SLA 3D printanje omogućava izradu detaljnih dijelova, ali mehanička svojstva gotovog proizvoda zavise i od obrade nakon printanja. Za inženjere koji biraju smolu za prototipove ili medicinsku primjenu važno je znati koliko naknadno očvršćavanje mijenja čvrstoću — i da li se obična smola time može smatrati biokompatibilnom.
Ključni nalazi
- Naknadno očvršćavanje povećalo je zateznu čvrstoću F-Grey smole sa 48,5 MPa na 54,1 MPa, odnosno za 11,54%.
- Kod A-Grey smole zatezna čvrstoća porasla je sa 28,1 MPa na 31,4 MPa, odnosno za 11,74%.
- Najveću izmjerenu zateznu čvrstoću imala je F-BioMed smola: 74,5 MPa; najnižu Ifun-BD: 10,7 MPa.
- F-BioMed je imao najveći modul elastičnosti, 2,7 GPa, dok je Ifun-BD imao najveće izduženje pri lomu, 17,9%.
- Materijal za jednu epruvetu koštao je 0,25–3,62 USD; cijena je izračunata samo na osnovu potrošnje smole.
Zašto je ovo pitanje važno?
Kod aditivne proizvodnje, odnosno 3D printanja, svojstva dijela ne određuje samo naziv materijala. Na rezultat mogu uticati proces i parametri izrade, a kod SLA tehnologije važnu ulogu ima i očvršćavanje fotopolimera. SLA koristi svjetlost za stvrdnjavanje tečne smole u slojevima. Naknadno očvršćavanje je dodatna obrada nakon printanja, pri kojoj se smola izlaže svjetlosti i/ili propisanom režimu očvršćavanja.
U radu se ispituje da li takva obrada mijenja mehanička svojstva dvije standardne sive smole. U radu se razmatra i šira motivacija: da li bi obična smola nakon UV obrade mogla postati alternativa skupljim biokompatibilnim materijalima. Međutim, ovaj eksperiment mjeri mehanička svojstva, a ne biokompatibilnost. Zato njegove rezultate ne treba tumačiti kao dokaz da je očvršćena standardna smola sigurna za kontakt s tijelom.
Rad Dr. Adija Pandžića objavljen je u zborniku CNNTech 2022, u seriji Lecture Notes in Networks and Systems, 2023. godine.
Šta se ispitivalo?
U istraživanju su upoređene četiri SLA smole: Formlabs Grey V4 (F-Grey), Anycubic Basic Grey (A-Grey), Formlabs BioMed Amber (F-BioMed) i iFun Denture Biocompatible Resin (Ifun-BD). Epruvete su printane s visinom sloja od 0,05 mm i u horizontalnoj orijentaciji. Visina sloja označava debljinu pojedinačnog sloja materijala u printanom predmetu.
F-Grey i F-BioMed printani su na printeru Formlabs Form 3B, a A-Grey i Ifun-BD na Anycubic Mono X 4K. Sve epruvete oprane su u 99% izopropilnom alkoholu. Za F-Grey i A-Grey ispitani su uzorci bez naknadnog očvršćavanja i nakon njega; F-BioMed i Ifun-BD ispitani su nakon obrade. U svakoj grupi testirane su tri epruvete.
Geometrija epruveta bila je u skladu sa standardom ISO 527-2, a zatezno ispitivanje izvedeno je prema standardu ISO 527 na mašini Shimadzu AGS-X. Brzina ispitivanja, odnosno razdvajanja čeljusti, bila je 5 mm/min. Zatezna čvrstoća opisuje naprezanje koje materijal podnosi pri povlačenju, dok modul elastičnosti pokazuje njegovu krutost u elastičnom području. Izduženje pri lomu pokazuje koliko se epruveta deformisala prije pucanja.
Šta su pokazali rezultati?
Najveću zateznu čvrstoću ostvario je F-BioMed, 74,5 MPa. Njegova zatezna čvrstoća pri lomu bila je 66,7 MPa, a modul elastičnosti 2,7 GPa. Ifun-BD je imao najnižu zateznu čvrstoću, 10,7 MPa, najnižu zateznu čvrstoću pri lomu, 10,6 MPa, i najniži modul elastičnosti, 0,4 GPa. Nasuprot tome, njegovo izduženje pri lomu bilo je najveće među ispitanim materijalima: 17,9%.
Neočvršćeni F-Grey imao je zateznu čvrstoću od 48,5 MPa, a očvršćeni 54,1 MPa. Modul elastičnosti porastao je sa 2,1 GPa na 2,3 GPa, dok je izduženje pri lomu smanjeno sa 7,3% na 6,4%. Kod A-Grey zatezna čvrstoća porasla je sa 28,1 MPa na 31,4 MPa, a modul elastičnosti sa 1,3 GPa na 1,5 GPa. Izduženje pri lomu smanjilo se sa 9,0% na 4,1%.
