بررسی ساختارهای چاپ سه بعدی در زمان واقعی

22 ژوئیه سال 2020توسط لورا مقدیچیان ، آزمایشگاه ملی بروکهاون

تیمی از دانشمندان مشغول به کار در National Synchrotron Light Source II  در آزمایشگاههای وزارت انرژی ایالات متحده (DOE’s) بروکهاون دستگاهی را طراحی کرده اند که می تواند بطور همزمان دما و اندازه گیری پراکندگی اشعه ایکس در استفاده از چاپ 3 بعدی را انجام داده و در زمان واقعی پردازش و از آن برای جمع آوری اطلاعاتی استفاده کند که ممکن است کیفیت محصولات ساخته شده از انواع زیادی از پلاستیکها را بهبود بخشد. این مطالعه می تواند دامنه فرایند چاپ را در صنایع تولیدی گسترده تر کند این تحقیق یک گام مهم برای پیشبرد آزمایشگاه بروکهاون و دانشگاه استونی بروک است.

محققان در حال مطالعه ی یک روش چاپ 3 بعدی به نام ساخت رشته های پلیمری بودند ، که اکنون به عنوان نوعی اکستروژن مواد شناخته می شوند. در اکستروژن مواد ، رشته های ترموپلاستیک – پلیمری که هنگام گرم شدن نرم و هنگام خنک شدن سخت می شود – در بسیاری از لایه های نازک ذوب می شوند و برای یک ساختار کامل شده تولید می شوند. این روش اغلب به عنوان تولید “افزودنی” خوانده می شود زیرا لایه ها برای تولید محصول نهایی افزوده می شوند.

“تولید مواد افزودنی یک فناوری به سرعت در حال ظهور است و تا همین اواخر ، پیشرفت هایی به صورت تجربی و اغلب ناکارآمد انجام می شد. عضو تیم تحقیق ، میریام رفایلوویچ ، استاد برجسته در استونی بروک گفت این یک نوع فناوری بود که بصورت تهاجمی بدست آمد .

وی ادامه داد: این زمینه اکنون در حال جا افتادن است و افراد درگیر متوجه می شوند که باید روش ها و نتیجه را نیز اندازه گیری کرد تا از تولیدمثل آن در بین دستگاه های چاپی اطمینان حاصل شود – اینکه آنها مطابق با استانداردها باشند و این امر استانداردها را قادر می سازد که کارایی داشته و مطالعه ما گامی به سوی این هدف است.

در طول اکستروژن مواد ، هر لایه در معرض گرما ی  برشی زیادی در زمانی که در کناریک نازل متحرک گرم قرار می گیرد – حالت استرس مکانیکی که باعث می شود لایه بخواهد منحرف شود. سپس لایه چاپ شده دوباره گرم می شود ، اما بدون برش ، زیرا نازل یک لایه دیگر را روی آن اضافه می کند. با ساخت لایه ها ، این فرآیند باعث ایجاد درجه حرارت و بی نظمی های مکانیکی قابل توجهی می شود که از لایه به لایه و حتی در یک لایه واحد متفاوت است.

برخی از مواد نسبت به این بی نظمی ها بسیار حساس هستند و منجر به یک محصول چاپی می شوند که فاقد یکپارچگی ساختاری است. این مواد شامل پلیمرهای نیمه کریستالی هستند که دارای مناطقی هستند که زنجیره های پلیمری در آن سازمان یافته و محکم شده اند. این نواحی از نظر شکل و اندازه متفاوت هستند.

محققان برای درک اینکه چگونه روش رسوب بر خواص محصول نهایی تأثیر می گذارد ، با جمع آوری داده های دمای همزمان و داده های پراکندگی اشعه X در پرتو خط نرم Matter (SMI) در NSLS-II ، روند چاپ را دنبال کردند. آنها از میكربام اشعه ایكس موجود در SMI بهره می گرفتند كه می تواند جزئیات ساختاری را با وضوح چند میكرومتر یا چند میلیونم متر بود و به محققان اجازه می داد ساختار لایه های داخلی رشته ها را هنگام قرار گرفتن لایه ها بررسی کنند.

نویسنده اصلی مقاله ، یووال شوملی ، محقق بخش علوم و مهندسی مواد در استونی بروک می گوید که :

“یکی از بزرگترین چالش هایی که با آن روبرو بودیم نصب پرینتر 3 بعدی به طور مستقیم در مسیر پرتو اشعه X به همراه یک دوربین حرارتی مادون قرمز بود تا دما و طیف پراکندگی با وضوح بالا به طور همزمان اندازه گیری شود.

“میکروبام پرتو ایکس با سه آشکارساز – برای زوایای پراکنده کوچک ، متوسط ​​و گسترده” ، به ما این امکان را می دهد که داده های مورفولوژیکی با وضوح بالا را بر روی ساختار چاپی همانطور که در حال چاپ است جمع آوری کنیم. “

او و این گروه دریافتند که برش ناشی از نازل می تواند ساختارهایی را در رشته های پلی پروپیلن ، یک پلیمر ترموپلاستیک نیمه کریستالی بخوبی مطالعه شده ایجاد کند. اجزای ساختارهای فیبری بلند هستند که اجزا را به هم متصل می کنند ، که مانند دیسک هستند.

تجزیه و تحلیل داده های پراکندگی اشعه X اطلاعات زیادی را در مورد چگونگی تکامل نشان داد. به عنوان مثال ، این گروه دریافتند که آنها در سطح فیلامنت هسته می شوند و سپس به سمت داخل رشته و به سمت هسته رشته می شوند. هنگامی که لایه دوم چاپ می شود ، زنجیره های پلیمر در رابط بین لایه از قبل چاپ شده و لایه چاپ شده ، نرم شده و پخش می شوند. این باعث می شود که رشته ها تقریباً به طور کامل با هم ترکیب شوند.

وقتی این گروه نتایج خود را با اندازه گیری های مکانیکی مقایسه نمودند ، دریافتند که محصولات 3 بعدی ساخته شده دارای خواص مکانیکی عالی و با محصولات ایجاد شده با استفاده از قالب ها رقیب هستند.

برخی از کارهای پراکندگی اشعه ایکس با زاویه دید گسترده که در این مطالعه انجام شده است در منبع فوتون پیشرفته (APS) در آزمایشگاه ملی آرگون انجام شد. https://techxplore.com