Сравнительный анализ стандартных материалов, используемых для 3D-печати

Аннотация

Добромира Шопова, Таня Божкова, Диян Славчев, Мария Христова, Илиан Христов. Сравнительный анализ стандартных материалов, используемых для 3D-печати.

Ключевые слова:3D-печать, стандартные материалы для 3D-печати.

После успешного внедрения технологии CAD/CAM в стоматологию началось внедрение технологии, основанной на противоположном принципе - 3D-печати или пространственном создании объектов. В аддитивной технике объекты изготавливаются из различных химических материалов слой за слоем. В соответствии с их специфическими характеристиками они подразделяются на шесть основных групп. Целью данной статьи является сравнение механических свойств материалов из группы стандартных.

Общая постановка проблемы

После успешной реализации технологии CAD / CAM путем пространственного вырезания объектов в стоматологической медицине начинается внедрение технологии, основанной на противоположном принципе - 3D-печать или пространственное создание объектов.

В аддитивной технике осуществляется послойное строительство объектов из различных по химической природе материалов. По этой методике можно выполнить все лабораторные этапы протезирования – от создания модели до окончательной конструкции [1, 2].По своей специфической характеристике они подразделяются на шесть основных групп [3]:

1. стандартные материалы,
2. эластичные материалы,
3. композитные материалы,
4. металлы и сплавы,
5. материалы для поддержек,
6. специалные материалы.

1. PLA (полимолочная кислота) - наиболее распространенный материал для пространственной печати, который является твердым, но хрупким, с минимальной усадкой, может подвергаться неэлектролитной металлизации с никелевым фосфатом и медью, направленной на изменение мохностных качеств и металлического блеска объекта [4, 5, 13].

2. АБС (акрилонитрил бутадиен-стирол) - жесткий, жесткий хрупкий, ковкий материал, с хорошей абразивной и термостойкостью, что делает его широкоприложимым [6, 7].

3. Нейлон (полиамид) - чрезвычайно прочный, эластичный на объектах малой толщины, с высокой устойчивостью к переломам, что делает его пригодным для моделей, требующих жесткости и износостойкости, устойчив к насекомым, грибам и химическим агентам, восприимчивым к гидролизу, обладает высоким модулем эластичности и легко удлиняется [7, 8, 14].

4. PETG (модифицированный полиэтилентерефталат гликоль) - по своей природе прозрачен, может быть формован путем инъекции или прессования листов, также может подвергаться неэлектролитной металлизации [9].

5. ASA (акрилонитрил Стирол акрил) - создан в качестве альтернативы ABS и обладает улучшенной устойчивостью к внешним воздействиям, УФ-лучам, нагреванию и т.д. [7].

Табл. 1 Сравнительная характеристика материалов для 3D - принтера

Свойства	Материалы ABS	PLA	PVA
Хим. природа	Акрилонитрил бутадиен стирол	Полимолочная кислота	Поливиниловый спирт
Изготовлен из	Нефть	Растительный крахмал	Нефть
Особености	Твердый, негибкий, термостойкий	Жесткий, сильный	Водорастворимый, легко формуемый, высокая степень соединения, хорошие защитные свойства
Температура плавления	210-250 С	160-220 С	190-210 С
Цена	14-60 $/кг	19-75 $/кг	80-120 $/кг
Преимущества	Отличные пластические свойства, гладкая поверхность, очень хорошие механические свойства прочности	Биопластик-хорошие экологические качества, приятный запах при нагревании, нетоксичный, высокая скорость и разрешение печати, не требует предварительного нагрева, уменьшенной усадки, подходит для небольших объектов, жесткий или мягкий / гибкий вариант	Биоразлагаемые, рециркулирующие, нетоксичные
Недостатки	Нефтепродукт, не биоразлагаемый, требует предварительного нагрева, паров, ухудшения от солнечного света	Медленное охлаждение, низкая термостойкость, более легкое разрушение, чем АБС, требует более толстых стенок, чем АБС	Дорогой материал, портится от влаги, требует особых условий хранения модели

Различные полимеры, из которых изготовлены детали, также обладают различными физическими и механическими свойствами, что определяет их специфику применения [15].

Установлена зависимость от направления размещения отдельных слоев. При вертикальной печати прочность на сжатие выше, чем при горизонтальной печати [16]. При аналогичном исследовании материала PLA было установлено, что при горизонтальном расположении слоев прочность на растяжение составляет 38,7 МПа, при вертикальном — 31,1 МПа, при расположении ниже 45° — 33,6 МПа [17]. При изменении горизонтального направления слоев с материалом АБС были получены следующие значения - 0/90о - 1230 МПа, 45/45о - 900 МПа, 30/60о - 680 МПа [18].