Poređenje s tehničkim podacima proizvođača pokazalo je različita odstupanja. Izmjerene vrijednosti za F-Grey i A-Grey bile su veće od onih navedenih u tehničkim listovima za 27,6% i 20%. Za F-BioMed razlika je bila oko 2%. Kod Ifun-BD izmjereno je 10,7 MPa, naspram 55 MPa u tehničkom listu, što je prema radu 80,5% manje.
Šta ovo znači u praksi?
Za razvoj proizvoda rezultati pokazuju da naknadno očvršćavanje može povećati čvrstoću i krutost sivih smola, ali i smanjiti izduženje pri lomu. Izbor materijala zato zavisi od zahtjeva za dio: visoka čvrstoća i krutost ne znače nužno i veću sposobnost deformisanja prije loma. Ispitivanje je korisno za poređenje konkretnih materijala i postavki, ali ne predstavlja univerzalnu vrijednost za svaku SLA epruvetu ili proizvod.
Rad uključuje i praktičnu procjenu potrošnje smole i vremena printanja. Za jednu epruvetu F-Grey utrošeno je 14,93 ml, a printanje je trajalo 135 minuta; A-Grey je trošio 8,42 ml, a printanje je trajalo 21 minut. Za F-BioMed navedeno je 14,54 ml i 150 minuta, a za Ifun-BD 8,42 ml i 21 minut. Cijena smole po epruveti bila je 2,22 USD za F-Grey, 0,25 USD za A-Grey, 3,62 USD za F-BioMed i 0,42 USD za Ifun-BD. Cijene ne uključuju rad, printer niti druge troškove. Budući da su različite smole printane na različitim printerima, poređenje ne izoluje uticaj samog printera.
Ograničenja i naredni koraci
Rezultati se zasnivaju na tri epruvete po materijalu, jednoj visini sloja, jednoj orijentaciji printanja i jednom režimu zateznog ispitivanja. Osim toga, uzorci standardnih i biokompatibilnih smola razlikovali su se i po printeru, materijalu i obradi. Zbog toga se uočene razlike ne mogu pripisati samo jednoj promjenljivoj.
U radu postoji i razlika u opisu očvršćavanja: sažetak navodi 10 minuta u UV komori, dok tabela postupka za pojedine smole navodi drugačija vremena i, za neke materijale, temperaturu. Tabela navodi 60 °C i 30 minuta za F-Grey, 15 minuta za A-Grey, 70 °C i 30 minuta za F-BioMed te 1 minutu za Ifun-BD. Ovu razliku treba imati na umu pri ponavljanju eksperimenta. U radu se također ističe da proizvođači trebaju navoditi parametre printanja i standarde ispitivanja uz podatke u tehničkim listovima.
Zaključak
U ovom poređenju F-BioMed je imao najveću zateznu čvrstoću i modul elastičnosti, a Ifun-BD najniže vrijednosti tih osobina i najveće izduženje pri lomu. Naknadno očvršćavanje povećalo je zateznu čvrstoću F-Grey i A-Grey za 11,54% i 11,74%, uz smanjenje izduženja. To su rezultati mehaničkih ispitivanja, a ne potvrda biokompatibilnosti: izbor smole za medicinsku namjenu zahtijeva zasebne dokaze i odgovarajuću provjeru.
| Autori rada | Muhamed Bisić, Adi Pandžić |
|---|---|
| Objavljeno u | CNNTech 2022, Lecture Notes in Networks and Systems, vol. 564, pp. 198–212, 2023 |
| Datum objave | 16. novembar 2022. |
| DOI | 10.1007/978-3-031-19499-3_11 |
| Cijeli rad | researchgate.net |
Česta pitanja
Da li naknadno očvršćavanje povećava čvrstoću SLA smole?
U ovom ispitivanju zatezna čvrstoća F-Grey porasla je za 11,54%, a A-Grey za 11,74% nakon naknadnog očvršćavanja. Istovremeno se smanjilo izduženje pri lomu.
Koja je SLA smola imala najveću zateznu čvrstoću?
F-BioMed je imao najveću izmjerenu zateznu čvrstoću, 74,5 MPa, i najveći modul elastičnosti, 2,7 GPa.
Da li UV očvršćavanje običnu SLA smolu čini biokompatibilnom?
Ovaj rad nije ispitivao biokompatibilnost, već zatezna mehanička svojstva. Njegovi rezultati zato ne dokazuju da standardna smola nakon UV obrade postaje sigurna za medicinsku primjenu.
Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru
