I ricercatori del Massachusetts sviluppano il reometro in linea per la stampa 3D FDM
La reologia è lo studio del flusso di materia e la velocità di flusso dei materiali di stampa 3D è abbastanza importante quando si tratta della stampa finale. Secondo una coppia di ricercatori del Massachusetts, in realtà è “la proprietà del materiale più critico” in termini di più processi di stampa 3D di polimero fuso e liquido, come FDM. Può determinare la velocità di taglio lungo il percorso del flusso del materiale, influenzare la temperatura del fuso, creare importanti profili di pressione, determinare l’uscita e la portata del materiale e persino influenzare la resistenza e la forma del materiale finale.
I ricercatori, provenienti dall’University of Massachusetts Lowell e Saint-Gobain Research North America , hanno recentemente pubblicato un documento dal titolo ” In-line rehe monitoring of fused deposition modelling “, sul loro lavoro di sviluppo di un reometro in linea per il processo FDM.
L’abstract dice: “Un reometro in linea è stato incorporato per la prima volta in una stampante per la modellazione di deposizione fusa, progettando un ugello modificato con un trasduttore di pressione personalizzato e una termocoppia per misurare la temperatura di fusione trattata. Inoltre, le portate volumetriche e le velocità di taglio sono state monitorate contando gli impulsi del motore passo-passo e gli impulsi di un encoder a filamento personalizzato per tenere conto dello slittamento del filamento e delle fasi del motore saltate. Vengono descritti l’incorporazione dei sensori e la progettazione e lo sviluppo del reometro in linea; e vengono presentate le pressioni, le temperature e le viscosità all’interno dell’ugello di stampa 3D. Il reometro in linea è stato convalidato rispetto alle tradizionali misure di reologia rotazionale off-line e di reologia capillare analizzando due materiali polimerici: policarbonato e polistirene ad alto impatto. Una varietà di correzioni reologiche è stata considerata per il reometro in linea, inclusi effetti di ingresso, correzioni non newtoniane, riscaldamento a taglio, effetti di pressione e fluttuazioni / imprecisioni di temperatura. È stato ottenuto un eccellente accordo tra i reometri in linea e fuori linea dopo aver applicato le correzioni più critiche, che sono risultate essere effetti di ingresso, correzioni non newtoniane e imprecisioni di temperatura. Dopo aver applicato le correzioni appropriate, il reometro in linea fornisce una misurazione accurata della viscosità che può essere utilizzata per il monitoraggio in tempo reale e il controllo del processo. ” e fluttuazioni / imprecisioni di temperatura. È stato ottenuto un eccellente accordo tra i reometri in linea e fuori linea dopo aver applicato le correzioni più critiche, che sono risultate essere effetti di ingresso, correzioni non newtoniane e imprecisioni di temperatura. Dopo aver applicato le correzioni appropriate, il reometro in linea fornisce una misurazione accurata della viscosità che può essere utilizzata per il monitoraggio in tempo reale e il controllo del processo. ” e fluttuazioni / imprecisioni di temperatura. È stato ottenuto un eccellente accordo tra i reometri in linea e fuori linea dopo aver applicato le correzioni più critiche, che sono risultate essere effetti di ingresso, correzioni non newtoniane e imprecisioni di temperatura. Dopo aver applicato le correzioni appropriate, il reometro in linea fornisce una misurazione accurata della viscosità che può essere utilizzata per il monitoraggio in tempo reale e il controllo del processo. “
I reometri in linea o on-line vengono più spesso convalidati applicando correzioni reologiche, quindi confrontando le misurazioni in linea con quelle fuori linea. Queste correzioni sono importanti per ottenere misurazioni accurate della viscosità, ma secondo la carta, “i reometri in-line devono ancora essere incorporati o studiati su FDM per confermare i calcoli teorici o per studiare l’influenza della reologia sulle proprietà finali”.
“Questo articolo descrive il design del trasduttore di pressione personalizzato e l’ugello personalizzato richiesto per il reometro in linea. Le prestazioni del reometro sono convalidate rispetto alle misurazioni reologiche off-line e con un confronto in linea con un reometro capillare. Infine, vengono prese in considerazione e discusse una varietà di correzioni reologiche, inclusi effetti finali, flusso non newtoniano, dissipazione viscosa, effetti della pressione e correzioni di temperatura “, hanno scritto i ricercatori.
Sistema di sensori, dispositivi e connessioni per la reologia in linea e il monitoraggio dei processi.
I ricercatori hanno analizzato anche la dissipazione viscosa, anche se è stato determinato essere trascurabile e non sono state applicate correzioni ai dati. È stata utilizzata una stampante 3D LulzBot TAZ 6 ei ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema di ugelli, completo di diverse parti personalizzate, per creare il reometro in linea. Sia i morsetti delle celle di carico che gli ugelli sono stati prodotti da getti in ottone di modelli a cera persa stampati in 3D da Shapeways , e i filamenti in polistirene (HIPS) in policarbonato (PC) e ad alto impatto sono stati entrambi analizzati sul reometro in linea.
I ricercatori hanno convalidato il reometro FDM in linea (FDMRheo) mediante stampa 3D nello spazio aperto con un ugello fisso sollevato a 30 cm sopra la piastra di costruzione. La reologia capillare (CapRheo) e la reologia rotazionale (RotRheo) sono state entrambe eseguite per i materiali HIPS e PC. I ricercatori hanno scoperto che il FDMRheo che hanno progettato è stato in grado di fornire misurazioni molto accurate della viscosità.
“FDMRheo è in grado di raccogliere dati su un’ampia gamma di temperature e velocità di taglio per generare un modello Cross-WLF di successo per l’analisi delle curve di viscosità continua in funzione della temperatura, della velocità di taglio e della pressione. Il sensore per misurare la velocità di avanzamento del filamento e la termocoppia per misurare la temperatura del fuso erano entrambi fondamentali per la distribuzione e la precisione del reometro in linea. Gli effetti di ingresso sono stati la correzione più significativa per ottenere una viscosità accurata, pertanto è necessario applicare la correzione di Bagley per consentire l’utilizzo di FDMRheo per il controllo del processo in tempo reale del processo FDM. Ad esempio, uno schema di controllo potrebbe essere sviluppato per ottimizzare la velocità di stampa mantenendo le pressioni e le viscosità all’interno della finestra di elaborazione ideale “, hanno concluso i ricercatori. “FDMRheo è adatto per analizzare la viscosità di nuovi materiali stampabili 3D per introdurre più rapidamente nuovi materiali sul mercato; la visione è che il reometro può consentire l’ottimizzazione automatica del processo e la garanzia della qualità utilizzando modelli basati sulla fisica per la fusione di saldatura (ovvero la resistenza di interstrato), lo stress residuo, la densità di stampa e il restringimento. “
Co-autori del giornale sono Timothy J. Coogan e David O. Kazmer.
