Імператив хімічної характеристики в добавках

Підготовлений виробництво зрілий з швидкої прототипування новинки в технології виробництва для кінцевих інженерних компонентів. Однак процес розкладання шару в шарі пошарового шару вводить змінні, відсутні в субактивному виробництві. Анізотропні механічні властивості, залишкові теплові напруження, а також неправильне заповнення наповнювачів або арматури, які залежать від точного хімічного макіяжу матеріалу. Філямент може містити нерозкладені пластифікатори, металевий порошок може бути оксидні включення, або фотополімерна смола може мати неповний кільк - вчистий недолік може призвести до передчасної відмови в друкованих методах.

Як працює спектроскопія: світло-розмірні взаємодій

Спектроскопія має значення шляхом вимірювання її відповіді на електромагнітне випромінювання через широкий діапазон частот. Коли фотони ударують зразок, вони можуть бути поглинані, в'язані, розсіяні або передаватися. Енергетика передається відповідає конкретним електронним переходом, молекулярними коливаннями або ядерними взаємодіями. Знезаражуючи результат спектра— сюжет інтенсивності versus довжини хвилі або енергії, вчені можуть викликати елементарні ідентичності, хімічні зв'язки і навіть кристалічні фази. Для 3D друкованих частин, можливість наклеювати ці властивості через складну геометрію є особливо цінними, оскільки локальні варіації в складі можуть виникати з термо градієнтів або нерівномірної дисперсія.

Основні спектроскопічні методи для 3D друкованих деталей

Рентгенівська фтороресценція (XRF) спектроскопія

XRF - це робоча форма для елементарного аналізу, особливо в виробництві добавок металу. Коли зразок опромінюється високоенергетичними рентгенівськими променями (або гамма-променями), виводяться електрони. Зовнішні електрони скидають на засипання вакант, випромінюючи характерні флуоресцентні рентгенівські промені, енергія яких унікальна кожному елементу. Сучасні енергодисперсійні XRF (ED-XRF) інструменти можуть одночасно виявити елементи з натрію до флютонію, з обмеженнями виявлення в діапазоні частин-перемільйону для більшості металів.

Застосування до 3D-друку: У лазерному порошковому водостійці (LPBF) сплавів, таких як Ti-6Al-4V або Inconel 718, XRF виявляє, що порошковий склад відповідає специфікації ASTM F3001 або F3055. Також можна виявити сліди забруднюючих речовин, як кисень, азот, або трамвайних елементів, які розбризують частину. Для бункера джінгерів або FDM з металевими наповнювачами, XRF підтверджує відсоток завантаження металу і рівномірний розподіл металевої фази. портативні ручні XRF аналізатори дозволяють швидко перевіряти деталі без готових деталей.

XRF є в першу чергу технологією поверхні (глибина аналізу декількох мікрометрів до міліметрів, залежно від матриці). Світло-елементи (нижня натрієва) вимагають вакуумного або гельію-промінювача і погано виявлені. Техніка забезпечує об'ємні елементарні співвідношення, але не молекулярні або bonding інформації.

Фуршет Трансформ Інфрачервоний (FTIR) спектроскопія

спектроскопія FTIR визначає органічні сполуки шляхом вимірювання поглинання інфрачервоного світла на конкретних хвильових нумерах. Молекулярні зв’язки — так як C=O (карбоніл), N-H (амін), або C-O (естір)—vibrate на характерних частотах, що дає відбитки пальців полімерної структури. Збірні піки можуть бути підібрані до бібліотек відомих полімерів і добавок.

Застосування до 3D-друку: FTIR незамінний для полімерних процесів: FDM, SLA, DLP та PolyJet. Для FDM ниток FTIR може переконатися, що базовий полімер дійсно заявлений ABS, PLA, нейлон або PEEK, і виявити дорослих, таких як перероблений матеріал або надмірний пластифікатор. УФ-випробувано смоли, він відстежує ступінь перетворення шляхом відстеження зникнення C=C подвійний бод пік біля 1630 см−1; неповний ліки зменшує механічну міцність і може викликати цитотоксичність в стоматологічній частині або загальній клінічній частині

FTIR чутлива до води та CO2 в оптичному шляху. Не можна аналізувати метали або вуглецеві азотропи ефективно. Методика забезпечує середню інформацію над зоною відбору (типово 100–500 мкм), тому можуть пропущені дрібнорозмірні неоднорідності.

Рахман спектроскопія

Раман спектроскопія спирається на неалкогольний (Raman) розсіювання монохромного світла, як правило, від лазера в видимому або ближнього інфрачервоного діапазону. Невелика частка розсіяних фотонів зсувів в енергії через коливання режимів зразка. Зміщення врожаю спектр доповнюється FTIR: симетричні коливання часто є Raman-active, при антисиметричних коливань є IR-активними. Raman особливо потужний для вуглецевих матеріалів, таких як графен, вуглецеві нанотрубки (CNTs), і алмазноподібний вуглецевий.

