1.5 Obdelava površine FDM izdelkov
1.5.3 Kemično glajenje
Poleg mehanskega brušenja je mogoče površino izdelka zgladiti s pomočjo primernega topila. Na izdelek lahko razpršimo topilo, ali ga celo vanj potopimo. Še bolj učinkovita rešitev je, če predmet izpostavimo param topila. Na ta način porabimo manjše količine le-tega, kar zmanjša stroške obdelave. Ta metoda je boljša od brušenja, saj tu ne pride do deformacije geometrije in oslabitve mehanskih lastnosti predmeta. Para topila lahko z difuzijo dostopa do najbolj zakotnih predelov predmeta. Najbolj znano je glajenje ABS s parami acetona. Predmet je obešen v komori nad acetonom. Aceton se nato segreje do vrelišča. ABS namreč tvori šibke interakcije z šibko polarnimi topili kot so aceton, estri in klorirana topila. Aceton je najbolj primeren kandidat, saj je poceni, ni strupen in hitro difundira. ABS na površini reagira s paro acetona in tvori mešanico ABS in acetona (Slika 5). Ta zmes pa zapolni vrzeli med plastmi in zmanjša stopničasti efekt. Ko se predmet posuši, aceton izpari v vrzelih pa ostane ABS. To se kaže kot bolj gladka površina. Meja med plastmi se zabriše, kar zmanjša vpliv orientacije tiskanja, in izboljša mehanske lastnosti izdelka [7].
Slika 5: (a) Površina polimera reagira s parami topila. (b) Raz topljen material prične polzeti po površini navzdol in zapolni vrzeli. (c) Polimer se strdi in ostane gladka površina. Prirejeno po [16].
10
Z uporabo primernih topil pa je mogoče zgladiti tudi izdelke iz PLA. Ta polimer je sicer bolj odporen na topila. Topi pa se v aprotičnih polarnih topilih kot so diklorometan, acetonitril in etilacetat. V polarnih protičnih ter polarnih topilih je netopen. Na topnost ima največji vpliv zmožnost tvorjenja vodikovih vezi med PLA in topilom [17].
Diklorometan je najbolj učinkovita izbira [18], vendar je lahko hlapen in potencialno rakotvoren, kar oteži delo z njim. Dobre rezultate za kemično glajenje z etilacetatom, so dobili Lavecchia in sodelavci [14], ki jim je uspelo hrapavost površine zmanjšali za 90
%. Etilacetat za razliko od diklorometana ni strupen, je komercialno dostopen in poceni, vendar manj učinkovit. Kemično glajenje PLA je poleg prej omenjenih topil mogoče tudi z natrijevima hidroksidom [18].
11
2 Namen dela
Namen diplomske naloge je izdelati Y čip z FDM tiskalnikom iz PLA. S spremljanjem mešanja toka v kanalu pa ugotoviti, ali se je površina po obdelavami s parami etilacetata zgladila. Etilacetat naj bi topil PLA. Raztopljen filament naj bi se razlezel in zapolnil vrzeli med plastmi. Površina kanala bi zato morala bit bolj gladka in posledično bi moralo biti manj vrtinčenja tekočine, kar pomeni tudi manjše mešanje.
13
3 Eksperimentalni del 3.1 Priprava modela in tisk
Za pripravo G-kode smo uporabili program PrusaSlicer. Najprej je sledila optimizacija tiska, kjer smo morali ugotoviti prave parametre za čim boljšo kvaliteto tiska in čim boljše mehanske lastnosti izdelka. Za tisk sem uporabil privzete nastavitve za tiskalnik Original Prusa Mini + z nekaj spremembami. Dolžina vzvratno potisnjenega filamenta je bila 4 mm, saj je drugače prišlo med priključki do tako imenovanega »stirnging« efekta. Za nastavitve filamenta sem uporabil nastavitve za znamko Filamentum. Tiskalnik, ki sem ga uporabil je bil Original Prusa Mini + s šobo premera 0,4 mm. Filament pa Crystal Clear 1,75 mm znamke Filamentum. Izbrali smo prozoren filament, zato da bomo lahko spremljali tok v kanalu. Kot polimer pa smo izbrali PLA zato, ker je najlažji filament za uporabo, poceni in okolju prijazen. Debelino plasti smo izbrali najmanjšo mogočo, ki jo je tiskalnik zagotavlja. Uporabili smo tudi 100% polnilo zato, da zmanjšamo možnost puščanja. Da bi bila površina še bolj gladka, smo se odločili za uporabo funkcije
»ironing«. Gre za potovanje glave tiskalnika prek ravnih površin, ki so med tiskanjem v y-x ravnini. Uporaba te funkcije pa je znatno povečala čas tiska. Ostali parametri za tiskanje so predstavljeni v tabeli 1.
