وإنتاج المنتجات ، ولكن تحسين جودة الطباعة قد يكون أمرا صعبا. تتضمن عملية بثق الطباعة 3D الضغط على المواد المنصهرة من خلال فوهة رقيقة وإيداعها على المواد المبثوقة سابقا. تعتمد هذه الطريقة على الترابط بين الطبقات المتتالية لإنشاء منتج نهائي قوي وجذاب بصريا. هذه ليست مهمة سهلة ، حيث يجب ضبط العديد من المعلمات ، مثل درجة حرارة الفوهة وسمك الطبقة وسرعة الطباعة ، لتحقيق أفضل النتائج. في هذه الدراسة ، تم تقديم طريقة لتصور ديناميكيات البوليمر أثناء البثق ، مما يعطي نظرة ثاقبة لعملية الترابط الطبقي. باستخدام تصوير البقع بالليزر ، يمكن حل تدفق البلاستيك والانصهار بشكل غير جراحي وداخلي وبدقة زمانية مكانية عالية. يوفر هذا القياس ، الذي يسهل تنفيذه ، فهما متعمقا للآليات الأساسية التي تؤثر على جودة الطباعة النهائية. تم اختبار هذه المنهجية مع مجموعة من سرعات مروحة التبريد ، وأظهرت النتائج زيادة حركة البوليمر مع سرعات أقل للمروحة ، وبالتالي ، أوضحت جودة الطباعة الرديئة عند إيقاف تشغيل مروحة التبريد. تظهر هذه النتائج أن هذه المنهجية تسمح بتحسين إعدادات الطباعة وفهم سلوك المواد. يمكن استخدام هذه المعلومات لتطوير واختبار مواد طباعة جديدة أو إجراءات تقطيع متقدمة. مع هذا النهج ، يمكن بناء فهم أعمق للبثق لنقل الطباعة 3D إلى المستوى التالي.

The method of 3D printing is an additive manufacturing technique in which an object is manufactured layer by layer to form the desired shape. This method has a large and diverse user-base thanks to its versatility, affordability, and ease of use. Fused deposition modeling features a moving extruder (with a diameter of hundreds of microns to a couple of millimeters) to deposit molten plastic into the desired shape1. The extruded plastic should behave in a liquid-like manner for a certain duration to achieve good fusion with the previously printed plastic and form a strongly cohesive material. However, the plastic should cool down and solidify quickly after printing to prevent the plastic from flowing away from the print location and reducing the print quality. This delicate interplay between heating and cooling has been shown to directly underpin the balance between the mechanical strength and the geometric accuracy of the final 3D-printed object2. To achieve the optimal heating-cooling balance, the plastic is extruded at a temperature just above its melting temperature, and a fan head, attached to the printer, is used to cool the plastic down quickly. An in-depth understanding of the effects of printing temperatures and cooling speeds could provide the insights required for developing advanced slicing and printing protocols that maximize the mechanical or geometric results in the areas where they are most important. Efforts to gain more insight into these processes often rely on infrared (IR) imaging, which only visualizes the surface temperature3,4,5 and does not indicate the inner temperature of the plastic. Local heating beyond the melting transition drastically increases the polymer mobility and, thus, allows polymer entanglement between the old and new material. This temporally enhanced polymer motion is a requirement for the formation of the final cohesive material6,7, but IR imaging can only measure polymer motion indirectly through the surface temperature8,9. Translating the surface temperature to layer bonding thus necessitates precise knowledge of the core-surface temperature gradient and the associated complex polymer dynamics over a range of time and length scales. A direct measurement of the layer bonding (i.e., the polymer entanglement process) would allow the visualization of the mechanism underlying bulk material cohesion without a priori information or assumptions.
To gain an understanding of the spatial and temporal distribution of layer bonding, an imaging technique that directly quantifies the dynamics of the polymers that make up the plastic filament is employed in this work. This technique, laser speckle imaging (LSI), relies on interferometric light scattering to visualize nanoscopic motions, independent of the chemical composition. Depending on the optical properties of the sample, it can accurately measure several millimeters to centimeters into non-transparent materials10,11,12, unlike IR imaging, which reports only surface temperatures8,9. These attributes have recently made speckle-based methods popular in understanding dynamic processes in a plethora of materials, although they were originally developed for medical applications10,11,12. Recently, LSI has been used to gain insight into the behavior of advanced polymeric materials such as self-cleaning liquid crystal polymer networks13,14, as well as for predicting fracture in rubber15 and for studying self-healing materials16.
The feasibility of applying LSI to 3D printing was showcased in a previous article17, where a portable LSI setup with real-time analysis capabilities was presented, and it was shown that the deposition of molten plastic results in increased polymer motion multiple layers below the current layer. In the paper presented here, systematic research into the effects of the cooling fan speed on the degree of multi-layer bonding is performed. An improved plug-and-play version of the portable instrument is used that can be operated by users without optics or programming expertise. The speckle images are analyzed in real-time using Fourier transforms17, which visualize the amplitude of the speckle intensity fluctuations. This instrument has an additional brightfield camera that is aligned with the speckle camera so that the LSI motion maps can be overlayed with the brightfield images for easier interpretation without the brightfield light affecting the motion maps. The experimental approach presented in this article can be used to gain more insight into the melting, layer bonding, and solidification of extruded plastic during the 3D printing of challenging geometries and materials.

