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忽视温度影响,义齿3D打印良品率凭什么提高?
21年12月29日 广州
前段时间气温骤降,不少北方的义齿加工厂发现:3D打印经常出现掉版、变形问题。不少人已经认识到,温度降低容易导致打印失败(一般3D打印树脂都会标注上适宜温度范围是20-30°C)。当然,也有人在南方艳阳里表示“此间暖,不出错”,事实上,这里存在一个认知误差。
温度每变化5°C
打印失败率将会提高约10%
实际上哪怕气温适宜,只要温度产生变化,就会影响打印质量以及打印良品率。在15-30°C内,一般因温度发生的是非显性问题:模型易断裂易碎、尺寸膨胀导致原本适配的工作面变得无法密贴、模型久置层与层开裂、模型的表面质量糊化或者局部变粗糙。
在适宜区间外,更容易发生显性问题:打印层纹、打印变形、打印断层、打印掉版等。如果生产良品率总是上不来,即使换设备换树脂修改工艺也难以解决,或许你忽视了温度这个隐性却紧密影响生产效果的打印工艺要素!
01
温度影响了什么
温度会影响树脂的流动性:温度越低粘稠度就越高,流动性就变差。光固化3D打印是层层叠加而成的,温度降低带来的流动性变差,而平台运动时间若不改变,就会导致每固化一层留空出下一层固化空间时,流平不充分,导致模型表面质量差、糊化、粗糙、变形等,严重则导致模型断层、开裂。
温度对黏稠度影响的程度多大呢?可以看下面的实验数据。
△树脂在10℃和40℃时,粘稠度会差超过16倍
* 来源于相关资料
温度会影响树脂的固化效果:光固化过程是一个能量转移过程:固化光把能量传递给了树脂,树脂吸能后产生反应变成固态。温度越高,相同时间下其反应过程的速率就会越快,简单理解为烧开水时,10°C、30°C、50°C的水烧3分钟,烧开的概率依次增加的。
更高温度在带来更高固化率的同时,也会带来尺寸精度的变化。有实验表面:40°C的树脂所打印的模型,表面硬度均高于10°C、20°C相同树脂,这便是由于温度高树脂转化充分而提升了模型的机械性能。
从温度对树脂的流动性和固化率来看,温度越高,3D打印理论上越好。但实际上并非如此。
02
温度过高也会出问题
虽然理论上树脂温度越高越利好3D打印。但在3D打印中,对树脂打印温度的控制依然是有合适理想的工作温度区间。打印过程中,温度过高,例如高于40°C易导致过度的固化(过高的固化率)——即固化效果过量导致树脂膨胀。
打印模型为了紧紧贴在平台上,初始打印时都会过度固化,所以会明显发现贴平台的底垫或模型外缘有微微大一圈的情况。而过度固化持续发生,则表现为模型尺寸膨胀,齿科模型工作面无法密贴。
经黑格科技测试,树脂的理想工作温度是在20°C -30°C区间。
△模型底部过度固化会明显在外缘突出一圈 *图片源于网络
03
仅仅要求初始温度还不够
3D打印过程中树脂温度并非不变的:树脂固化会吸热和放热,以及固化光照射会产生热量,会存在波动性的温度变化。加之环境温度的影响,打印过程会存在因波动出现前述中温度过低或过高导致的问题。
同时,当打印温差大时,如加热到30°C的树脂在10°C环境下打印,打印层会更容易产生向心收缩力,产生翘边、卷曲的现象。
打印温度只有一个较狭窄的适宜区间,约20°C -25°C,既可以保证合适的成品表面质量和稳定的精度,又能保证得到预期性能强度的打印产品,并且这个温度范围是包括了树脂的初始温度,打印中树脂温度变化,并且温差变化不能太大,否则不良率则会指数上升。
△各类情况打印温度变化及打印效果简要示意
04
温度控制是加工厂提高出品质量的优化途径
目前情况是,有加工厂注意到了预热树脂,有加工厂做到了给设备整体保温,但仍然缺乏有效地对温度控制的意识和手段。这意味着,出品质量仍然存在优化空间。
想要把温度控制在适宜区间内,有两个工作:
1. 改变树脂初始温度——树脂进行预热处理,将树脂在临近打印前存储在25°C -30°C环境中,或以温水均匀加热瓶内较低温度树脂。能有效避免气温较低导致初始打印掉版、断层的问题。
2. 维持环境温度——使用空调或暖机调节环境,让整个打印车间保持恒温状态,温度波动较低。不过环境加热下树脂温度变化慢,升温或降温耗时久,改善方式是尽可能创造较小的车间环境,或为打印仓创造保温罩。
05
黑格科技的环境控制方案
用户的体验是黑格科技持续关注的核心,为了提高用户的良品率,控制成本提升产效,在每台设备进场前,黑格科技都会进行提前做场地勘察,并给予环境改造建议,保证3D打印机工作时环境的适宜性。
在用户的持续使用中,我们发现了对于部分环境较为极端的用户,场地改造及空调暖机支持,在温湿度控制上效果仍然有限,为了解决这类状况,黑格科技提出了打印恒温仓方案。
在A2D系列产品上,新增了恒温仓系统,基于仓内及外部环境温度检测与打印AI智能控制,在外部环境低于20°C时自动启动,通过热传导对整个打印仓进行温控,实现了打印中温度维持在23±2°C范围内。
同时进一步地实现了打印仓内的湿度的控制,避免空气过湿改变树脂性能,通过实测发现,对温度湿度的精准控制能够有效提高打印质量和精度,进而提高生产良品率。
△Ultra-Net界面中设备监控温湿度变化曲线
事实上,从环境而言,对于3D打印会造成影响的不只是温度,还有湿度、光照、振动/配平等,这将会是黑格科技后续为提高3D打印生产质量的精雕细琢工作。
参考资料:
王丹 《面成型光固化树脂温度与液位控制系统研究》
《实用口腔医学杂志》 |《不同温度、光源对光固化复合树脂表面硬度的影响》
刘林,叶志清,饶春芳,胡友德,匡芬,王燕 《用布喇格光纤光栅传感器测定口腔复合树脂材料光固化收缩与温度演化特性》王军杰,王素琴,卢秉恒《激光快速成型加工中光敏树脂收缩性能研究》