ทำไมความแม่นยำของขนาดในการพิมพ์ 3 มิติถึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง?
ในการหล่อเครื่องประดับ การหดตัวของเรซินที่พิมพ์ 3 มิติในระหว่างการหล่อแบบขี้ผึ้งหาย (lost-wax casting) อาจทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของขนาดในชิ้นส่วนโลหะเฉลี่ย ±0.5 มม. ซึ่งจะเพิ่มค่าใช้จ่ายในการปรับแต่งและแก้ไขหลังการประมวลผลอย่างมีนัยสำคัญ อาจเพิ่มค่าใช้จ่ายพิเศษได้ถึง 30% ในการบูรณะฟัน ปัญหานี้ยิ่งรุนแรงมากขึ้น การหดตัวของเรซินคอมโพสิตที่มีช่วงตั้งแต่ 1.7% ถึง 3.7% อาจทำให้เกิดช่องว่างที่ขอบงานบูรณะ, ฟันผุรอง, และเพิ่มความเสี่ยงของความล้มเหลวในการบูรณะเป็นสองเท่า ดังนั้น การวัดและควบคุมการหดตัวของเรซินที่พิมพ์ 3 มิติหลังจากการบ่มอย่างเป็นระบบจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์สุดท้ายมีความเสถียรของขนาดและใช้งานได้จริง
ลักษณะของการหดตัวจากการบ่มของเรซิน
การหดตัวของเรซินที่พิมพ์ 3 มิติในระหว่างกระบวนการบ่มเป็นลักษณะเฉพาะที่เกิดจากปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ โดยสรุป โมเลกุลโมโนเมอร์ในเรซินเหลว ภายใต้อิทธิพลของพลังงานเช่นแสงหรือความร้อน จะเชื่อมโยงกันเพื่อสร้างสายโซ่พอลิเมอร์ที่ยาวขึ้น ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการเกิดพอลิเมอร์
- การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลเนื่องจากการเกิดพอลิเมอร์: ในระหว่างการเกิดพอลิเมอร์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอ เช่น แรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างโมเลกุลโมโนเมอร์ จะถูกแทนที่ด้วยพันธะโควาเลนต์ ความยาวของพันธะโควาเลนต์มักจะสั้นกว่าระยะห่างระหว่างโมเลกุล ดังนั้น เมื่อโมเลกุลโมโนเมอร์จำนวนมากก่อตัวเป็นเครือข่ายพอลิเมอร์ ปริมาตรโดยรวมจะลดลง
- ความเค้นจากความร้อนและการปลดปล่อยความเค้นภายใน: กระบวนการบ่มเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งนำไปสู่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เมื่อเย็นตัวลง วัสดุจะเปลี่ยนรูปอีกครั้งเนื่องจากการขยายตัวและการหดตัวจากความร้อน ในขณะเดียวกัน ความเค้นภายในที่เกิดจากสายโซ่พอลิเมอร์ในระหว่างการเกิดพอลิเมอร์จะค่อยๆ ถูกปลดปล่อยออกมาหลังจากการบ่ม ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงขนาดเพิ่มเติม
ประเภทและการแสดงออกของการหดตัว
การหดตัวของการพิมพ์ 3 มิติส่วนใหญ่แสดงออกในประเภทต่อไปนี้:
- การหดตัวเชิงปริมาตร: หมายถึงการลดลงโดยรวมของปริมาตรวัสดุ นี่คือรูปแบบการหดตัวที่ตรงที่สุดและเป็นพื้นฐานสำหรับรูปแบบการหดตัวอื่นๆ
