Финальная полимеризация позволяет достичь максимальных механических свойств моделей, напечатанных на 3D-принтере. Высокая температура и свет повышают прочность и стабильность моделей по сравнению с их состоянием до обработки. Однако каждый полимер реагирует на пост-обработку по-разному и требует разного времени и температурных условий для достижения оптимальных свойств.
Form Cure и Form Cure L дают возможность регулировать температуру и время пост-обработки в соответствии с материалом. Из данного руководства вы узнаете об основах финальной полимеризации и ее возможностях.
Form Cure и Form Cure L
Все материалы Formlabs изготовлены из передовых светочувствительных полимеров. SLA 3D-принтеры Formlabs, такие как Form 3+, Form 3B+, Form 3L и Form 3BL, используют лазеры с длиной волны 405 нм, чтобы полимеризовать жидкий полимер и создавать высокоточные твердые модели.
После окончания 3D-печати модель находится на платформе в необработанном состоянии. На этом этапе она уже приобрела нужную форму, но еще не достигла оптимальных механических свойств. Финальная полимеризация в условиях освещения и высокой температуры — ключ к достижению максимальных свойств материала при SLA 3D-печати. Для соответствия стандартам безопасности, установленным регулирующими органами, биосовместимые материалы должны быть подвергнуты пост-отверждению.
Достижение оптимальных свойств особенно важно для функциональных или специализированных полимеров. Form Cure и Form Cure L — два решения для быстрой и стабильной финальной полимеризации моделей, напечатанных с помощью полимеров Formlabs. Инженеры Formlabs разработали Form Cure и Form Cure L специально для работы с полимерами Formlabs, используя то же освещение с длиной волны 405 нм, что и в SLA 3D-принтерах Formlabs. Светоотражающая камера нагревает и вращает модели, чтобы обеспечить равномерную и стабильную финальную полимеризацию.
Это руководство поможет вам понять, как финальная полимеризация влияет на ключевые свойства материалов Formlabs. Мы расскажем о рекомендациях по финальной полимеризации при работе с конкретными материалами и стратегиях, позволяющих избежать распространенных проблем.
Введение в финальную полимеризацию
Любой полимер, используемый в SLA 3D-печати, можно рассматривать как макромолекулу с поперечными связями или непрерывную сеть полимерных цепей (мономеров и олигомеров). Внутри этой макромолекулы есть реакционноспособные функциональные группы, которые под воздействием света и тепла образуют связи между цепями полимерной сети.
По мере образования поперечных связей улучшается модуль упругости и предел прочности на разрыв. Цель финальной полимеризации — связать как можно больше групп, не вступивших в реакцию, чтобы модель приобрела максимальные свойства.
Однако чрезмерная полимеризация некоторых материалов может вызывать хрупкость или деформацию. Поэтому время и температура должны подбираться индивидуально для каждой модели, чтобы избежать чрезмерного воздействия.
Процесс финальной полимеризации начинается с нагрева. Повышение температуры увеличивает энергию и подвижность полимерной сетки. Это позволяет реакционноспособным функциональным группам устанавливать связи. В устройствах для финальной полимеризации Formlabs Form Cure и Form Cure L используется нагреватель, который позволяет
камере полимеризации быстро достичь оптимальной температуры и поддерживать ее на протяжении всего процесса.
Как только желаемая температура достигнута, включается освещение. Фотоны света активируют оставшиеся фотоинициаторы, заставляя соседние реакционноспособные функциональные группы образовывать поперечные связи. С каждой новой поперечной связью полимерная сеть становится более прочной, а свойства материала улучшаются.
По мере того, как в полимере образуется больше поперечных связей, сеть уплотняется, что приводит к небольшой усадке модели. Это всегда следует учитывать при печати моделей с помощью полимерного 3D-принтера. PreForm, бесплатное ПО Formlabs для подготовки файлов к печати, автоматически учитывает эту усадку, чтобы размеры напечатанных моделей точно соответствовали проектам САПР.
Устройства для финальной полимеризации
В начале 2017 года компания Formlabs выпустила первое устройство для финальной полимеризации Form Cure, разработанное специально для работы с полимерами Formlabs. Настраиваемые параметры времени и температуры для каждого полимера Formlabs упрощают процесс финальной полимеризации и позволяют пользователям печатать модели, которые удовлетворяют требования к биосовместимым материалам.
Form Cure использует источник света с длиной волны 405 нм — наиболее эффективной для создания моделей с высоким модулем упругости и пределом прочности на разрыв. К примеру, источник света с длиной волны 365 нм при прочих равных условиях позволяет достичь только 67 % показателя модуля упругости по сравнению с 405 нм. Свойства материалов изменяются в зависимости от длины волны, особенно при сокращении времени полимеризации.