Застосування до 3D-друку: У композиційних ниток, що містять вуглецеві нано наповнювачі, карти Raman може показати якість дисперсії; агломерація призводить до широкого, слабкого G і D смуг. Для керамічних або скляних фотополімерів Raman відрізняє кристалічні і аморфні фази. Також використовується для вивчення залишкового стресу в друкованих частинах: напруження зсуває кремнієвий пік у фольгованих кремнієвих частинах або смугі G в графенових композитах. Просторове вирішення конфокаль Raman (до ~1 мкм) дозволяє локальноулювати локальний аналіз на шаріті, розжарювання, розкриття, розкриття шарні частини або розкриття, розсіювання, розсіювання, розкриття, розсіювання, розкриття, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання, розсіювання

Флуоресцентність багатьох полімерів (наприклад, поліуретан, епоксиди) може змітти слабкий сигнал Рома. Зразок нагрівання лазера може пошкодити теплочутливі матеріали. Раман властиво техніці поверхні, хоча глибина профілювання можливо з конфокальною оптикою.

Збагачення та компліментарні спектроскопічні методи

Лазерна індукована спектроскопія відбиття (LIBS)

LIBS використовує високоенергетичний лазерний імпульс для визначення невеликої кількості зразків, створення мікроплазми. Проаналізовано плазмову емісію для виявлення елементів. LIBS може виявити світло-елементи (H, Li, C, N, O) і пропонує глибину, що проколюється багаторазовими імпульсами. Його просторова роздільна здатність (50–100 мкм) робить його придатним для копіювання забруднюючих речовин або відокремлення в 3D друкованих металах. На відміну від XRF, LIBS є мікроруйнівним (багато мікрограми, видалені), але це часто прийнятно для контролю якості.

Рентгенівська спектроскопія (EDS/EDX)

EDS зазвичай поєднується з скануванням електронної мікроскопії (SEM). Вона забезпечує елементарний аналіз при роздільній здатності мікрометра, що робить його ідеальним для вивчення включень, пористості або розподілу фази в друкованих частинах. Однак, підготовка зразка -потенне різання, монтаж і полірування - має деструктивний. EDS доповнює об'ємний XRF шляхом виявлення мікрон-масштабного складу.

Практичні програми контролю якості та процесів

Спектроскопічний аналіз інтегрується на декількох стадіях виробничого процесу добавки:

  • Впровадження валідації сировини: Пульги для підвалу можуть бути відібрані ATR-FTIR або ручним Raman; металеві порошки тестуються XRF або LIBS. Це запобігає дефектному подачі від виходу продукції.
  • In-process Monitor:] Inline FTIR або Raman проби розроблені для реального часу моніторингу смоли, що лікують у ват фотополімеризації або фільтрації композиції в екструзії матеріалу.
  • Поточна перевірка: Оздоблені частини скануються для замісу забруднювального (наприклад, волога в нейлону викликає гідроліз) або термо деградація (покидання піків в FTIR).
  • Аналіз в’язкості: Коли частина переломів передчасно, мікро-XRF або Raman може фіксувати походження — наприклад, металева вставка в полімерну частину або область неповної полімеризації.
  • Розвиток: Команди R&D використовують спектроскопію для корелатування складу з механічними властивостями, оптимізації навантаження наповнювача або коефіцієнтів змішування.

Лімітації та кращі практики

Не один спектроскопічний метод забезпечує повну картину. XRF пропускає органічні речовини; FTIR і Raman пропускає метали і є поверхнево-обмеженими; ЛІБ пропонує глибину, але локально руйнівним. Для надійного аналізу рекомендується поєднання методик. Поверхнева нерівність асфальтованих деталей може розсіювати випадковий світло, зменшуючи сигнал-в-одному; полірування або аксесуари ATR пом'якшити це. Калібраційні стандарти, що відповідають матриці (наприклад, металеві стандарти з аналогічним складом) є важливим для кількісної роботи. Оператори повинні також бути в курсі рентгенівських і лазерних норм безпеки при розгортанні цих інструментів.

Майбутні напрямки

Дослідження спектроскопічної характеристики для 3D друку переміщається в напрямку інтеграції та автоматизації. Гіперспектральні зображення (збір FTIR або Raman з скан-сценами) можуть виробляти хімічні карти цілих частин, висвітлюючи локальні аномалії. алгоритми машинного навчання навчаються розпізнати спектральні підписи, пов'язані з оптимальними параметрами друку. портативні, низькоконструкційні спектрометри Raman і NIR виявляються для використання полів невеликими виробниками. Крім того, стандартні органи, такі як ASTM International], розроблені рекомендації для спектроскопічного контролю якості в добавному виробництві, які допоможуть гармонізувати практики по всій галузі.

Висновок

Хімічна композиція друкованої інженерної частини 3D не є результатом вибору матеріалів, параметрів процесу та умов навколишнього середовища. Спектроскопічні методи, що маркуються XRF, FTIR та Raman, і підтримується LIBS та EDS, які вимагають перевірки цього складу. Збираючи ці методики в виробничі робочі процеси, виробники можуть зменшити брухт, підвищити надійність частини та розблокувати весь потенціал добавки для критичних додатків. Як технологія заздалегідь, спектроскопія залишиться незамінним інструментом для забезпечення того, що друк відповідає якому був розроблений.

Further Reading: