Conceptualization of parameter optimization of new materials in vat photopolymerization for dental applications

Abstract

The goal of this master thesis was to determine a standardized, documented, repeatable, and traceable procedure for parameter optimization process used with new materials of dental applications by Planmeca corporation. Determined process enables more efficient testing of new dental 3D printing resins. This thesis consists of two parts. First literature review was carried out and then experimental part was executed based on the knowledge collected in the literature review. In literature review it was concentrated on finding knowledge of different design of experiment processes used among 3D printing and the most critical parameters in vat photopolymerization. The parameter optimization process was created and tested in experimental part.

The literature review showed that Taguchi method is widely utilized design of experiments process when 3D printing parameters are optimized. The number of experiments can be remarkably reduced by using Taguchi multivariable design of experiments. According the literature review, identification of the critical parameters and determination of the response carefully, are the key issues to have a succeeded design of experiments. The most important parameters for resin 3D printing are layer thickness, exposure time, resin composition, UV light characteristics, voxel size, and build angle with support structure settings.

The optimization process of three steps was created in experimental part. The process was tested and re-executed in practice. Test series of experiments were printed in each step and all the experiments were visually examined. Flow chart was created for the optimization process. Furthermore, fishbone diagram was created, and parameters were divided into three groups to clarify which parameters are affecting to printing quality in Creo C5 3D printer. This thesis showed that the amount of experiments can be reduced from 81 experiments down to only 9 experiments per test series. The created optimization process resulted 13.7% faster printing times while maintaining printing quality at desired level.

Diplomityön tavoitteena oli määrittää vakioitu, dokumentoitu, toistettava sekä jäljitettävä prosessi, uusien hammaslääketieteellisten materiaalien parametrikehitykselle Planmeca Oy:lle. Määritetty prosessi mahdollistaa uusien hammaslääketieteessä käytettävien hartsien tehokkaamman testaamisen. Diplomityö koostui kahdesta osasta, kirjallisuuskatsauksesta sekä kokeellisesta osasta. Kirjallisuuskatsauksessa etsittiin tietoa erilaisista koesuunnittelumenetelmistä, joita on käytetty 3D-tulostamisessa sekä tietoa allasvalokovetuksen merkittävimmistä parametreistä. Kokeellisessa osassa luotiin prosessi parametrikehitykselle sekä testattiin kyseinen prosessi käytännössä.

Kirjallisuuskatsaus osoitti Taguchin metodin olevan laajasti hyödynnetty koesuunnittelumenetelmä optimoitaessa parametrejä 3D-tulostusprosessissa. Käyttämällä Taguchin monimuuttujakoesuunnittelua, kokeiden määrää voidaan vähentää huomattavasti. Kriittisten parametrien tunnistaminen sekä vasteen tarkka määrittäminen ovat tärkeimmät osa-alueet onnistuneen koesuunnittelun saavuttamiseksi. Merkittävimmät parametrit hartsien 3D-tulostamisessa todettiin olevan kerrospaksuus, valotusaika, hartsin koostumus, UV-valon ominaisuudet, tilavuusalkion koko sekä kappaleen asemointi yhdessä tukirakenteiden kanssa.

Kokeellisessa osassa luotiin sekä testattiin kolmivaiheinen, toistettavissa oleva optimointiprosessi. Jokaisessa vaiheessa tulostettiin koesarja, joka arvioitiin visuaalisesti. Optimointiprosessille luotiin työnkulkukaavio. Lisäksi parametrit jaettiin kolmeen ryhmään selkeyttämään parametrien hallintaa sekä kalanruotokaavio luotiin havainnollistamaan tulostuslaatuun vaikuttavia parametrejä Creo C5 3D-tulostimella. Diplomityö osoitti, että hyödyntämällä monimuuttujakoesuunnittelua, kokeiden määrä voidaan vähentää 81:stä yhdeksään kokeeseen testisarjaa kohti. Optimointiprosessilla kyettiin nopeuttamaan tulostusprosessia 13.7%, säilyttäen tulostuslaatu halutulla tasolla.