המחברים לא קיבלו מימון חיצוני.

1. הגדרה ויישור של מכשיר LSI עם מדפסת התלת-ממד
<ol><li>הנח את מדפסת התלת-ממד על משטח יציב כדי למזער רעידות. הנח את מכשיר LSI לידו כך שלמצלמה תהיה תצוגה ברורה של אזור ההדפסה. מקם את מכשיר ה-LSI מעט גבוה יותר מלוח הבנייה של מדפסת התלת-ממד, והטה אותו מעט כלפי מטה כדי שהתצוגה לא תיחסם.</li>
	<li>הפעל את תאורת הלייזר והשדה הבהיר וודא שהם מיושרים עם אזור ההדמיה. הגדר את עוצמת הלייזר ל- 20 mW, ודא שהלייזר יוצא מקופסת ההתקנה המורחבת על פני שטח גדול (סנטימטרים רבועים מרובים), וודא שצפיפות ההספק נמוכה מספיק (נמוכה פי כמה ממצביע לייזר) לשימוש באתרו ללא אמצעי בטיחות נוספים כמו משקפי לייזר או מארז שחור. אזהרה: אין להביט ישירות לתוך הלייזר.</li>
	<li>התחל עם הדפסת בדיקה (לדוגמה, קובץ קידוד משלים 1 או קובץ קידוד משלים 2) כדי להפוך את היישור וההתקנה הניסיונית לנוחים יותר (שלבים 1.3-1.6). ודא שמצלמת LSI ממוקדת באזור ההדפסה.</li>
	<li>במהלך הדפסת בדיקה ראשונה זו, יישר בצורה אופטימלית את התאורה והמצלמה הדיגיטלית. כוונן את כיוון הלייזר כך שכל אזור ההדמיה יהיה מואר בצורה הומוגנית, וכוונן את הסרעפת כך שגודל הכתם יהיה מעט גדול יותר מגודל הפיקסלים.</li>
	<li>מטב את קצב הפריימים ואת זמן החשיפה, כך שמספר הפיקסלים שאינם חשופים מספיק וחשיפת יתר ימוזער כדי להשיג את הטווח הדינמי המרבי.</li>
	<li>בחר את הפרמטרים הנכונים לניתוח נתוני LSI חיים; והכי חשוב, בחר את התדר שמפיק את ניגודיות ההדמיה הטובה ביותר בין פלסטיק מותך ומוצק. התאם את אזור העניין (ROI) ואת שינוי קנה המידה של מפת הצבע. במקרה זה, נבחרה סדרת פורייה באורך של 16, והמשרעת של התדר השני הודגמה. מכיוון שקצב איסוף התמונות המנוקד הוא 50 פריימים לשנייה, התדר החזותי הוא 6.25 הרץ.</li>
	<li>הכן את מכשיר LSI כדי ללכוד את התמונות לניסוי הדפסה תלת-ממדית אחד. בחר באיזו תדירות ולמשך כמה זמן התמונות יישמרו. במקרה זה, התמונות נשמרו כל 0.25 שניות, כך שנשמרו תמונות מרובות בכל מעבר של ראש המדפסת. עבור כל ניסוי, התמונות נשמרו במשך 15 דקות מכיוון שכל עבודת הדפסה ארכה 12 דקות לכל היותר.</li>
</ol>2. הכנת עיצוב להדפסת תלת מימד ו-G-code
<ol><li>צייר את האובייקט באמצעות תוכנת ציור תלת-ממדית לפי בחירתך, וייצא את האובייקט כקובץ .stl. במקרה זה נעשה שימוש בקיר עם רכסים וחורים, שמוצג באיור 1 וניתן להוריד אותו מקובץ קידוד משלים 1.</li>
