ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-11-90-101

УДК: 535-1

Исследование структуры пластиковых изделий, изготовленных методом 3D печати, в субтерагерцовом излучении

Хасанов И.Ш., Благова Т.В.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Хасанов И.Ш., Благова Т.В. Исследование структуры пластиковых изделий, изготовленных методом 3D печати, в субтерагерцовом излучении // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 11. С. 90–101. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-11-90-101

 

Khasanov I.Sh., Blagova T.V. Investigation of the structure of plastic products made by 3D printing in sub-terahertz radiation [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 11. P. 90–101. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-11-90-101

Ссылка на англоязычную версию:

I. Sh. Khasanov and T. V. Blagova, "Investigation of the structure of plastic products made by 3D printing in sub-terahertz radiation," Journal of Optical Technology. 90 (11), 691-698 (2024).  https://doi.org/10.1364/JOT.90.000691

Аннотация:

Предмет исследования. Структуры пластиковых изделий исследовались в субтерагерцовом диапазоне в проходящем свете, изготовленные методом моделирования послойным наплавлением при различных параметрах трехмерной печати, таких как шаблон и доля заполнения. Цель работы. Установление влияния параметров трехмерной печати (таких как шаблон и доля заполнения) на оптические характеристики 3D печатных пластиковых изделий для выявления возможностей субтерагерцовой визуализации в исследовании и неразрушающем контроле пластиковых изделий и определения необходимости учета указанных параметров при создании элементов терагерцовой оптики. Метод. Субтерагерцовая визуализация с использованием излучения компактного источника 300 ГГц и терагерцовой камеры. Разрешение изображений повышалось методом субпиксельного сканирования. Основные результаты. Приведен обзор применений метода моделирования послойным наплавлением трехмерной печати для создания элементов терагерцовой оптики; указано, что во многих исследованиях отсутствуют полные сведения об использованных параметрах печати. Получены изображения пластиковых объектов при различных параметрах трехмерной печати. Установлено различие характеристик изображений, что демонстрирует влияние внутренней субволновой структуры на оптические свойства изделий. Результаты показывают возможность установить долю и тип шаблона заполнения для пластиковых изделий. Практическая значимость. Субтерагерцовая визуализация с использованием излучения компактных источников и терагерцовых камер может стать альтернативным, практичным и конкурентным методом неразрушающего контроля печатных пластиковых изделий. Указана важность для воспроизводимости научных исследований полно описывать параметры трехмерной печати для создаваемых оптических элементов терагерцового и субтерагерцового диапазонов.

Ключевые слова:

тергерцовое излучение, неразрушающий контроль, трехмерная печать, моделирование послойным наплавлением, метод моделирования послойным наплавлением

Благодарность:

работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FFNS-2022-0009). Результаты работы получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования НТЦ УП РАН

Коды OCIS: 110.6795, 050.6875, 120.4290

Список источников:
  1. Gibson I., Rosen D., Stucker B., et al. Additive manufacturing technologies. 3rd ed. Cham: Springer International Publ., 2021. 675 p. 2021. https://doi.org/10.1007/978-3-030-56127-7
  2. Pearce J., Blair C.M., Laciak K., et al. 3-D printing of open source appropriate technologies for self-directed sustainable development // J. Sustainable Development. 2010. V. 3. № 4. P. 17. https://doi.org/10.5539/jsd.v3n4p17
  3. Berglund G., Wisniowiecki A., Gawedzinski J., et al. Additive manufacturing for the development of optical/photonic systems and components // Optica. 2022. V. 9. № 6. P. 623–638. https://doi.org/10.1364/OPTICA.451642
  4. Kranert F., Budde J., Hinkelmann M., et al. Additively manufactured polymer optomechanics and their application in laser systems // Generative Manufacturing of Optical, Thermal and Structural Components (GROTESK) / Ed. by Lachmayer R. et al. Cham: Springer International Publ., 2022. P. 25–50.
  5. Sun J., Hu F. Three-dimensional printing technologies for terahertz applications: A review // Internat. J. RF and Microwave Computer-Aided Eng. 2020. V. 30. № 1. P. e21983. https://doi.org/10.1002/mmce.21983
  6. Jeong H.Y., Lee E., An S.-C., et al. 3D and 4D printing for optics and metaphotonics // Nanophoton. 2020. V. 9. № 5. P. 1139–1160. https://doi.org/10.1515/nanoph-2019-0483
  7. Headland D., Withayachumnankul W., Webb M., et al. Analysis of 3D printed metal for rapid-prototyped reflective terahertz optics // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 15. P. 17384–17396. https://doi.org/10.1364/OE.24.017384
  8. Squires A.D., Constable E., Lewis R.A. 3D printed terahertz diffraction gratings and lenses // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2015. V. 36. № 1. P. 72–80. https://doi.org/10.1007/s10762-014-0122-8
  9. Tomassoni C., Peverini O.A., Venanzoni G., et al. 3D printing of microwave and millimeter-wave filters: additive manufacturing technologies applied in the development of high-performance filters with novel topologies // IEEE Microwave Magazine. 2020. V. 21. № 6. P. 24–45. https://doi.org/10.1109/MMM.2020.2979153
  10. Faraji Rad Z., Prewett P.D., Davies G.J. High-resolution two-photon polymerization: the most versatile technique for the fabrication of microneedle arrays: 1 // Microsys. & Nanoeng. 2021. V. 7. № 1. P. 1–17. https://doi.org/10.1038/s41378-021-00298-3
  11. Crump S.S. Apparatus and method for creating three-dimensional objects: pat. US5121329A USA. 1992.
  12. Kaur A., Myers J.C., Ghazali M.I.M., et al. Affordable terahertz components using 3D printing // 2015 IEEE 65th Electronic Components and Tech. Conf. (ECTC). San Diego, CA, USA. May 26–29, 2015. P. 2071–2076. https://doi.org/ 10.1109/ECTC.2015.7159888
  13. Busch S.F., Weidenbach M., Fey M., et al. Optical properties of 3D printable plastics in the THz regime and their application for 3D printed THz optics // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2014. V. 35. № 12. P. 993–997. https://doi.org/10.1007/s10762-014-0113-9
  14. Busch S.F., Weidenbach M., Balzer J.C., et al. THz optics 3D printed with TOPAS // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2016. V. 37. № 4. P. 303–307. https://doi.org/10.1007/s10762-015-0236-7
  15. Revuri P.K., Walus K., Wallace V.P., et al. 3D printed Fabry–Pérot filters for terahertz spectral range // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2022. V. 43. № 11. P. 942–956. https://doi.org/10.1007/s10762-022-00887-x.
  16. Cruz A.L.S., Argyros A., Tang X., et al. 3D printed terahertz Bragg fiber // 2015 40th Internat. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz). Hong Kong, China. August 23–28, 2015. P. 1–2. https://doi.org/ 10.1109/IRMMW-THz.2015.7327936
  17. Hernandez-Serrano A.I., Sun Q., Bishop E.G., et al. Design and fabrication of 3-D printed conductive polymer structures for THz polarization control // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 8. P. 11635–11641. https://doi.org/10.1364/OE.27.011635
  18. Weidenbach M., Jahn D., Rehn A., et al. 3D printed dielectric rectangular waveguides, splitters and couplers for 120 GHz // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 25. P. 28968–28976. https://doi.org/10.1364/OE.24.028968
  19. van Putten L.D., Gorecki J., Fokoua E.N., et al. 3D printed polymer antiresonant waveguides for short-reach terahertz applications // Appl. Opt. 2018. V. 57. № 14. P. 3953–3958. https://doi.org/10.1364/AO.57.003953
  20. Rohrbach D., Kang B.J., Feurer T. 3D printed THz wave- and phaseplates // Opt. Exp. 2021. V. 29. № 17. P. 27160–27170. https://doi.org/10.1364/OE.433881
  21. Dorozhkin K.V., Teterina D.D., Badin A.V., et al. ABS and PLA sub-terahertz absorbers for 3D printing technology // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1499. № 1. P. 012008. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1499/1/012008
  22. Squires A.D., Lewis R.A. Feasibility and characterization of common and exotic filaments for use in 3D printed terahertz devices // J. Infrared Milli Terahz Waves. 2018. V. 39. № 7. P. 614–635. https://doi.org/10.1007/s10762-018-0498-y
  23. Clark A.T., Federici J.F., Gatley I. Effect of 3D printing parameters on the refractive index, attenuation coefficient, and birefringence of plastics in terahertz range // Adv. in Mat. Sci. and Eng. 2021. V. 2021. P. e8276378. https://doi.org/10.1155/2021/8276378
  24. Brodie C.H., Spotts I., Reguigui H., et al. Comprehensive study of 3D printing materials over the terahertz regime: absorption coefficient and refractive index characterizations // Opt. Mat. Exp. 2022. V. 12. № 9. P. 3379–3402. https://doi.org/10.1364/OME.465820
  25. Siemion A. The magic of optics — An overview of recent advanced terahertz diffractive optical elements // Sensors. 2021. V. 21. № 1. P. 100. https://doi.org/10.3390/s21010100
  26. Yakovlev E.V., Zaytsev K.I., Dolganova I.N., et al. Non-destructive evaluation of polymer composite materials at the manufacturing stage using terahertz pulsed spectroscopy // IEEE Transact. on Terahertz Sci. and Tech. 2015. V. 5. № 5. P. 810–816. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2015.2460671
  27. Stoik C.D., Bohn M.J., Blackshire J.L. Nondestructive evaluation of aircraft composites using transmissive terahertz time domain spectroscopy // Opt. Exp. 2008. V. 16. № 21. P. 17039–17051. https://doi.org/ 10.1364/OE.16.017039
  28. Lopato P., Chady T. Terahertz detection and identification of defects in layered polymer composites and composite coatings // Nondestructive Testing and Evaluation. 2013. V. 28. № 1. P. 28–43. https://doi.org/ 10.1080/10589759.2012.694882
  29. Ahi K., Shahbazmohamadi S., Asadizanjani N. Quality control and authentication of packaged integrated circuits using enhanced-spatial-resolution terahertz time-domain spectroscopy and imaging // Opt. and Lasers in Eng. 2018. V. 104. P. 274–284. https://doi.org/ 10.1016/j.optlaseng.2017.07.007
  30. Veselý P., Tichý T., Šefl O., et al. Evaluation of dielectric properties of 3D printed objects based on printing resolution // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. V. 461. № 1. P. 012091. https://doi.org/10.1088/1757-899X/461/1/012091
  31. Cantrell J., Rohde S., Damiani D., et al. Experimental characterization of the mechanical properties of 3D printed ABS and polycarbonate parts // Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. V. 3 / Ed. by. Yoshida S., Lamberti L., Sciammarella C. Cham: Springer International Publ., 2017. P. 89–105. https://doi.org/ 10.1007/978-3-319-41600-7_11
  32. Sun X., Mazur M., Cheng C.-T. A review of void reduction strategies in material extrusion-based additive manufacturing // Additive Manufact. 2023. V. 67. P. 103463. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103463
  33. Missori M., Pilozzi L., Conti C. Terahertz waves dynamic diffusion in 3D printed structures // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 8613. https://doi.org/10.1038/s41598-022-12617-3
  34. Naftaly M., Savvides G., Alshareef F., et al. Non-destructive porosity measurements of 3D printed polymer by terahertz time-domain spectroscopy // Appl. Sci. 2022. V. 12. № 2. P. 927. https://doi.org/10.3390/app12020927
  35. Naftaly M., Tikhomirov I., Hou P., et al. Measuring open porosity of porous materials using THz-TDS and an index-matching medium // Sensors. 2020. V. 20. № 11. P. 3120. https://doi.org/10.3390/s20113120
  36. Hassen A.A., Kirka M.M. Additive manufacturing: the rise of a technology and the need for quality control and inspection techniques // Mat. Eval. 2018. V. 76. № 4. https://www.osti.gov/servlets/purl/1437906
  37. Бердюгин А.И., Бадьин А.В., Гурский Р.П. и др. Терагерцовый сканирующий рефлектометр для визуализации строения полимерных конструкций в аддитивном производстве // Ural Radio Eng. J. 2021. Т. 5, № 3, C. 207–224. https://doi.org/10.15826/urej.2021.5.3.001

Berdyugin A.I., Badin A.V., Gursky R.P., et al. Terahertz scanning reflectometer for structure visualization of polymer constructions in additive manufacturing [in Russian] // Ural Radio Eng. J. 2021. V. 5. P. 207–224. https://doi.org/10.15826/urej.2021.5.3.001

  1. Sathishkumar N., Udayakumar A.S.M., Vincent B., et al. Study and analysis of 3D printed FDM components by non-destructive testing techniques // Internat. J. Research and Review. 2020. № 5. P. 218–222. https://doi.org/ 10.4444/ijrr.1002/1974
  2. Lu Q.Y., Wong C.H. Applications of non-destructive testing techniques for post-process control of additively manufactured parts // Virtual and Physical Prototyping. 2017. V. 12. № 4. P. 301–321. https://doi.org/10.1080/17452759.2017.1357319
  3. Rajkumar C., Hemakumar V.S., Jayavelu S., et al. Non-destructive testing (NDT) analysis in fused deposition modeling — A review // AIP Conf. Proc. 5th Internat. Conf. on Innovative Design, Analysis & Development Practices in Aerospace & Automotive Engineering (I-Dad’22). Chennai, India. February 24, 2022. P. 020004. https://doi.org/ doi.org/10.1063/5.0139323
  4. Электронный ресурс URL: https://terasense.com/ (TeraSense / Терагерцовое оборудование для получения ТГц изображений)

Electronic resource URL: https://terasense.com/ (TeraSense / Terahertz equipment for THz imaging)

  1. Besson A., Minasyan A. Terahertz imaging for composite non destructive testing // 15th Asia Pacific Conf. for Non-Destructive Testing (APCNDT2017). Singapore. November 13–17, 2017. P. 1–6.
  2. Jin Y., Walker E., Heo H., et al. Nondestructive ultrasonic evaluation of fused deposition modeling based additively manufactured 3D printed structures // Smart Mater. Struct. IOP Publ. 2020. V. 29. № 4. P. 045020. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab74b9
  3. Chaschina O.I., Knyazev B.A., Kulipanov G.N., et al. Real-time speckle metrology using terahertz free electron laser radiation // Nuclear Instruments and Methods in Phys. Research Section A: Accel., Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2009. V. 603. № 1–2. P. 50–51. https://doi.org/10.1016/j.nima.2008.12.235
  4. Khasanov I.S., Zykova L.A., Nikitin A.K., et al. Terahertz surface plasmon resonance microscopy based on ghost imaging with pseudo-thermal speckle light // 2020 45th Internat. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). Buffalo, N.Y., USA. November 08–13, 2020. P. 1–2. https://doi.org/ 10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370795
  5. Blagova T.V., Khasanov I.S. Contribution of wave aberrations represented by Zernike polynomials to the cross-correlation function between distorted and actual speckle patterns // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2091. № 1. P. 012009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2091/1/012009
  6. Tsai R.Y., Huang T.S. Multiframe image restoration and registration // Multiframe Image Restoration and Registration. 1984. V. 1. P. 317–339.
  7. Jintamethasawat R., Thanapirom C., Rattanawan P., et al. Non-uniformity correction algorithm for THz array detectors in high-resolution imaging applications // J. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2020. V. 41. № 8. P. 940–956. https://doi.org/10.1007/s10762-020-00698-y
  8. Электронный ресурс URL: https://github.com/KhasanovISh/Public (Публичный репозиторий исходного кода Хасанова И.Ш. на Github).

Electronic resource URL: https://github.com/KhasanovISh/Public (Khasanov I.Sh. Github Public source code repository).