CC BY
34
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив. Серия Г. Медицина, фармация и дентална медицина т. XXII. ISSN 1311-9427 (Print), ISSN 2534-9392 (On-line). 2017. Scientific works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series G. Medicine, Pharmacy and Dental medicine, Vol.XXII. ISSN 13119427 (Print), ISSN 2534-9392 (On-line). 2018.
СРАВНИТЕЛЕН АНАЛИЗ НА СТАНДАРТНИ МАТЕРИАЛИ, ИЗПОЛЗВАНИ ЗА 3D ПРИНТИРАНЕ Добромира Шопова, Таня Божкова, Диян Славчев, Мария Христозова, Илиан Христов Катедра „Протетична дентална медицина",Факултет по дентална медицина, Медицински университет-Пловдив, България
COMPARATIVE ANALYSIS OF STANDARD MATERIALS USED FOR 3D PRINTING Dobromira Shopova, Tanya Bozhkova, Diyan Slavchev, Maria Hristozova, Ilian Hristov Department of "Prosthetic Dentistry", Faculty of Dental Medicine, Medical University - Plovdiv, Bulgaria
Abstract: After the successful accomplishment of CAD / CAM technology in dentistry, the introduction of technology based on the opposite principle - 3D printing or spatial creation of objects began. In the additive technique, the objects are made from different chemical materials layer by layer. According to their specific characteristics, they are classified into six main groups. The purpose of this article is to compare the mechanical properties of materials from the group of standard.
Key words: 3D printing, standard materials for 3D printing.
След успешного реализиране на CAD/CAM технологията чрез пространствено изрязване на обекти в денталната медицина, започва навлизането на технология, базираща се на противоположния принцип - 3D принтиране или пространствено създаване на обекти.
При адитивната техника се извършва послойно изграждане на обекти от различни по химична природа материали. По тази методика могат да се извършат всички лабораторни етапи при протезирането - от създаването на модела до окончателната конструкция (1, 2).Според специфичната им характеристика, те се класифицират в шест основни групи (3):
1) Стандартни материали,
2) Еластични материали,
3) Композитни материали,
4) метали и сплави,
5) материали за опора,
6) специални материали.
Към групата на стандартните материали се отнасят:
1. PLA (полирлечва киселина) - най-широко разпространеният материал за пространствено принтиране, който е твърд, но чуплив, с минимално свиване, могат да се подложат на неелектролитна метализация с никелов фосфат и мед, целящо промяна на повъхностните качества и метален блясък на обекта (13). (4, 5).
2. ABS (акриловитрил бутадиен стирев) - твърд, трудно чуплив, ковък материал, с добра абразионна и термоустойчивост, което го прави широкоприложим (6, 7).
3. Nylon (полиамид) - изключително здрав, еластичен при обекти с малка дебелина, с висока устойчивост на фрактури, което го прави подходящ за модели, изискващи твърдост и износоустойчивое, резистентен на насекоми, гъби и химични агенти, податлив на хидролиза, притежава висок модул на еластичност и лесно се удължава (7, 8, 14).
4. PETG (модифициран полиетилен терефталат гликол) - по природа е прозрачен, може да бъде формован чрез инжектиране или пресоване на листове, съшо може да бъде подложен на неелектролитна метализация (9).
5. ASA (акрилонитрил стирен акрилат) - създаден е като алтернатива на ABS и притежава подобрена устойчивост на външни влияния, UV лъчи, нагряване и др. (7).
6. PP (полипропилен) - лек, но притежава висока устойчивост на счупване, киселини, органични разтворители, електролити, и висока точка на топене, неподатлив на хидролиза. (10, 14).
7. CPE (ко-полиестер) - химически резистентен твърд материал (11).
В сравнително проучване, на табл. 1 са показани основните характеристики, предимства и недостатъци на три от стандартните материали за дигитално принтиране (12):
Табл. 1. Сравнителна характеристика на материали за 3D принтиране
Материал Свойства ABS PLA РУЛ
Хим. природа Акрилонитрил Полимлечна киселина Поливинил алкохол
Произведен от бутадиен стирол Петрол Растително нишесте Петрол
Особености Твърд, негъвкав, устойчив на топлина Твърд, силен Водоразтворим, лесно оформящ се, висока степен на връзка, добри защитни свойства
Температура на екструдиране 210-250оС 160-220оС 190-210оС
Цена 14-60 $/кг 19-75 $/кг 80-120 $/кг
Характеристики Лесно шлифоване, лесно залепяне, разтворимост в ацетон Възможно шлифоване, ограничено залепване Разторимост във вода
Предимства Отлични пластични Биопластичен - добри Биоразградим,
свойства, гладка екологични качества, рециклиращ се,
повърхност, бързо приятна миризма при нетоксичен
втрърдяване, твърд и загряване, нетоксичен,
трудночуплив, много висока скорост и
добри механично- резолюция на
якостни качества принтиране, не изисква предварително загряване, намалено свиване, подходящ за малки обекти, твърд или мек/гъвкав вариант
Недостатъци Петролен продукт, не Бавно изстиване, слаба Скъпоструващ
биоразградим, изисква устойчивост на материал, влошаване
предварително топлина, по-лесно от влага, изисква
загряване, изпарения, фрактуриращ се от специални условия за
влошаване от слънчева ABS, изисква по- съхранение на модела
светлина дебели стени от ABS
Различните полимери, от които се изработват детайлите, притежават и различни физични и механични качества, което определя специфичного им приложение (15).