	<li>ייבא את קובץ ה- .stl לתוכנת הפריסה ובחר את הגדרות ההדפסה. הגדרות אלה יהיו תלויות בבחירת החומר ובדגם מדפסת התלת-ממד; במקרה שבו נעשה שימוש במחקר זה, השתמש בהגדרות המוצגות בטבלה 1. השתמשו בחוט להט רצוי לבן או בכל צבע שמפזר את אור הלייזר ללא בליעה משמעותית.</li>
	<li>לחצו על הלחצן ' פרוסה' בתוכנת הפריסה כדי לקבל את השכבות ואת נתיב הנסיעה של ראש ההדפסה. ניתן למצוא את קובץ תצורת תוכנת החיתוך בקובץ קידוד משלים 3.</li>
	<li>שמור את קוד ה- G שנוצר (קובץ קידוד משלים 2), ושלח אותו למדפסת התלת-ממד.</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65415/65415fig01.jpg"> איור 1: עיצוב אובייקטים. תצוגה תלת-ממדית (משמאל) ותצוגה דו-ממדית (מימין) מהצד, מהחזית ומלמעלה של עיצוב האובייקט. הרשת מייצגת 1.0 מ"מ x 1.0 מ"מ, עם 1.0 ס"מ x 1.0 ס"מ מודגש. הקיר הוא 25 מ"מ x 12 מ"מ x 1.2 מ"מ (רוחב x גובה x עומק), ואת הרכסים יש רוחב של 1.0 מ"מ, יש עומק של 0.4 מ"מ, והם מופרדים על ידי 1.0 מ"מ. רוחב החלונות 1.0 מ"מ וגובה 2.0 מ"מ. ניתן למצוא את העיצוב התלת-ממדי בקובץ קידוד משלים 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65415/65415fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td>מאפיין/הגדרה</td>
			<td>ערך</td>
		</tr><tr><td>נימה</td>
			<td>חומצה פולילקטית (PLA), לבן</td>
		</tr><tr><td>קוטר זרבובית</td>
			<td>0.4 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>עובי שכבה</td>
			<td>0.2 מ"מ</td>
		</tr><tr><td>טמפרטורת הזרבובית</td>
			<td>210°C</td>
		</tr><tr><td>קירור מהירות מאוורר</td>
			<td>100%</td>
		</tr><tr><td>מהירות הדפסה</td>
			<td>10 מ"מ/שנייה</td>
		</tr><tr><td>מהירות נסיעה</td>
			<td>10 מ"מ/שנייה</td>
		</tr><tr><td>טמפרטורת המיטה</td>
			<td>60°C</td>
		</tr></tbody></table>טבלה 1: הגדרות ההדפסה בתלת-ממד. ההגדרות ומאפייני המדפסת המשמשים לחיתוך עיצוב האובייקט. עבור הניסוי השני, מהירות המאוורר שונתה ידנית ל -0%.
3. ביצוע הניסוי
<ol><li>הפעל את מדפסת התלת-ממד והמתן לסיום תקופת ההתחממות.</li>
	<li>ניתן להתחיל במדידת LSI בכל רגע, אך כדי למנוע חיסכון מיותר בנתונים, התחל את מדידת LSI כאשר הפלסטיק מתחיל להתפשט.</li>
	<li>המתן לסיום השימוש במדפסת התלת-ממד ולאחר מכן הפסק את מדידת ה-LSI.</li>
	<li>טען את הנתונים המתקבלים לתוכנה להצגת תמונות, ובדוק חזותית את האובייקט המודפס. השווה את תנועות פולימר הפלסטיק שנמדדו במהלך ההדפסה עם שלמות המבנה הסופית ואיכות פני השטח.</li>
</ol>

ויזואליזציה של דינמיקת פולימרים למיטוב איכות הדפסה בתלת-ממד

<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>

Jesse Buijs נמצא בתהליך של הקמת חברת סטארט-אפ שמוכרת את מכשיר LSI ותוכנה המשמשים במאמר זה. המחברים האחרים מצהירים כי אין ניגודי עניינים.

הניסויים והתוצאות המתוארים במחקר זה מראים כי LSI הוא כלי קל ליישום המאפשר הבנה עמוקה יותר של מליטת שכבות במהלך ייצור תוספים. LSI מאפשר מדידה ישירה של תנועת הפולימר, אשר חייב להיות מכוונן היטב כדי ליצור חומר קוהרנטי על ידי חדירה הדדית ושזירה לאחר מכן של שרשראות פולימר. החלופה הנפוצה ביותר למדידת מליטת שכבות באתרן היא הדמיית אינפרא אדום 3,4,5. שיטה מבוססת זו מדמה את טמפרטורת פני השטח המקומית של הפלסטיק8,9, שהיא מדידה עקיפה של תנועת הפולימר בתוך החומר. עם פלסטיק חם יותר, התנועה מהירה יותר, ואת מליטה הופך חזק יותר. עם זאת, היחס בין טמפרטורה לתנועה אינו ליניארי, שכן טמפרטורות ההדפסה חוצות את טמפרטורות המעבר של ההיתוך והזכוכית 6,7. קשר לא טריוויאלי זה ניתן לראות ישירות בתמונות LSI; באופן ספציפי, יש מעבר חד בין החלק העליון דמוי הנוזל לבין האזור התחתון דמוי המוצק, בעוד ששיפוע הטמפרטורה צפוי להיות הדרגתי הרבה יותר. חסרון נוסף של דימות IR הוא שהוא מודד את טמפרטורת פני השטח בלבד, בעוד LSI מודד תנועת פולימר בדרך כלל כמה מילימטרים עמוק בתוך החומר.
בדיוק כמו עם הדמיית IR, יישום זה של LSI הוא למעשה שיטת point-and-shoot; ניתן להשתמש בו באתרו אם ניתן לכוון את המצלמה לאזור העניין. החצובה הרב-תכליתית ומרחק העבודה הארוך של 0.7 מ' מעניקים את החופש להשתמש בכל מדפסת תלת-ממד זמינה. באופן מכריע, LSI רגיש לתנועות ננוסקופיות, ולכן יש למזער תנודות מהסביבה ומתהליך ההדפסה עצמו17 . לדוגמה, ביצוע משימה נוספת על אותו שולחן או טריקת דלת יגרמו להפרעה. לכן, יש להסתובב בזהירות סביב ההתקנה; עם זאת, אורות החדר או זרימת האוויר אינם מפריעים בדרך כלל לתהליך.
LSI מספק תובנה מפורטת לגבי תהליך מליטת השכבות וניתן ליישם אותו בקלות כמו הדמיית IR. אנו רואים לנגד עינינו כי ל-LSI פוטנציאל גדול לסייע בפיתוח והבנה של שיטות הדפסה תלת-ממדיות מתקדמות. מטאטא מהירות מאוורר הקירור מראה הצצה למה שאפשרי על-ידי שילוב LSI עם הדפסה בתלת-ממד. כפי שנדון במבוא, מהירות הקירור האופטימלית היא איזון בין שמירה על מותך הפלסטיק למשך זמן רב מספיק כדי לשפר את מליטת השכבות, אך קירורו מהר מספיק כדי למנוע זרימה. תוצאות מהירות