光周波数領域反射測定法に基づく積層造形におけるポリ乳酸の温度分布特性の研究

この投稿はLittle Soft Bearによって2021-11-12 15:13に最後に編集されました。

出典: 洪成宇研究グループ著者: 黄金生、洪成宇、楊強、孫暁慧

積層造形（AM）技術は、一般的に3Dプリンティングとして知られています。現在、積層造形プロセス全体における材料特性分析などの基礎研究が不足しています。積層造形プロセス中のモデル内部の温度特性は、印刷消耗品の選択、印刷プロセスの調整と改善、印刷モデルの主要構造の設定、および機械的特性の分析において重要な役割を果たします。

実験プロセス<br /> 図1(a)に示すように、光周波数領域反射率測定法(OFDR)に基づいて積層造形モデルの内部温度特性を調査しました。この実験で使用した機器には、OFDR機器(モデル: OSI-S)、分散光ファイバー、3Dプリンター、PLA印刷消耗品などが含まれます。

OFDR取得周波数は10Hz、空間分解能は3.62mm、センシング精度は±0.1°Cです。プリンターには、印刷方法、モデルの充填速度、モデルの充填密度、モデルのサポート方法などを柔軟に調整する方法があります。

図1. 実験のセットアップとプロセス

実験モデルは、直径 30 mm、厚さ 10 mm の円筒形です。モデルは、20%、40%、60%、80%、100% の 5 つの異なる密度で印刷されます。分散光ファイバーをモデルに埋め込むプロセスでは、モデルが 50% の厚さまで印刷された時点で印刷を一時停止し (図 1(b) を参照)、分散光ファイバーをモデルの両端のスロットに素早く埋め込み、接着剤で固定します。

分散された光ファイバーが配置された後、モデルの残りの部分が印刷されパッケージ化されるまで、印刷とパッケージ化が実行されます。モデルの印刷およびパッケージングのプロセス中に、OFDR 機器を使用して、分散光ファイバーの測定データをリアルタイムで記録し、印刷されたモデルの内部温度特性のその後の分析を実行します。

図1(c)に示すように、この実験では直径1mmの穴構造を設計しました。モデルの印刷中、光ファイバーを穴構造に埋め込み、直径1mmのシースチューブで保護することができます。分散型光ファイバーはシースチューブ内で自由に移動できるため、モデル印刷プロセス全体を通じて光ファイバーが外部印刷力によって乱されることがなく、印刷プロセス中の歪みの影響を排除できます。したがって、埋め込まれた分散型光ファイバーは、製造プロセス中のいつでもPLAモデルのさまざまな位置の温度変化特性を独立して監視できます。

テスト結果<br /> この研究では、図 2 に示すように、印刷充填密度が異なる 5 つのグループの PLA モデルを完成させました。図 2 は、密度が 20%、40%、60%、80%、100% のときの印刷プロセス中のさまざまな位置での温度変化曲線です。

図2. 積層造形中の異なる密度のPLAの温度変化曲線
(a) 20%、(b) 40%、(c) 60%、(d) 80%、(e) 100%

図からわかるように、積層造形のプロセスでは、PLA 材料の各位置の温度変化の傾向は一貫しており、図 3 に示すように、5 つの典型的な段階があります。5 つの段階は、光ファイバー埋め込み段階、温度検出穴パッケージ段階、モデル充填およびパッケージ段階、モデルキャッピング段階、およびモデル温度回帰段階です。

図3. 積層造形プロセス特性曲線

モデルの充填およびパッケージング段階 (ステージ III) は、印刷プロセス中のモデル内部の温度変化を指します。この段階では、印刷されたモデルが層ごとにカプセル化されるにつれて、内部の OFDR 分散光ファイバーの監視ポイントの温度が上昇および低下し、この段階で温度変化の周期的な傾向が繰り返されました。

各サイクルは、フィラメントの層の積み重ねを表します。フィラメントの各層が積み重ねられるにつれて、各層の温度変化のピーク値は下降傾向を示します。これは、フィラメントの各層が積み重ねられるにつれて、新しく印刷されたフィラメントの高温がモデルの中央にある監視用光ファイバーに伝達されるためです。伝達プロセス中の温度損失により、光ファイバーによって監視される温度変化のピーク値は減少します。

テストの結論<br /> OFDR 技術を使用して分散光ファイバーを PLA 材料モデルに埋め込むことで、3D 印刷プロセス中のさまざまな位置での温度分布特性を正常に監視できました。
実験データの研究と分析を通じて、積層造形プロセス中の PLA モデル内部の温度変化が明らかになり、印刷消耗品の選択、印刷プロセスの調整、印刷モデルの主要構造の設定と分析にデータサポートを提供しました。

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