Установена е зависимост от посоката на поставяне на отделните Пластове. При вертикално принтиране якостта на натиск е по-висока, отколкото при хоризонтално (16). При подобно изследване върху PLA материал е установено, че при хоризонтално позициониране на пластовете якостта на опън е 38,7 Mpa, при вертикално - 31,1 Mpa, при поставяне под 45о -33,6 MPa (17). При промяна на хоризонталното направлението на пластовете при ABS материал са получени следните стойности - 0/90о - 1230 MPa, 45/45° - 900 MPa, 30/60° - 680 MPa (18).
При сравняване на механично-якостните характеристиките на модел от твърд гипс и модел от стандартен материал (PLA), изготвен на 3D принтер са установени следните зависимости, табл. 2 (19):
Таблица 2: Сравнение на стандартен материал и твърд гипс
показател
Стандартен материал
Твърд гипс
якост на опън
приблизително еднаква
приблизително еднаква
якост на огъване
близка
близка
удължение до скъсване
15-25%
3,5%
издържливост на висока
температура
себестойност
около 1200
около 2800
по-висока
Материалите могат да се полагат в различна дебелина пластове, табл. 3 (20): Таблица 3: Сравнение на дебелина на пластта и качество_
дебелина
качество
0,1 мм
наи-висока резолюция, но изисква много време
0,25 мм 0,5 мм
т.нар. междинно ниво, баланс между качество и скорост влошено, но времетраенето на процеса е силно скъсено.
В сравнително проучване се наблюдава голяма разлика в количеството необходим материал - от 35 до 2453 гр., както и в количесвото на загуби от този материал - от 10 до 2209 гр. (21). Материалите се предлагат в над 18 цветови варианта - бял,черен, прозрачен, зелен, син, кафяв, сив, пурпурен и др. (20, 22). Стандартните материали се използват за принтиране на модели (фиг. 1), временни кострукции (фиг.2) и др. (23, 24).
Фиг. 1. Принтиран модел от PLA материал (23)
Фиг. 2. Временни конструкции от ABS материал(24)
по-ниска
KHHronnc:
1. Dawood, A., et al. "3D printing in dentistry." British dental journal 219.11 (2015): 521529.
2. Van Noort, Richard. "The future of dental devices is digital." Dental materials 28.1 (2012): 3-12.
3. https://www.3d-colour.com/produkt-kategoriya/konsumativi/
4. Geczy, Attila, et al. "Low temperature soldering on biopolymer (PLA) Printed Wiring Board substrate." Electronics Technology (ISSE), 2011 34th International Spring Seminar on. IEEE, 2011.
5. https://ultimaker.com/en/resources/22225-how-to-print-with-ultimaker-pla
6. https://envisiontec. com/3 d-materials/
7. https://www.matterhackers.com/3d-printer-filament-compare
8. https://ultimaker.com/en/resources/22233-how-to-print-with-ultimaker-nylon
9. https: //www.lairdplastics. com/product/materials/petg
10. https://www.lpfrg.com/en/3d-printing-polypropylene/
11. https://ultimaker.com/en/resources/22229-how-to-print-with-ultimaker-cpe
12. http://3 dprintingforbeginners. com/filamentprimer/
13. Bernasconi, Roberto, et al. "Electroless Plating of PLA and PETG for 3D Printed Flexible Substrates." ECS Transactions 66.19 (2015): 23-35.
14. http://www.differencebetween.com/difference-between-polypropylene-and-vs-nylon/
15. Stansbury, Jeffrey W., and Mike J. Idacavage. "3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities." Dental Materials 32.1 (2016): 54-64.
16. Alharbi, Nawal, Reham Osman, and Daniel Wismeijer. "Effects of build direction on the mechanical properties of 3D-printed complete coverage interim dental restorations." The Journal of prosthetic dentistry 115.6 (2016): 760-767.
17. Afrose, Mst Faujiya, et al. "Effects of part build orientations on fatigue behaviour of FDM-processed PLA material." Progress in Additive Manufacturing 1.1-2 (2016): 21-28.
18. Arivazhagan, Adhiyamaan, and S. H. Masood. "Dynamic mechanical properties of ABS material processed by fused deposition modelling." Int J Eng Res Appl2.3 (2012): 20092014.
19. Groth, C. et al. "Three-dimensional printing technology." J Clin Orthod 48.8 (2014): 47585.
20. 3D Systems: CubeXTM Printer user guide. 2012. 44-46.
21. Roberson, D. A., D. Espalin, and R. B. Wicker. "3D printer selection: A decision-making evaluation and ranking model." Virtual and Physical Prototyping 8.3 (2013): 201-212.
22. https://all3dp.com/1/best-resin-dlp-sla-3d-printer-kit-stereolithography/
23. http://iversondental-labs.com/3d-printed-dental-models/
24. https: //envisiontec. com/3 d-printing-materials/perfactory-materials/