Табл. 2 Сравнение толщины и качества слоя

толщина	качество
0.1 мм	самое высокое разрешение, но требует много времени
0,25 мм	так называемой средний уровень, баланс между качеством и скоростью
0,5 мм	ухудшается, но продолжительность процесса значительно сокращается

При сравнительном исследовании наблюдалась большая разница в количестве необходимого материала - от 35 до 2453 г, а также в количестве потерь из этого материала - от 10 до 2209 г [21]. Материалы доступны в более чем 18 цветовых вариантах — белом, черном, прозрачном, зеленом, синем, коричневом, сером, фиолетовом и т. д. [20, 22]. Для печати моделей (рис. 1), временных конструкций (рис. 2) и т. д. используются стандартные материалы. [23, 24].

Список использованной литературы

1. Дауд А. и др. «3D-печать в стоматологии». Британский стоматологический журнал 219.11 (2015): 521529. 2. Ван Норт, Ричард. «Будущее стоматологических устройств — цифровое». Стоматологические материалы 28.1 (2012): 3-12. 3. 3D-Сolour — Режим доступа: https://www.3d-colour.com/produkt-kategoriya/konsumativi/
4. Геци, Аттила и др. «Низкотемпературная пайка на подложке из биополимерной (PLA) печатной платы». Electronics Technology (ISSE), 2011 34-й Международный весенний семинар им. ИИЭР, 2011. 5. UltiMaker — Режим доступа: https://ultimaker.com/en/resources/22225-how-to-print-with-ultimaker-pla
6. Envisiontec — Режим доступа: https://envisiontec.com/3d-materials/
7. MatterHackers — Режим доступа: https://www.matterhackers.com/3d-printer-filament-compare
8. UltiMaker — Режим доступа: https://ultimaker.com/en/resources/22233-how-to-print-with-ultimaker-nylon
9. Lairdplastics — Режим доступа: https://www.lairdplastics.com/product/materials/petg
10. Leapfrog 3D Printers — Режим доступа: https://www.lpfrg.com/ru/3d-printing-полипропилен/
11. UltiMaker — Режим доступа: https://ultimaker.com/en/resources/22229-how-to-print-with-ultimaker-cpe
12. 3DPrintingForBeginners — Режим доступа: http://3dprintingforbeginners.com/filamentprimer/
13. Бернаскони, Роберто и др. «Химическое покрытие PLA и PETG для гибких подложек, напечатанных на 3D-принтере». Транзакции ECS 66.19 (2015): 23–35. 14. Differencebetween — Режим доступа: http://www.differencebetween.com/difference-between-polyпропилен-and-vs-nylon/
15. Стэнсбери, Джеффри В. и Майк Дж. Айдакавидж. «3D-печать с использованием полимеров: проблемы расширения возможностей и возможностей». Стоматологические материалы 32.1 (2016): 54-64. 16. Альхарби, Наваль, Рехам Осман и Даниэль Висмейер. «Влияние направления сборки на механические свойства 3D-печатных временных реставраций с полным покрытием». Журнал ортопедической стоматологии 115.6 (2016): 760-767. 17. Afrose, Mst Faujiya, et al. «Влияние ориентации сборки детали на усталостное поведение материала PLA, обработанного методом FDM». Прогресс в аддитивном производстве 1.1-2 (2016): 21-28. 18. Ариважаган, Адхияман и С.Х. Масуд. «Динамические механические свойства материала ABS, обработанного методом наплавления». Приложение Int J Eng Res Appl2.3 (2012): 2009–2014. 19. Грот С. и соавт. «Технология трехмерной печати». Дж. Клин Ортод 48.8 (2014): 475-85. 20. 3D Systems: руководство пользователя принтера CubeXTM. 2012. 44-46. 21. Роберсон Д.А., Эспалин Д., Уикер Р.Б. «Выбор 3D-принтера: модель оценки и ранжирования при принятии решений». Виртуальное и физическое прототипирование 8.3 (2013): 201-212. 22. all3dp — Режим доступа:https://all3dp.com/1/best-resin-dlp-sla-3d-printer-kit-stereolithography/
23. Iveersondental-labs - Режим доступа: http://iveersondental-labs.com/3d-printed-dental-models/
24. Envisiontec — Режим доступа:https://envisiontec.com/3d-printing-materials/perfactory-materials/263