14
Debelina plastike, ki je iztisnjena skozi šobo. Vrednosti se razlikujejo za polnilo in zunanjo površino.
0,4 – 0,45 mm
Polnilo
Procent kolikšen del predmeta bo
zapolnjen. 0 % predstavlja votel predmet 100 % pa zapolnjenega.
100 %
Število obrob / 3
Smer tiskanja obrobe
Tiskanje obrobe od zunaj navznoter ali
obratno. Od noter navzven.
Hitrost tiskanja
Hitrost premikanja glave tiskalnika med tiskanjem. Vrednost je odvisna od predela predmeta.
Temperatura, pri kateri se plastika pomika
skozi šobo. 215 °C
Temperatura plošče
Temperatura plošče, na kateri se predmet
tiska 60 °C
Moč hlajenja Spreminjamo glede na željeno hitrost
strjevanja filamenta, ko pride iz šobe. 100 %
15
3.2 Obdelava
Za obdelavo mikropretočnega sistema smo uporabil koncept, ki so ga razvili Lavecchia in sodelavci [14]. V stekleno 250-mL čašo smo nalili 5 mL etilacetata proizvajalca Carlo Erba. Čašo smo pokrili z urnim stekelcem in postavil na magnetni mešalnik ter segrevali na 75 °C. Cevki na vhodu čipa smo postavili v čašo, cevko iz izhoda pa pritrdili na Venturjevo cev. Pustili smo, da je podtlak vlekel pare etilacetata skozi čip, pri čemer se je gladila površina. Postopek je trajal 5 minut. Nato smo odstranili cevke iz vhoda čipa in pustili, da podtlak izpari preostale pare topila. Shema obdelave je prikazana na sliki 6.
Slika 6: Shema obdelave.
16
3.3 Spremljanje toka in vrednotenje podatkov
V čip smo na enem vhodu z injekcijsko črpalko AL-1000 Wolrd Precision Insturuments potiskali vodno raztopino barvila sunset yellow v drugi vhod pa erioglaucine. Črpalka je potiskala barvili v sistem s pretokom 500 μL min-1. Z digitalno kamero DigiMicro 2.0 scale pa smo spremljanje mešanje, ki se je dogajalo 3 mm od stičišča. Shema izvedbe poskusa je prikazana na sliki 7.
Slika 7: Shema izvedbe poskusa.
Slike, ki smo jih posneli med eksperimentom smo nato uvozili v program napisan s programskim jezikom Julia. Po potrebi smo jih še obrezali in poravnali, da je bil na sliki viden samo kanal, kjer sta se toka mešala. Ker smo imeli znano velikost slike v slikovnih pikah in dolžini, smo lahko enostavno določili razdaljo merjenja po spodnji enačbi.
𝑟𝑎𝑧𝑑𝑎𝑙𝑗𝑎 [𝑝𝑥] = 𝑑𝑜𝑙ž𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑙𝑖𝑘𝑒 [𝑚𝑚] × 𝑑𝑜𝑙ž𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑙𝑖𝑘𝑒 [𝑝𝑥]
𝑟𝑎𝑧𝑑𝑎𝑙𝑗𝑎 [𝑚𝑚] (1)
Na enak način smo določili širino mešalnega toka, to je področje kjer sta se barvili mešali.
š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑚𝑒š𝑎𝑛𝑗𝑎[𝑚𝑚] =š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑙𝑖𝑘𝑒 [𝑚𝑚] × š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑠𝑙𝑖𝑘𝑒 [𝑝𝑥]
š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑚𝑒š𝑎𝑛𝑗𝑎 [𝑝𝑥] (2)
17
Nato smo izračunali še mešalno razmerje.
𝑚𝑒š𝑎𝑙𝑛𝑜 𝑟𝑎𝑧𝑚𝑒𝑟𝑗𝑒 [%] =š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑚𝑒š𝑎𝑛𝑗𝑎 [𝑚𝑚]
š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑘𝑎𝑛𝑎𝑙𝑎 [𝑚𝑚] × 100 %
(3)
Pridobljene podatke smo statistično obdelali, določili smo povprečno vrednost in standardni odmik. S t-testom parov pa smo določili, ali se pretok v obdelanih in neobdelanih čipih razlikuje
19
4 Rezultati in razprava 4.1 Oblikovanje in izdelava čipa
Sistem kanalov smo oblikovali v obliki črke Y, ker je tako najlažje ustvariti laminaren tok. Tako je tudi najlažje opazovati mešanje v sistemu. Podoben eksperiment so izvedli Macdonald in sodelavci [19], le da s to med seboj primerjali FDM, SLA in PJ tehnologijo.
Krajša kraka se srečata pod pravim kotom in združita v večji kanal. Presek manjših kanalov ima obliko kroga z premerom 500 μm, večji pa elipse s parametrom a 710 μm in b 250 μm. Glede na to, da sistem ni bil mišljen za uporabo pri visokih tlakih, so priključki del sistema. Oblikovani so tako, da se nanje natakne cevko. Pomembno vlogo pri izdelavi ima tudi orientacija tiskanja. Priključki so obrnjeni navzgor. To sicer ni idealno z vidika mehanskih lastnosti, vendar je tako najlažje natisniti, saj ni potrebna uporaba podpor, ki so drugače nujne nad previsi nad 45°. Posledično je malenkostno zmanjšan čas tiskanja in poraba materiala, tudi ni potrebno odstranjevanje podpor po končanem tisku. Načrt sistema je prikazan na sliki 8. Izdelan je bil v programu Autodesk Fusion 360. Vse mere so v milimetrih.
Slika 8: Načrt čipa.
20
Pri izdelavi čipa smo naleteli na več težav. Debelina podstavka je morala biti ravno dovolj debela drugače je sistem puščal. Če smo uporabili predebel podstavek, se je čas izdelave znatno podaljšal. Na koncu smo ugotovili, da je najboljši kompromis podstavek z debelino 0,4 mm. Podoben problem smo imeli pri modeliranju zgornje plasti kanala.
Debelejša kot je bila, manjša je bila možnost da pušča, vendar je bila manj prosojna. Na koncu smo pristali na debelino 0,25 mm. Tako je nastal čip, kot ga lahko vidimo na sliki 9. Tisk je trajal 29 minut, cena izdelave pa je bila 0,02 €.
Slika 9: Slika izdelanega čipa.
21
4.2 Obdelava
Pri obdelavi smo najprej mislili čip postaviti kar v čašo s topilom, in pustiti, da etilacetat difundira v kanale. Ta način ni bil primeren, saj so stene čipa pretanke, zato so ga pare etilacetata v kombinaciji z temperaturo ukrivile (Slika 10), priključki pa so velikokrat zlomili, medtem ko so kanali ostali nedotaknjeni. Zato smo se odločili, da bomo pare topila srkali skozi sistem. Na ta način ni bilo nepotrebne površine čipa v stiku s parami, zato se ni deformiral. Verjetno bi bilo boljše, če bi obdelali še priključke, da bi bili bolj gladki. Tako bi bila manjša verjetnost, da bi na spoju s cevko prišlo do puščanja.
Slika 10: Čip, ki smo ga postavili v čašo s etilacetatom.
22
4.3 Vrednotenje
S kamero smo posneli slike mešanja toka v čipu pred in po obdelavi. Rezultate lahko vidimo na sliki 11.
Slika 11: Tok barvil pri preroku 0,5 mL/min v devetih čipih pred obdelavo s parami etilacetata in po njen (desno).
23
Iz enačbe (1) smo ugotovili kje je razdalja 3 mm od stičišča. Nato smo z očesom določili širino mešanja v slikovnih pikah. Torej širino dela, kanala, kjer ni barvilo ne modro in ne rumeno. Iz tega smo po enačbi (2) izračunali širino v milimetrih (Slika 12). Izračunali smo še mešalno razmerje po enačbi (3). Rezultati, so predstavljeni v tabeli 2.
Slika 12: Določanje širine mešanja.
Tabela 2: Tabela primerjave mešalnih razmerji pred obdelavo in po njej ter statistični parametri.
Iz rezultatov smo ugotovili, da se sistem pred obdelavo in po njej zares razlikuje. Da smo to lahko z gotovostjo potrdili, smo uporabili še dvostranski t-test parov. Verjetnost da med obema skupinama ni razlike znaša 0, 83 %. Torej pride do razlike v mešanju pred in po obdelavi. Največji prispevek k negotovosti presoje je verjetno vizualna presoja širine mešanja. Boljše bi bilo, če bi uporabili način, kot so ga razvili Hashmi in sodelavci [20].
Torej bi sliko pretvorili v sivine. Vzeli bi pas slikovnih pik 3 mm od stičišča in statistično primerjali razliko v barvi med sosednjimi slikovnimi pikami.
24
4.4 Primerjava
Iz slike 11 lahko opazimo, da je mešanje tokov v kanalu po obdelavi s parami etilacetata večje. Najbolj je to opazno pri čipih 1 in 3. Rezultati se ne skladajo z našo hipotezo. Pare etilacetata res topijo PLA, vendar se stopljenemu materialu pri tem poveča volumen (nabrekne). Pri tem se lumen kanalov zmanjša. Masni pretok se mora ohraniti, torej se hitrost toka poveča. Posledično je tudi mešanje večje. Med tiskanjem je prišlo tudi do raznih napak, kar lahko vidimo pri čipu 2 na sliki 13. Do tega verjetno pride, ko se začasno ustavi tiskanje, da se lahko glava tiskalnika premakne na novo pozicijo in nadaljuje s tiskom. Preden se to zgodi, ekstruder potisne filament vzvratno, da staljen polimer ne bi lezel iz šobe in uničil tiska. Ker pa je filament pri tem še vedno vroč, se pri umikanju filamenta ustvarijo izrastki kot jih lahko vidimo na drugem čipu na sliki 13. Podobno kot sladkor pri izdelavi sladkorne pene. V stiku z etilacetatom pa se poveča tudi volumen teh defekotov, kar ustvarja večje vrtinčenje v kanalu. Ker se pri obdelavi zmanjša tudi lumen kanalov imajo takšne napake še večji vpliv na mešanje. Tudi verjetnost, da bo prišlo do zamašitve po obdelavi, je večja.
Slika 13: Prerez neobdelanega kanala (1 in 2) ter obdelanega (3 in 4). Na čipu 1 lahko opazimo stopničasti efekt. Pri primerjavi čipov 2 in 4 pa lahko opazimo kako obdelava spremeni napake pri tiskanju.
25
Efekt bi lahko zmanjšali na več načinov. Lahko bi povečati kanale, kjer bi napake tiska imele manjši vpliv, vendar potem ne bi imeli več mikropretočnega sistema. Boljša rešitev bi bila uporaba šobe z manjšim premerom. Pri tem bi se zmanjšal tudi premer iztisnjenega filamenta. Filament bi se tako med vzvratnim potiskanjem hitreje ohladil in ne bi prišlo do takšnih napak. Tudi natančnost izdelave bi bila boljša, saj bi lahko tiskali s tanjšimi plastmi. Bi se pa pri tem znatno podaljšal čas tiska. Na sliki 13 pri čipu 3, vidimo, da je površina po obdelavi dejansko nekoliko bolj gladka, če le nimamo nobenih napak.
Verjetno bi bilo potrebno obdelavo optimizirati in ugotoviti, kako na izpostavljen čip vpliva daljši ali krajši čas obdelave.
Pri obdelavi PLA z etilacetatom, se je stopljen filament obarval belo, kar je močno onemogočalo opazovanje toka. To lahko vidimo na sliki 14. Mogoče je to posledica dodatkov, ki so v filamentu. Potrebno bi torej bilo poskusiti še s kakšnim drugim filamentom. Vsekakor pa bi bilo dobro, če bi za opazovanje mešalnega razmerja uporabili kakšen drug način spremljanja.
Slika 14: PLA, ki se je stopil se je obarval belo, kar je močno onemogočalo določanje mešalnega razmerja.
Zanimivo bi bilo nadaljevati eksperiment in preizkusiti še učinek drugih topil, kot je na primer acetonitril ali tetrahidrofuran.
27
5 Sklep
Očitno je, da metoda takšna, kot je, še ni primerna za mikropretočne sisteme. Verjetno bi se dalo na ta način obdelati čipe s kanali nekaj milimetrov, kar pa ne pride v poštev za mikropretočne sisteme. Boljše rezultate bi mogoče dobili z uporabo šobe z manjšim premerom. Verjetno bi bilo dobro optimizirati tudi samo obdelavo. Tudi način detekcije bi bilo dobro spremeniti, saj raztopljen PLA močno motil detekcijo. Smiselno bi bilo tudi popraviti program za obdelavo slik, saj smo sedaj širino mešalnega toka določali z vizualno presojo in ne statistično. Na ta način bi zmanjšali napako. Presenetilo nas je, da smo ustvarili precej dober laminaren tok v neobdelanih čipih, ki se ni mešal do konca kanala. Vsekakor bi bilo zanimivo eksperiment ponoviti z drugim filamentom, za obdelavo pa uporabiti kakšno drugo topilo, kot je na primer acetonitril ali tetrahidrofuran.
