Optimization of support structure parameters in vat photopolymerization by controlled area light source process for dental applications
Kohtanen, Kalle (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021112256360
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021112256360
Tiivistelmä
Aim of this thesis was to find optimal support structure parameters for a vat photopolymerization (VP) by controlled area light source process of dental guide material, tailored for Creo C5 3D printer. The results can be used to create a new support structure profile for the use of Planmeca Group and its customers. The factors which affect the requirements of the support structures were identified in the literature review. Based on the results of the literature review, the Taguchi parameter design process was obeyed for finding the optimal support structure parameters. The found support structure parameters were validated for dental use via two-stage validation tests.
Literature review showed that separation force and part geometry-related factors such as islands, bridges, overhangs and self-supporting geometries have a significant effect on the support structure requirements in bottom-up VP processes. The geometry-related factors determine the locations where support structures are needed. Separation forces cause tensile forces between the part and the membrane which support structures must withstand to be successfully 3D printed. The magnitude of the separation forces is determined by the size and shape of the cross-sectional area of the part, the viscosity of the resin, membrane type and stiffness and lifting speed of the build platform. Separation forces can be resisted by adjusting the contact point diameter and the distance between support structures.
The optimization and validation of the support structure parameters were successfully executed based on the results. The results showed that the combination of three aspects: manufacturing tolerance, removability of the support structures and part quality increased by 28.7 % during the support structure parameter optimization process. The new parameters will be further investigated and later published for the customers of Planmeca Group. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää optimaaliset tukirakenneparametrit hammaslääketieteellisen leikkausohjurimateriaalin hallitun alueen valon lähteen allasvalokovetukseen, ja erityisesti Creo C5 3D-tulostimelle. Työn tuloksia voidaan hyödyntää uuden tukirakenneprofiilin luomiseksi Planmeca Groupin ja sen asiakkaiden käyttöön. Kirjallisuuskatsauksessa tunnistettiin tukirakenteiden vaatimuksiin vaikuttavat tekijät. Kirjallisuuskatsauksen löydösten pohjalta Taguchi -parametrisuunnitteluprosessia hyödynnettiin optimaalisten tukirakenneparametrien selvittämiseksi. Parametrit validoitiin hammaslääketieteelliseen käyttöön sopivaksi kaksivaiheisen validointitestauksen avulla.
Kirjallisuuskatsaus osoitti irrotusvoiman sekä osan geometriariippuvaisten tekijöiden, kuten saarekkeiden, siltojen, ulkonemien ja itsensä tukevien geometrioiden vaikuttavan merkittävästi tukirakenteiden vaatimuksiin. Geometriariippuvaiset tekijät määrittävät tarvittavien tukirakenteiden sijainnit. Irrotusvoima aiheuttaa vetojännitystä osan ja vadin kalvon välille, jonka tukirakenteiden on kestettävä, jotta 3D-tulostus onnistuu. Irrotusvoimien suuruus määräytyy osan poikkileikkauksen pinta-alan suuruudesta ja muodosta, resiinin viskositeetistä, membraanin tyypistä ja jäykkyydestä sekä rakennusalustan nostonopeudesta. Irrotusvoimia pystytään vastustamaan paremmin säätämällä tukirakenteiden kontaktipisteen halkaisijaa sekä tukirakenteiden välistä etäisyyttä.
Tukirakenneparametrien optimointi ja validointi suoritettiin onnistuneesti tulosten perusteella. Tulokset osoittivat, että valmistustoleranssin, tukirakenteiden irrotettavuuden sekä osan laadun kokonaisuus parani yhteensä 28.7 %:ia tukirakenneparametrien optimointiprosessin aikana. Uusia tukirakenneparametrejä tullaan jatkotutkinmaan ja myöhemmin ne julkaistaan Planmeca Groupin asiakkaiden käyttöön.
Literature review showed that separation force and part geometry-related factors such as islands, bridges, overhangs and self-supporting geometries have a significant effect on the support structure requirements in bottom-up VP processes. The geometry-related factors determine the locations where support structures are needed. Separation forces cause tensile forces between the part and the membrane which support structures must withstand to be successfully 3D printed. The magnitude of the separation forces is determined by the size and shape of the cross-sectional area of the part, the viscosity of the resin, membrane type and stiffness and lifting speed of the build platform. Separation forces can be resisted by adjusting the contact point diameter and the distance between support structures.
The optimization and validation of the support structure parameters were successfully executed based on the results. The results showed that the combination of three aspects: manufacturing tolerance, removability of the support structures and part quality increased by 28.7 % during the support structure parameter optimization process. The new parameters will be further investigated and later published for the customers of Planmeca Group.
Kirjallisuuskatsaus osoitti irrotusvoiman sekä osan geometriariippuvaisten tekijöiden, kuten saarekkeiden, siltojen, ulkonemien ja itsensä tukevien geometrioiden vaikuttavan merkittävästi tukirakenteiden vaatimuksiin. Geometriariippuvaiset tekijät määrittävät tarvittavien tukirakenteiden sijainnit. Irrotusvoima aiheuttaa vetojännitystä osan ja vadin kalvon välille, jonka tukirakenteiden on kestettävä, jotta 3D-tulostus onnistuu. Irrotusvoimien suuruus määräytyy osan poikkileikkauksen pinta-alan suuruudesta ja muodosta, resiinin viskositeetistä, membraanin tyypistä ja jäykkyydestä sekä rakennusalustan nostonopeudesta. Irrotusvoimia pystytään vastustamaan paremmin säätämällä tukirakenteiden kontaktipisteen halkaisijaa sekä tukirakenteiden välistä etäisyyttä.
Tukirakenneparametrien optimointi ja validointi suoritettiin onnistuneesti tulosten perusteella. Tulokset osoittivat, että valmistustoleranssin, tukirakenteiden irrotettavuuden sekä osan laadun kokonaisuus parani yhteensä 28.7 %:ia tukirakenneparametrien optimointiprosessin aikana. Uusia tukirakenneparametrejä tullaan jatkotutkinmaan ja myöhemmin ne julkaistaan Planmeca Groupin asiakkaiden käyttöön.