מאוורר הקירור של 40%-100% היו דומות מאוד; ואכן, מהירויות מאווררים אלה לא הראו זרימה כלשהי והפיקו איכות משטח טובה. עם מהירות מאוורר קירור של 0%, החומר החל לזרום הרחק מהמיקום המודפס, אך נצפתה מליטה שכבתית בשפע במדידת LSI. בהתבסס על התוצאות שלנו, מהירות מאוורר קירור של 20% יכולה להיות אופטימלית להשגת הדבקת שכבות משופרת מעט מבלי להתפשר על איכות פני השטח. עם זאת, כדי להסיק מסקנות שניתן ליישם בפועל, יש להעריך מהירויות מאוורר קירור גבוהות יותר בין 0% ל-40%. כמו כן, רצוי לקבוע מדדים כמותיים לאיכות פני השטח ולחוזק החומר כדי לקבל תמונה אובייקטיבית ומלאה של השפעות תנועת הפולימר על התכונות הרצויות. עם תוספת זו, ניתן להפוך את הגישה לעוצמתית יותר להערכת התקדמות יצירתית בהדפסה בתלת-ממד.
ההגדרות המדויקות שנבחרו לניתוח LSI אינן מועדות לטעויות קריטיות כל עוד ניתן להבחין בבירור בין פאזות פלסטיק דמוי נוזל ופלסטיק דמוי מוצק. תנועת הפולימר משתנה באופן דרמטי בעת חציית טמפרטורות ההתכה ומעבר הזכוכית, כך שטווח רחב של הגדרות LSI לוכד היטב את הניגודיות. ניתן לבדוק זאת בקלות באמצעות הדפסת בדיקה של אובייקט פשוט (למשל, קיר ישר) עם הגדרות מדפסת התלת-ממד המומלצות על-ידי ספק החומרים. עבור משתמשי LSI מתקדמים יותר, התעמקות בתחום התדרים יכולה להניב מידע נוסף, מכיוון שניתן להבחין כמותית בין סוגים שונים של תנועת פולימר. לדוגמה, תנועת פולימר בתדר גבוה קשורה לטמפרטורות הגבוהות ביותר, שנמצאות רק קרוב לראש המדפסת. תנועת פולימר בתדר נמוך יותר קשורה לטמפרטורות מתונות, הנמצאות באזור גדול בהרבה סביב ראש המדפסת וגם לזמן ארוך הרבה יותר17. יש לבחון האם מידת הקשר לתנועה פולימרית מצטברת בתדר נמוך יכולה להיות שווה לזו של תנועה קצרה בתדר גבוה (למשל, עם אנליזה מכנית דינמית). רוב ההגדרות האחרות, כגון שינוי קנה המידה של מפת הצבע, החזר ההשקעה, מרווח החיסכון ואורך הניסוי, נבחרות אך ורק כדי לספק תוצאה ברורה ומושכת מבחינה חזותית. לגבי הגדרות הדפסה תלת מימדית, יש גם חופש רב, כמו LSI מאפשר למשתמש להעריך באופן אובייקטיבי את התוצאות של שינוי כל ההגדרות. יש לציין כי שינוי דרסטי במהירות ההדפסה משנה את הפרשנות של נתוני LSI. בעבודה זו, הדפסה איטית ומהירות נסיעה של 10 מ"מ לשנייה שימשו כדי ללכוד תמונות LSI מרובות במהלך מעבר אחד של ראש המדפסת. אם נעשה שימוש במהירות הדפסה נפוצה יותר של 60 מ"מ לשנייה עבור PLA, תודפס בערך שכבה מלאה אחת לכל תמונת LSI, וכך תתרחש עלייה ממוצעת בתוך שכבה אחת. אם נתנסה במהירויות מתקדמות כגון 300 מ"מ לשנייה ומעלה, יתרחש ממוצע על פני שכבות מרובות. עם זאת, הדבר תלוי לחלוטין בגיאומטריית ההדפסה המדויקת ובהגדרות LSI וניתן להקל עליו בקלות על ידי משתמש LSI מנוסה באמצעות תכנון מכונה מתקדם, התאמת גודל שדה הראייה, או שימוש במצלמה מהירה יותר. שתי הגישות מחייבות לייזר חזק יותר, אשר, בשילוב עם ראש המדפסת הרפלקטיבי, דורש אמצעי בטיחות לייזר נוספים. למהירות ההדפסה האיטית יחסית יש גם השפעה חיובית על חיבור השכבות, שכן הוכח בעבר כי מעבר החום לפלסטיק עולה ככל שמהירויות ההדפסה איטיות יותר5.
כיוון חדש אפשרי לגישה זו הוא בדיקה של חומרים חדשים; לדוגמה, ניתן להשתמש ב- LSI כדי להמחיש את המעברים הרלוונטיים ולכמת באופן אובייקטיבי את הגדרות המדפסת המומלצות המעניקות אזור ריתוך של חמש שכבות ביישום השכבה העליונה. יישום נוסף יכול להיות ללמוד את אזור הריתוך במצבים ספציפיים שבהם איכות ההדפסה אינה טובה באופן אמין, כגון עבור גשרים, שלוחות או פינות חדות. אם אזור ריתוך במצבים קשים ניתן להבין טוב יותר, זה צריך להיות אפשרי לפצות בקוד G. כבר כיום מקובל להדפיס את השכבה הראשונה חמה ואיטית יותר משאר השכבות כדי להשיג הדבקה טובה ללוח הבנייה18. אנו חוזים שימוש בחיתוך G-code דינמי דומה שבו, למשל, ניתן לכוונן את קירור המאוורר כדי לייצר פינות או גשרים. כמו כן, יש לאפשר להדפיס את חומר הקיר החיצוני בגימור חלק יותר ואת שאר החומר ולמלא בצורה מחוספסת יותר אך חזקה יותר כדי למקסם הן את חוזק החומר והן את המראה החזותי.
מאמר זה דן ביישום של LSI לחקר תהליך מליטת השכבות לאחר שחול פלסטי. הטכניקה מצוינת למשימה זו, מכיוון שהיא יכולה לדמיין את תנועת הפולימר הבסיסית ללא הנחות מראש בזמן אמת במהלך הדפסה תלת ממדית. עם זאת, הוא אינו נותן מידע על לכידות החומר, ולכן תידרש בדיקה נוספת. החסרונות האחרים שנדונו הם מצביים; ניתן להגדיל את מהירות ההדמיה המוגבלת של ארבע תמונות LSI לשנייה באמצעות לייזר גדול יותר ואמצעי בטיחות לייזר נוספים, והרגישות לרטט דורשת אמצעי זהירות או חומרה להפחתת רעידות. LSI יכול להתבצע עם מצלמות דיגיטליות זולות וקטנות ולייזרים19,20, המאפשר שילוב כמעט בכל מדפסת תלת מימד לבקרת איכות חיה וכוונון דינמי של פרמטרי ההדפסה. עם זאת, הגיוני יותר להשתמש ב- LSI כדי לפתח ידע מעמיק בהדבקת שכבות במהלך הדפסה תלת מימדית. אם הבנה זו תשמש לפיתוח תוכנת חיתוך מתקדמת יותר, כל מדפסת תלת-ממד צרכנית תוכל להפיק תועלת מהידע שנצבר.

השיטה של הדפסה תלת מימדית היא טכניקת ייצור תוספתית שבה אובייקט מיוצר שכבה אחר שכבה כדי ליצור את הצורה הרצויה. לשיטה זו יש בסיס משתמשים גדול ומגוון הודות לרבגוניות, במחיר סביר ובקלות השימוש שלה. מידול תצהיר התכה כולל מכבש נע (בקוטר של מאות מיקרונים עד כמה מילימטרים) כדי לשקוע פלסטיק מותך לצורה הרצויה1. הפלסטיק המופשט צריך להתנהג בצורה דמוית נוזל למשך זמן מסוים כדי להשיג היתוך טוב עם הפלסטיק שהודפס בעבר וליצור חומר מלוכד מאוד. עם זאת, הפלסטיק אמור להתקרר ולהתמצק במהירות לאחר ההדפסה כדי למנוע מהפלסטיק לזרום הרחק ממקום ההדפסה ולהפחית את איכות ההדפסה. יחסי גומלין עדינים אלה בין חימום וקירור הוכחו כמבססים ישירות את האיזון בין החוזק המכני לבין הדיוק הגיאומטרי של האובייקט הסופי המודפס בתלת-ממד2. כדי להשיג את האיזון האופטימלי בין חימום לקירור, הפלסטיק מושחל בטמפרטורה קצת מעל טמפרטורת ההתכה שלו, וראש מאוורר, המחובר למדפסת, משמש לקירור הפלסטיק במהירות. הבנה מעמיקה של השפעות טמפרטורות ההדפסה ומהירויות הקירור יכולה לספק את התובנות הנדרשות לפיתוח פרוטוקולי חיתוך והדפסה מתקדמים הממקסמים את התוצאות המכניות או הגיאומטריות בתחומים החשובים ביותר. מאמצים להשיג תובנה נוספת לגבי תהליכים אלה מסתמכים לעתים קרובות על דימות אינפרא אדום (IR), אשר רק ממחיש את טמפרטורת פני השטח 3,4,5 ואינו מציין את הטמפרטורה הפנימית של הפלסטיק. חימום מקומי מעבר למעבר ההתכה מגדיל באופן דרסטי את ניידות הפולימר ובכך מאפשר שזירה פולימרית בין החומר הישן לחדש. תנועת פולימר משופרת זמנית זו היא דרישה ליצירת החומר המלוכד הסופי 6,7, אך הדמיית IR יכולה למדוד את תנועת הפולימר רק בעקיפין דרך טמפרטורת פני השטח 8,9. תרגום טמפרטורת פני השטח לחיבור שכבות מחייב ידע מדויק של שיפוע טמפרטורת הליבה-פני השטח והדינמיקה הפולימרית המורכבת הנלווית על פני טווח של סקאלות זמן ואורך. מדידה ישירה של קשר השכבות (כלומר, תהליך השזירה הפולימרית) תאפשר הדמיה של המנגנון העומד בבסיס לכידות החומר בתפזורת ללא מידע או הנחות מראש.
כדי להבין את ההתפלגות המרחבית והזמנית של קשירת שכבות, נעשה שימוש בטכניקת הדמיה המכמתת ישירות את הדינמיקה של הפולימרים המרכיבים את חוט הלהט הפלסטי. טכניקה זו, דימות כתמי לייזר (LSI), מסתמכת על פיזור אור אינטרפרומטרי כדי להמחיש תנועות ננוסקופיות, ללא תלות בהרכב הכימי. בהתאם לתכונות האופטיות של הדגימה, הוא יכול למדוד במדויק כמה מילימטרים עד סנטימטרים לחומרים לא שקופים10,11,12, בניגוד להדמיית IR, המדווחת רק על טמפרטורות פני השטח 8,9. תכונות אלה הפכו לאחרונה שיטות מבוססות כתמים לפופולריות בהבנת תהליכים דינמיים בשפע של חומרים, למרות שהן פותחו במקור עבור יישומים רפואיים10,11,12. לאחרונה, LSI שימש כדי לקבל תובנה לגבי ההתנהגות של חומרים פולימריים מתקדמים כגון רשתות פולימר גבישי נוזלילניקוי עצמי 13,14, כמו גם לחיזוי שבר בגומי15 ולחקר חומרים המרפאים את עצמם 16.
ההיתכנות של יישום LSI להדפסה תלת ממדית הוצגה במאמר17 קודם, שם הוצג מערך LSI נייד עם יכולות ניתוח בזמן אמת, והוכח כי שקיעת פלסטיק מותך גורמת לתנועה מוגברת של פולימר שכבות מרובות מתחת לשכבה הנוכחית. במאמר המוצג כאן מתבצע מחקר שיטתי על השפעות מהירות מאוורר הקירור על מידת ההדבקה הרב-שכבתית. נעשה שימוש בגרסת plug-and-play משופרת של המכשיר הנייד שיכולה להיות מופעלת על ידי משתמשים ללא אופטיקה או מומחיות בתכנות. תמונות הכתמים מנותחות בזמן אמת באמצעות התמרות פורייה17, הממחישות את המשרעת של תנודות עוצמת הכתמים. למכשיר זה יש מצלמת שדה בהיר נוספת המיושרת עם מצלמת הכתמים כך שניתן לכסות את מפות התנועה של LSI עם תמונות שדה הבהיר לפרשנות קלה יותר מבלי שאור השדה הבהיר ישפיע על מפות התנועה. ניתן להשתמש בגישה הניסיונית המוצגת במאמר זה כדי לקבל תובנה נוספת לגבי התכה, חיבור שכבות והתמצקות של פלסטיק מושחל במהלך הדפסה תלת ממדית של גיאומטריות וחומרים מאתגרים.

<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

בתקופה האחרונה, טכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד חוללה מהפכה ביכולת שלנו לעצב ולייצר מוצרים, אך אופטימיזציה של איכות ההדפסה יכולה להיות מאתגרת. תהליך הדפסת האקסטרוזיה בתלת-ממד כרוך בלחיצה על חומר מותך דרך זרבובית דקה והפקדתו על חומר שהושחל בעבר. שיטה זו מסתמכת על חיבור בין השכבות העוקבות ליצירת מוצר סופי חזק ומושך ויזואלית. זו אינה משימה קלה, מכיוון שיש לכוונן פרמטרים רבים, כגון טמפרטורת הזרבובית, עובי השכבה ומהירות ההדפסה כדי להשיג תוצאות אופטימליות. במחקר זה מוצגת שיטה להדמיית דינמיקת הפולימר במהלך אקסטרוזיה, הנותנת תובנה לגבי תהליך מליטת השכבות. באמצעות הדמיית כתמי לייזר, ניתן לפתור את זרימת הפלסטיק והאיחוי באופן לא פולשני, פנימי וברזולוציה מרחבית-זמנית גבוהה. מדידה זו, שהיא קלה לביצוע, מספקת הבנה מעמיקה של המכניקה הבסיסית המשפיעה על איכות ההדפסה הסופית. מתודולוגיה זו נבדקה עם טווח מהירויות מאוורר קירור, והתוצאות הראו תנועה פולימרית מוגברת עם מהירויות מאוורר נמוכות יותר, ובכך הסבירו את איכות ההדפסה הירודה כאשר מאוורר הקירור כבוי. ממצאים אלה מראים כי מתודולוגיה זו מאפשרת אופטימיזציה של הגדרות ההדפסה והבנת התנהגות החומר. מידע זה יכול לשמש לפיתוח ובדיקה של חומרי הדפסה חדשניים או הליכי חיתוך מתקדמים. עם גישה זו, ניתן לבנות הבנה עמוקה יותר של אקסטרוזיה כדי לקחת את ההדפסה בתלת-ממד לשלב הבא.

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.

מחבר זרקור: הדמיה בזמן אמת של מליטה בשכבות מודפסות בתלת-ממד  

הדמיה בזמן אמת של הדבקה בשכבות המודפסות בתלת-ממד

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

בטכניקה לא פולשנית ובזמן אמת, תנועת פולימר ננוסקופית בתוך חוט להט פולימרי מצולמת במהלך הדפסה תלת-ממדית. כוונון עדין של תנועה זו חיוני ליצירת מבנים בעלי ביצועים ומראה מיטביים. שיטה זו מגיעה לליבת היתוך שכבות הפלסטיק, ובכך מציעה תובנות לגבי תנאי הדפסה אופטימליים וקריטריונים לתכנון חומרים.

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

מטרת המחקר שלנו היא לשפר את הדבקת השכבות במהלך הדפסה תלת-ממדית. אנו משתמשים בשיטה הנקראת הדמיית כתמי לייזר כדי להמחיש את תהליך ההדבקה בזמן אמת. תובנות אלה ינחו את האופטימיזציה של תנאי ההדפסה, בתקווה שיובילו לעיצוב וביצועים משופרים של חומרים.כיום, מליטת השכבות נחקרת באמצעות טכניקות הדמיה אינפרא אדום המדמה את טמפרטורות פני השטח הפלסטיות הללו. כדי לחקור את קשר השכבות עם הדמיית אינפרא אדום, מניחים כי הטמפרטורה הפנימית וטמפרטורת פני השטח שוות. כמו כן, יש לדעת את הקשר המורכב בין הטמפרטורה לבין נזילות הפלסטיק.התאמנו את הדמיית כתמי הלייזר לשימוש בהדפסה תלת-ממדית והראינו כיצד ניתן להשיג בקלות הבנה עמוקה יותר של מליטת השכבות. גישת LSI שלנו מודדת את תנועת הפולימר בתוך הפלסטיק, ומדמיינת את מליטת השכבות ללא כל הנחות. הטכניקה גם אינה פולשנית, קלה לשימוש ובעלת רגישות מצוינת.השיטה המוצגת במחקר זה יכולה לשמש לחקר הדפסות תלת ממד או דפוסים מאתגרים. ניתן להשתמש בתוצאות כדי להבין כיצד יש לשנות את ההגדרה כדי לשפר את איכות ההדפסה.

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. מטרת המחקר שלנו היא לשפר את הדבקת השכבות במהלך הדפסה תלת-ממדית. אנו משתמשים בשיטה הנקראת הדמיית כתמי לייזר כדי להמחיש את תהליך ההדבקה בזמן אמת. תובנות אלה ינחו את האופטימיזציה של תנאי ההדפסה, בתקווה שיובילו לעיצוב וביצועים משופרים של חומרים.כיום, מליטת השכבות נחקרת באמ?...

Video: מחבר זרקור: הדמיה בזמן אמת של מליטה בשכבות מודפסות בתלת-ממד  

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.

הגדרה ויישור של מכשיר ה-Laser Speckle Imaging (LSI) עם מדפסת התלת-ממד

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.