增材頂刊AM：融合機器視覺系統(tǒng)的近場直寫制造技術(shù)

來源：EngineeringForLife

近場直寫制造技術(shù)(MEW)是一種具有高分辨率的增材制造技術(shù)（AM），其可通過平衡多個參數(shù)變量，從而實現(xiàn)制造過程的穩(wěn)定運行。由于受到金屬AM制造過程中機器視覺(MV)技術(shù)的啟發(fā)，來自于Queensland University ofTechnology的Dietmar W. Hutmacher團隊與Julius-Maximilians University of Würzburg的PaulD. Dalton團隊認(rèn)識到該技術(shù)可實現(xiàn)的打印過程實時數(shù)據(jù)的全程監(jiān)控與分析。他們通過在不同電場的穩(wěn)定噴射狀態(tài)下，對制造過程中垂直方向所拍攝的的高分辨率打印圖像進行分析，對打印出的纖維直徑進行精確的測量，并與的打印參數(shù)相關(guān)聯(lián)。最后通過改進打印工藝參數(shù)成功地制造了可折疊的管狀結(jié)構(gòu)。相關(guān)成果“Convergence of Machine Vision and Melt Electrowriting”發(fā)表于Advanced Materials雜志上。

在MEW過程中，當(dāng)打印參數(shù)不合適時，會產(chǎn)生一種叫做“纖維脈沖”的現(xiàn)象。由于“纖維脈沖”所造成的射流體積連續(xù)振蕩，會影響到纖維直徑和與打印精度。通過利用MV可捕獲并分析打印過程中那些重要且微妙的視覺信息，從而改進和擴展MEW的精度能力。

圖1 A) MEW打印機由平板和芯棒收集器組成.B)高分辨率攝像頭位于場外，位于USB攝像頭后面，用于近似定位.C)實驗設(shè)計原理圖，以便MV的準(zhǔn)確時間可以與光纖直徑測量相關(guān)聯(lián).D)小泰勒錐體積與更小的纖維直徑有關(guān)，它振蕩到E)大泰勒錐體積，這導(dǎo)致更大的纖維直徑和更大的纖維時差.F)纖維壁的SEM成像，顯示從(D)到(E)不受控制的振蕩結(jié)果，其中不同的纖維直徑的結(jié)果.G)從過程的視頻記錄中捕獲一幀，分析MEW的過程特征。利用掃描電鏡測量纖維直徑，利用MATLAB分析特定區(qū)域，計算射流角和泰勒錐面積

在本文中，研究人員首先在四種不同的電場環(huán)境下分析了MEW射流的穩(wěn)定性，每組的氣壓水平分別為0.4和0.7 bar。作為對照組，高壓（HV)和集電極距離不變。然而，對于較厚的結(jié)構(gòu)，需要增加集電極的距離，以防止樣品的上層纖維因為越來越靠近打印頭而形成缺陷。隨著集電極距離逐層增加，電場減小時高壓不變，電場增大時不改變集電極距離，高壓逐漸增大。最后，通過增加集電極距離和HV來實現(xiàn)恒定的電場。

圖2 A,D,G,J)減小電場(A)揭示了所有過程特征(D,G,J)的脈沖行為.B,E,H)增大電場(B)顯示泰勒錐面積(E)和噴射角(H)逐漸減小.K) 0.4 bar時纖維直徑保持不變，0.7 bar時纖維直徑緩慢減小.C,F,I,L)恒定電場(C)沒有顯示打印不穩(wěn)定性的跡象，所有工藝保持其水平(F,I,L)

大多數(shù)的MEW研究使用平面集電極，并有直纖維沉積。在這種結(jié)構(gòu)中，打印過程中噴射出的微絲所具有延遲現(xiàn)象表現(xiàn)為顯著的打印缺陷，部分原因是由于自動聚焦效應(yīng)，沉積纖維被先前沉積的纖維吸引，然而高分辨率管狀MEW支架的制造更具挑戰(zhàn)性，因為射流角度的微小變化會影響芯棒上的轉(zhuǎn)折點。值得注意的是，迄今為止的管狀MEW研究顯示，纖維的分布是不規(guī)則的，或者被限制在最多10層總纖維層。

當(dāng)定位良好的纖維形成如此厚度的薄片時，它們顯示出一種與機械超材料相關(guān)的彈性穿透不穩(wěn)定性。MEW管的交織壁可以穿透到一個足夠穩(wěn)定的位置，可以用SEM安裝和觀察。此外，還可以制造出300層的MEW管，這需要高超的精度和噴射的打印穩(wěn)定性，而且管繼續(xù)表現(xiàn)出獨特的彈性穿透力學(xué)性能。

圖3 60°纏繞角下厚管MEW的MV信息實現(xiàn).A - C) MEW管兩端80(A)、100 (B)和150 (C)層的SEM圖像.D - F)掃描電鏡圖像顯示了MEW管的縱向形貌，有80 (D)，100 (E)和150 (F)層.G)掃描電鏡圖像顯示部分塌陷的厚管.H) 300層壓縮MEW管腔內(nèi)的SEM圖像，假色黃色表示纖維壁屈曲，假色藍(lán)色表示孔隙未塌陷.I)具有挑戰(zhàn)性的300層MEW管的SEM圖像，制造時需要精度、控制和打印穩(wěn)定性.J) 300層管壓縮至原始長度約20%時的不同壓縮狀態(tài)下的立體顯微鏡圖像

總之, 泰勒錐體積是影響MEW加工質(zhì)量的重要工藝特征。采用MV方法對MEW過程中的射流進行分析，提出了一種改進的用于制造更厚層結(jié)構(gòu)的電場控制協(xié)議。為了證明該方法的有效性，厚管狀結(jié)構(gòu)通過實現(xiàn)恒定的電場條件來實現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前先進水平的制造高度。

參考閱讀：

[1]    Pawel Mieszczanek,Thomas M.Robinson,Paul D. Dalton,Dietmar W. Hutmacher, Convergence of Machine Vision andMelt Electrowriting. Advanced Materials

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202100519