29
6 Literatura
[1] A. V Nielsen, M. J. Beauchamp, G. P. Nordin, A. T. Woolley: 3D Printed Microfluidics. Annu. Rev. Anal. Chem. (Palo Alto. Calif). 2020, 13, 45–65.
[2] J. P. Kruth: Material Incress Manufacturing by Rapid Prototyping Techniques.
CIRP Ann. - Manuf. Technol. 1991, 40, 603–614.
[3] A. K. Au, W. Huynh, L. F. Horowitz, A. Folch: 3D-Printed Microfluidics. Angew.
Chemie - Int. Ed. 2016, 55, 3862–3881.
[4] J. Steuben, D. L. Van Bossuyt, C. Turner: Design for fused filament fabrication additive manufacturing. Proc. ASME Des. Eng. Tech. Conf. 2015, 4.
[5] S. Waheed, J. M. Cabot, N. P. Macdonald, T. Lewis, R. M. Guijt, B. Paull, M. C.
Breadmore: 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers. Lab Chip 2016, 16, 1993–2013.
[6] P. J. Kitson, M. D. Symes, V. Dragone, L. Cronin: Combining 3D printing and liquid handling to produce user-friendly reactionware for chemical synthesis and purification. Chem. Sci. 2013, 4, 3099–3103.
[7] A. Lalehpour, C. Janeteas, A. Barari: Surface roughness of FDM parts after post-processing with acetone vapor bath smoothing process. Int. J. Adv. Manuf.
Technol. 2018, 95, 1505–1520.
[8] Z. Liu, Y. Wang, B. Wu, C. Cui, Y. Guo, C. Yan: A critical review of fused deposition modeling 3D printing technology in manufacturing polylactic acid parts. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019, 102, 2877–2889.
[9] J. C. McDonald, M. L. Chabinyc, S. J. Metallo, J. R. Anderson, A. D. Stroock, G.
M. Whitesides: Prototyping of microfluidic devices in poly(dimethylsiloxane) using solid-object printing. Anal. Chem. 2002, 74, 1537–1545.
[10] D. Pranzo, P. Larizza, D. Filippini, G. Percoco: Extrusion-based 3D printing of microfluidic devices for chemical and biomedical applications: A topical review.
Micromachines 2018, 9.
[11] M. K. Gelber, R. Bhargava: Monolithic multilayer microfluidics via sacrificial molding of 3D-printed isomalt. Lab Chip 2015, 15, 1736–1741.
[12] K. Kadimisetty, I. M. Mosa, S. Malla, J. E. Satterwhite-Warden, T. Kuhns, R. C.
Faria, N. H. Lee, J. F. Rusling: 3D-Printed Supercapacitor-Powered Electrochemiluminescent Protein Immunoarray. Biosens. Bioelectron. 2016, 77, 188.
30
[13] P. J. Kitson, M. H. Rosnes, V. Sans, V. Dragone, L. Cronin: Configurable 3D-Printed millifluidic and microfluidic „lab on a chip“ reactionware devices. Lab Chip 2012, 12, 3267–3271.
[14] F. Lavecchia, M. G. Guerra, L. M. Galantucci: Chemical vapor treatment to improve surface finish of 3D printed polylactic acid (PLA) parts realized by fused filament fabrication. Prog. Addit. Manuf. 2021.
[15] C. C. Kuo, S. J. Su: A simple method for improving surface quality of rapid prototype. Indian J. Eng. Mater. Sci. 2013, 20, 465–470.
[16] C. Kuo: A surface quality improvement apparatus for ABS parts fabricated by additive manufacturing. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016.
[17] S. Sato, D. Gondo, T. Wada, S. Kanehashi, K. Nagai: Effects of various liquid organic solvents on solvent-induced crystallization of amorphous poly(lactic acid) film. J. Appl. Polym. Sci. 2013, 129, 1607–1617.
[18] S. Sekhar, P. Rimpy, C. Sajan, K. Virendra: Chemical vapour treatment for enhancing the surface finish of PLA object produced by fused deposition method using the Taguchi optimization method. SN Appl. Sci. 2020, 2, 1–13.
[19] N. P. Macdonald, J. M. Cabot, P. Smejkal, R. M. Guijt, B. Paull, M. C. Breadmore:
Comparing Microfluidic Performance of Three-Dimensional (3D) Printing Platforms. Anal. Chem. 2017, 89, 3858–3866.
[20] A. Hashmi, J. Xu: On the Quantification of Mixing in Microfluidics. J. Lab. Autom.
2014, 19, 488–491.