В конце 2021 года Formlabs выпустила устройство Form Cure L, которое позволяет оптимизировать процесс печати при использовании крупноформатных SLA 3D-принтеров. Оно предназначено для производства моделей со свойствами материалов, эквивалентными свойствам образцов для испытаний по методу ASTM, которые указаны в технических паспортах Formlabs. Кроме того, Form Cure L обеспечивает соответствие стоматологических и медицинских материалов всем стандартам биосовместимости.
Form Cure L в два раза больше, чем Form Cure, имеет два источника света с длиной волны 405 нм и параметры для каждого полимера. После выпуска новых полимеров пользователям достаточно обновить прошивку Form Cure L, чтобы получить доступ к актуальным параметрам для материалов.
Для печати больших пресс-форм для литья под давлением с помощью Rigid 10K Resin необходима полная финальная полимеризация всей модели. Form Cure L открывает доступ к новым сферам применений, предоставляя комплексное решение для печати крупноформатных моделей.
Несмотря на то, что устройство Form Cure L было выпущено для обработки крупноформатных моделей, его также можно использовать для эффективной финальной полимеризации серии мелких моделей. Одну машину Form Cure L, установленную в стоматологической лаборатории, можно использовать для одновременной полимеризации моделей, напечатанных на пяти принтерах Form 3B+.
Form Cure L — эффективное решение для увеличения объемов производства, которое не требует инвестиций в дорогостоящие производственные технологии.
Биосовместимые материалы и финальная полимеризация
По мере того, как растет спрос на технологии 3D-печати в стоматологии и медицине, компании, занимающиеся 3D-печатью, должны обеспечить контроль всего процесса для создания высокопроизводительных биосовместимых конечных моделей. Стандарты биосовместимости требуют тщательного соблюдения предварительно одобренных процессов, к которым относится и финальная полимеризация.
Технология Formlabs была одобрена Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, что означает наличие определенных этапов печати, промывки и полимеризации для каждого полимера. Чтобы модель была рассмотрена как биосовместимое устройство, эти процессы должны выполняться без отклонений.
Form Cure и Form Cure L — важные части этих процессов. Утвержденные параметры времени финальной полимеризации были разработаны в ходе тщательного тестирования и гарантируют, что каждая напечатанная биосовместимая модель имеет оптимальные механические свойства и безопасна для использования.
Методика
Оптимальные параметры финальной полимеризации обеспечивают достижение необходимых свойств за максимально короткое время. Для стандартных полимеров (White Resin, Grey Resin, Black Resin и Clear Resin) финальная полимеризация чаще всего не требуется или занимает не более 15 минут. Инженерные полимеры Formlabs используются для создания прочных, жестких и термостойких моделей. Их финальная полимеризация занимает до 120 минут.
Formlabs провела собственное исследование, чтобы определить оптимальные условия финальной полимеризации для каждого полимера. Используя метод ASTM, специалисты по материалам проверили механические свойства каждого полимера при различных температурах.
Модуль упругости при растяжении показывает изменение механических свойств модели во время финальной полимеризации в Form Cure или Form Cure L. При этом объект с высоким модулем упругости при растяжении более устойчив к изменению формы под нагрузкой. Модуль упругости демонстрирует образование связей между фотополимерными цепями внутри модели и дает представление о полноте финальной полимеризации.
Поверхность модели до обработки формируется путем лазерного отверждения полимера во время печати, при этом некоторые полимерные соединения остаются несвязанными. Образование связей между оставшимися цепями повышает прочность, жесткость и термостойкость материала. Финальная полимеризация приводит к небольшой усадке модели. Formlabs измеряет точность и механические свойства, используя стандартную финальную полимеризацию, а параметры материала настраиваются с учетом усадки.
Следующие графики помогут понять, как материалы Formlabs реагируют на финальную полимеризацию, рассматриваемую как процентное увеличение модуля упругости при растяжении. Знание особенностей финальной полимеризации экономит время и повышает точность при создании моделей для вашей сферы применения.
Clear Resin
Анализ: финальная полимеризация необязательна
Clear Resin демонстрирует резкое увеличение модуля упругости при растяжении на 72 % в первые 15 минут финальной полимеризации, которое постепенно нарастает в течение следующих 15 минут. Максимальные механические свойства достигаются через 30 минут.
Инструкция по применению
При печати визуальных прототипов и моделей Clear Resin требует только промывки и сушки на воздухе. Финальная полимеризация в течение 15 минут может помочь устранить липкость поверхности, повысить твердость и устойчивость к повреждениям. Если предполагается механическая нагрузка или нагрев модели, например, в крепежном приспособлении или пресс-форме для термоформования, финальная полимеризация в течение 30 минут позволит минимизировать деформацию. Чтобы предотвратить изменение цвета, ограничьте время финальной полимеризации Clear Resin до 30 минут.
White Resin, Grey Resin и Black Resin
Анализ: финальная полимеризация необязательна
Непрозрачные стандартные полимеры Formlabs (White Resin, Grey Resin и Black Resin) имеют схожий состав и характеристики. В течение первых 15–30 минут финальной полимеризации при 60 °C модуль упругости резко повышается и достигает максимального значения через 60 минут.
Инструкция по применению
Непрозрачные стандартные полимеры полимеризуются немного медленнее, чем прозрачные. В большинстве случаев стандартные полимеры требуют только промывки и сушки на воздухе. Финальная полимеризация в течение 30 минут позволяет устранить липкость поверхности, повысить твердость и устойчивость к повреждениям. Если предполагается механическая нагрузка или нагрев модели, например, в крепежном приспособлении или пресс-форме для термоформования, требуется финальная полимеризация в течение 60 минут.
Быстрая финальная полимеризация
Рекомендуется для выставочных моделей и статических прототипов.
Draft Resin
Анализ: финальная полимеризация необязательна
Модуль упругости при растяжении Draft Resin постоянно увеличивается в течении 5 минут полимеризации как с нагревом, так и без него. Увеличение модуля упругости при растяжении составляет 50 % при полимеризации без нагрева и 116 % с нагревом. Основная цель полимеризации Draft Resin — устранить липкость поверхности.
Инструкция по применению
При печати визуальных прототипов и моделей Draft Resin требует только промывки и сушки на воздухе. Финальная полимеризация в течение 30 минут позволяет устранить липкость поверхности, повысить твердость и устойчивость к повреждениям. Если предполагается механическая нагрузка или нагрев модели, например, в крепежном приспособлении или пресс-форме для термоформования, финальная полимеризация в течение 5 минут позволит минимизировать деформацию.
Grey Pro Resin
Анализ: обязательна финальная полимеризация
После 15 минут финальной полимеризации при 80 °C Grey Pro Resin демонстрирует увеличение модуля упругости на 78 %. Через 15 минут реакция завершается, за исключением небольшого повышения модуля между 30 и 45 минутами.
Инструкция по применению
Grey Pro Resin следует полимеризовать в течение 15 минут при температуре 80 °C, чтобы получить твердую поверхность и оптимальные характеристики. Хотя финальной полимеризации в течение 15 минут обычно достаточно, широкие или крупные модели могут потребовать более длительной обработки.
Rigid 4000 Resin
Анализ: обязательна финальная полимеризация
Rigid 4000 Resin демонстрирует резкое повышение модуля упругости в течение первых 15 минут финальной полимеризации, увеличиваясь на 116 %. После 15 минут никаких изменений не наблюдается.
Инструкция по применению
Rigid 4000 Resin — стеклосодержащий композитный материал, разработанный для моделей, требующих высокой жесткости и прочности, а также низкой деформации под нагрузкой. Финальная полимеризация увеличивает прочность и жесткость за счет связывания цепей полимерной матрицы вокруг микрочастиц стекла. На полимеризацию Rigid 4000 Resin существенно влияет температура. Быстрая финальная полимеризация при высокой температуре позволяет значительно повысить модуль упругости. Обработка более 15 минут не влияет на свойства модели и вызывает нежелательное пожелтение поверхности.
В большинстве случаев Rigid 4000 Resin требует полимеризации в течение 15 минут при температуре 80 °C.
Tough 2000 Resin
Анализ: рекомендуется финальная полимеризация
Tough 2000 Resin демонстрирует увеличение модуля упругости при растяжении на 83 % после 60 минут финальной полимеризации. Значительное улучшение свойств спустя 15 минут отсутствует.
Инструкция по применению
Благодаря таким характеристикам, как прочность и податливость, Tough 2000 Resin — идеальный выбор для создания прототипов прочных функциональных моделей. Tough 2000 Resin подходит для эксплуатации под нагрузкой, например, для печати креплений, крепежных приспособлений, кронштейнов и корпусов.
Длительная нагрузка обычно деформирует пластмассовые модели. Финальная полимеризация позволяет повысить прочность и жесткость модели из Tough 2000 Resin для эксплуатации под нагрузкой. Это позволяет предотвратить деформацию и увеличить срок службы. После финальной полимеризации наблюдается значительное улучшение механических свойств: после 60 минут обработки в Form Cure при 70 °C жесткость на изгиб Tough 2000 Resin увеличилась с 0,45 ГПа до 1,9 ГПа, при этом прочность на изгиб увеличилась с 17 МПа до 65 МПа. Эти показатели близки к свойствам ABS-пластика, полученного с помощью литья под давлением.
Совет: такие модификации, как сверление и механическая обработка, легче выполнять на более мягкой модели без обработки. Финальная полимеризация Tough 2000 Resin после модификаций.
Анализ: рекомендуется финальная полимеризация
Durable Resin требует двухэтапной полимеризации. Модуль упругости полимера увеличивается до 68 % в течение 15 минут, после чего следует фаза плато и второе значительное увеличение показателя между 30 и 60 минутами. Максимальный модуль достигается через 60 минут. После 60 минут увеличивается вероятность деформации модели без улучшения свойств.
Инструкция по применению
Durable Resin позволяет печатать модели с гладкой глянцевой поверхностью и высокой устойчивостью к деформации. В процессе финальной полимеризации Durable Resin становится значительно жестче и прочнее, оставаясь при этом устойчивым к разрушению. Высокая жесткость и прочность на изгиб позволяют использовать Durable Resin для печати замковых соединений и загнутых деталей, способных выдерживать циклические нагрузки. Для таких элементов, как соединения и втулки, требуются долговечные поверхности. Отвержденная поверхность помогает снизить трибологический износ и сохранить допуски в течении длительного времени. В большинстве случаев Durable Resin требует полной финальной полимеризации в течение 60 минут.
Быстрая финальная полимеризация
Если технические требования включают только гибкость и ударную вязкость, быстрая полимеризация в течение 15 минут позволит достичь механических свойств, близких к мягкому ударопрочному полипропилену. Промывка в изопропиловом спирте помогает получить долговечную поверхность и уменьшить липкость при быстрой финальной полимеризации.
Предупреждение: долговечные модели, которые не были полностью полимеризованы, имеют более низкую термостойкость и с большей вероятностью деформируются с течением времени.
High Temp Resin
Анализ: обязательна финальная полимеризация
Для High Temp Resin существует несколько вариантов финальной полимеризации. Чтобы узнать, как различные методы влияют на механические свойства, ознакомьтесь с техническими характеристиками. Выбирайте метод финальной полимеризации, который лучше всего подходит для ваших целей. Для достижения максимальной температуры теплового изгиба 238 °C при 0,45 МПа: (1) Последующее отверждение деталей в
Form Cure в течение 120 мин при 80 °C. (2) Последующее термическое отверждение деталей в непищевой печи в течение 3 часов при 160 °C. Если последующие работы не требуют максимальной термостойкости, модели необходимо подвергнуть последующему отверждению в Form Cure в течение 60 минут при 60 °C.
Инструкция по применению
High Temp Resin предназначен для применения в условиях высокой температуры и низкой степени воздействия, например для печати воздуховодов нагревателей, высокотемпературной микрогидродинамики и термоформования. High Temp Resin требует финальной полимеризации; температура теплового изгиба High Temp Resin начинается с 49,3 °C и при полной полимеризации достигает 238 °C. В то время как многие полимеры разрушаются при внезапном контакте с горячими материалами, такими как газ или расплавленный пластик, отвержденный High Temp Resin может выдерживать температуры, близкие к температуре теплового изгиба.
Совет: High Temp Resin меняет цвет со светло-желтого на оранжевый в зависимости от степени полимеризации.
Поиск и устранение неисправностей, возникающих во время финальной полимеризации
Наиболее распространенные проблемы, возникающие при финальной полимеризации — недостаточная полимеризация и деформация. Если модели кажутся хрупкими или мягкими, возможно они недостаточно отверждены.
Недостаточная полимеризация чаще всего наблюдается при обработке широких или крупных моделей, так как детали большого размера требуют более длительного нагрева. Одного освещения недостаточно для полной полимеризации, поэтому Form Cure и Form Cure L используют нагрев. Если модель превышает размеры образцов для испытаний Formlabs, полная полимеризация может потребовать более длительного времени или более высокой температуры.
Деформация в результате финальной полимеризации возможна, если модель слишком тонкая и не освещена со всех сторон. Form Cure и Form Cure L позволяют избежать деформации благодаря вращению модели во время цикла полимеризации. В результате модель подвергается воздействию света со всех сторон, в том числе и снизу вращающегося стола.
После финальной полимеризации модели становятся более хрупкими. Хотя графики в основном демонстрируют изменение модуля упругости, по мере увеличения модуля удлинение, как правило, уменьшается. Из-за этого модели, подвергшиеся чрезмерной полимеризации, могут быть слишком хрупкими.
Заключение
Formlabs упрощает процесс SLA 3D-печати с помощью решений для финальной полимеризации больших и малых объемов. Form Cure и Form Cure L прошли тщательные внутренние и внешние испытания и позволяют масштабировать производство SLA проще, чем когда-либо.
Настраиваемые параметры для каждого материала Formlabs помогут вашим моделям достичь оптимальных свойств, гладкой поверхности и позволят сократить трудозатраты на пост-обработку.