تسليط الضوء على المؤلف: التصوير في الوقت الحقيقي للترابط في طبقات مطبوعة 3D  

التصوير في الوقت الحقيقي للترابط في طبقات مطبوعة 3D

Our research aims to improve layer bonding during 3D printing. We use a method called laser speckle imaging to visualize the bonding process in real time. These insights will guide the optimization of printing conditions, hopefully leading to enhanced material design and performance.Currently, the layer bonding is studied using infrared imaging techniques that visualize this plastic*surface temperatures. To study layer bonding with infrared imaging, it is assumed that the inner temperature and the surface temperature is equal. Also, the complex relationship between temperature and the plastic fluidity has to be known.We've adapted laser speckle imaging for the use of 3D printing and have shown how to easily obtain deeper understanding of the layer bonding. Our LSI approach measures the polymer motion inside the plastic, visualizing the layer bonding without any assumptions. The technique is also non-invasive, easy to use, and has an excellent sensitivity.The method shown in this research can be used to study 3D prints or patterns that are challenging. The results can be used to understand how the setting should be changed to improve the print's quality.

Watch this Scientific Journal Video about Real-Time Imaging of Bonding in 3D-Printed Layers at JoVE.com

باستخدام تقنية غير جراحية وفي الوقت الفعلي ، يتم تصوير حركة البوليمر النانوية داخل خيوط البوليمر أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد 3D. يعد ضبط هذه الحركة أمرا بالغ الأهمية لإنتاج تركيبات ذات أداء ومظهر مثاليين. تصل هذه الطريقة إلى جوهر اندماج الطبقة البلاستيكية ، وبالتالي تقدم رؤى حول ظروف الطباعة المثلى ومعايير تصميم المواد.

In recent times, 3D printing technology has revolutionized our ability to design and produce products, but optimizing the print quality can be ...

يهدف بحثنا إلى تحسين الترابط الطبقي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. نستخدم طريقة تسمى التصوير بالليزر للبقع لتصور عملية الترابط في الوقت الفعلي. ستوجه هذه الرؤى تحسين ظروف الطباعة ، ونأمل أن تؤدي إلى تحسين تصميم المواد وأدائها.حاليا ، تتم دراسة الترابط الطبقي باستخدام تقنيات التصوير بالأشعة تحت الحمراء التي تصور درجات حرارة سطح البلاستيك *. لدراسة الترابط الطبقي مع التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، من المفترض أن درجة الحرارة الداخلية ودرجة حرارة السطح متساوية. أيضا ، يجب معرفة العلاقة المعقدة بين درجة الحرارة وسيولة البلاستيك.لقد قمنا بتكييف التصوير بالليزر باستخدام الطباعة 3D وأظهرنا كيفية الحصول بسهولة على فهم أعمق للترابط الطبقي. يقيس نهج LSI الخاص بنا حركة البوليمر داخل البلاستيك ، ويتصور رابطة الطبقة دون أي افتراضات. كما أن هذه التقنية غير جراحية وسهلة الاستخدام ولها حساسية ممتازة.يمكن استخدام الطريقة الموضحة في هذا البحث لدراسة مطبوعات 3D أو الأنماط التي تمثل تحديا. يمكن استخدام النتائج لفهم كيفية تغيير الإعداد لتحسين جودة الطباعة.

real-time-imaging-of-bonding-in-3d-printed-layers

Research

JoVE Journal

Engineering

Real-Time Imaging of Bonding in 3D-Printed Layers

1.7K Views.  Wageningen University & Research. يهدف بحثنا إلى تحسين الترابط الطبقي أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد. نستخدم طريقة تسمى التصوير بالليزر للبقع لتصور عملية الترابط في الوقت الفعلي. ستوجه هذه الرؤى تحسين ظروف الطباعة ، ونأمل أن تؤدي إلى تحسين تصميم المواد وأدائها.حاليا ، تتم دراسة الترابط الطبقي باستخدام ت...

Video: تسليط الضوء على المؤلف: التصوير في الوقت الحقيقي للترابط في طبقات مطبوعة 3D  

In recent times, 3D printing technology has revolutionized our ability to design and produce products, but optimizing the print quality can be challenging. The process of extrusion 3D printing involves pressuring molten material through a thin nozzle and depositing it onto previously extruded material. This method relies on bonding between the consecutive layers to create a strong and visually appealing final product. This is no easy task, as many parameters, such as the nozzle temperature, layer thickness, and printing speed, must be fine-tuned to achieve optimal results. In this study, a method for visualizing the polymer dynamics during extrusion is presented, giving insight into the layer bonding process. Using laser speckle imaging, the plastic flow and fusion can be resolved non-invasively, internally, and with high spatiotemporal resolution. This measurement, which is easy to perform, provides an in-depth understanding of the underlying mechanics influencing the final print quality. This methodology was tested with a range of cooling fan speeds, and the results showed increased polymer motion with lower fan speeds and, thus, explained the poor printing quality when the cooling fan was turned off. These findings show that this methodology allows for optimizing the printing settings and understanding the material behavior. This information can be used for the development and testing of novel printing materials or advanced slicing procedures. With this approach, a deeper understanding of extrusion can be built to take 3D printing to the next level.

With a non-invasive and real-time technique, nanoscopic polymer motion inside a polymer filament is imaged during 3D printing. Fine-tuning this motion is crucial for producing constructs with optimal performance and appearance. This method reaches the core of plastic layer fusion, thus offering insights into optimal printing conditions and material design criteria.

Setup and Alignment of the Laser Speckle Imaging (LSI) Instrument with the 3D Printer

Begin by placing the 3D printer on a steady surface to minimize vibrations. Place the LSI instrument next to the printer so that the camera has a clear view of the printing area. Position the LSI slightly higher than the camera build plate and tilt it downward slightly to prevent view obstruction.Next, turn on the laser and bright-field illumination and ensure that they are aligned with the imaging area. Start with a test print, making sure that the LSI camera is focused on the printing area. During the test print, optimally align the lighting and the digital camera and adjust the laser direction to illuminate the whole imaging area homogenously.Adjust the diaphragm so that the speckle size is slightly larger than the pixel size. Select the parameters for the live LSI data analysis, being sure to choose the frequency that produces the best imaging contrast between molten and solidified plastic. Choose the frequency and length of image saving to prepare the LSI instrument to capture images.

إعداد ومحاذاة أداة التصوير بالليزر (LSI) مع طابعة 3D

3D-Printing Setup and Real-Time Imaging of 3D-Printed Layer Bonding

Start by drawing the object using a 3D drawing software of choice and export the object as a dot SDL file. Next, import the dot SDL file into the slicing software and choose the printing settings. Press the slice button in the slicing software to obtain the layers and travel path of the print head.Save the resulting G-code and send it to the 3D printer. Now start the 3D printer and allow it to warm up. Start the LSI measurement when the plastic starts to extrude to prevent unnecessary data saving.Once the 3D printer is done printing, stop the LSI measurement. Load the resulting data into an image viewing software and visually inspect the printed object. Print quality of the object appeared good with the surface showing layer lines.LSI imaging showed increased polymer motion in the recently printed layers. The experiment when repeated with the cooling fan resulted in slower cooling of the plastic at 0%fan speed, causing poor visual print quality with irregular surface layer lines and blobs. The overall designed geometry was imperfectly reproduced with the windows and holes being deformed.LSI imaging indicated increased polymer motion throughout the whole object. Advanced data analysis for the comparative welding zones of six fan speeds showed peak profile positions at which the polymers were most mobile. The welding zone profiles for 40 to 100%cooling were nearly identical, while the zone for 0%cooling extended over the entire measured area.