- การหดตัวเชิงเส้น: หมายถึงการลดลงของขนาดเชิงเส้นในทิศทางเฉพาะ นี่คือการหดตัวที่สังเกตได้ชัดเจนที่สุดในการวัดประจำวันของเรา ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนที่มีความยาวเดิม 10 มม. อาจเหลือเพียง 9.9 มม. หลังจากบ่ม
- การบิดงอ/การบิดเบี้ยว: เนื่องจากการหดตัวที่ไม่สม่ำเสมอหรือการปลดปล่อยความเค้นภายใน ชิ้นส่วนอาจแสดงการโค้งงอ การบิดงอ หรือการบิดเบี้ยว ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนรูปที่ไม่สม่ำเสมอ การเปลี่ยนรูปประเภทนี้พบได้บ่อยเป็นพิเศษในชิ้นส่วนที่มีผนังบางหรือรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน
| ประเภท | สูตรนิยาม | ตัวอย่างสถานการณ์ | ระดับผลกระทบโดยทั่วไป |
| การหดตัวเชิงปริมาตร | ΔV/V0=(ρ1−ρ0)/ρ1 | ช่องว่างภายในในวัสดุอุดฟัน | สูงสุด 6% |
| การหดตัวเชิงเส้น | ϵ=ΔL/L0 | การเบี่ยงเบนความยาว/ความกว้างในการหล่อเครื่องประดับ | 0.5%-2.5% |
| การบิดงอ/การบิดเบี้ยว | σ=E⋅ϵ | การบิดงอของขอบงานบูรณะ | การเปลี่ยนรูปที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า |
วิธีการวัดการหดตัว?
การวัดการหดตัวที่แม่นยำเป็นขั้นตอนแรกสู่การควบคุมที่มีประสิทธิภาพ นี่คือวิธีการวัดที่ใช้กันทั่วไปหลายวิธี:
วิธีที่ 1: การพิมพ์บล็อกสอบเทียบ (การวัดการเปลี่ยนแปลงความยาว ความกว้าง ความสูง)
นี่เป็นวิธีที่ง่ายและใช้งานง่าย
- การออกแบบและพิมพ์บล็อกสอบเทียบมาตรฐาน: ออกแบบลูกบาศก์หรือทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีขนาดที่ทราบอย่างแม่นยำ (เช่น 10×10×10 มม.)
- การบ่มและการวัด: พิมพ์และบ่มให้เสร็จตามพารามิเตอร์การบ่มที่ตั้งไว้ล่วงหน้า (รวมถึงการบ่มหลังพิมพ์)
- การวัดที่แม่นยำ: ใช้เวอร์เนียร์คาลิเปอร์หรือไมโครมิเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงเพื่อวัดความยาว ความกว้าง และความสูงของบล็อกสอบเทียบ
- การคำนวณการหดตัว: การหดตัวเชิงเส้น (%) = ((ขนาดเดิม – ขนาดที่วัดได้) / ขนาดเดิม) × 100% ตัวอย่างเช่น หากความยาวเดิมคือ 10 มม. และความยาวที่วัดได้คือ 9.95 มม. การหดตัวเชิงเส้นคือ ((10−9.95)/10)×100%=0.5%
วิธีที่ 2: การใช้เวอร์เนียร์คาลิเปอร์ที่มีความแม่นยำหรือการสแกน 3 มิติ
- เวอร์เนียร์คาลิเปอร์ที่มีความแม่นยำ: เหมาะสำหรับการวัดชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตปกติ ข้อดีคือใช้งานง่ายและต้นทุนต่ำ ข้อเสียคือความแม่นยำที่จำกัดสำหรับพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อน
- การสแกน 3 มิติ: สำหรับการรับข้อมูลการหดตัวของพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อน (เช่น พื้นผิวการสบฟันของครอบฟัน) เครื่องสแกน 3 มิติมีข้อได้เปรียบอย่างมาก ผ่านการเปรียบเทียบจุดคลาวด์ ความแม่นยำสามารถเข้าถึง ±5 ไมโครเมตรได้อย่างน่าประทับใจ ทำให้สามารถจับการเปลี่ยนรูปเล็กๆ ได้อย่างแม่นยำมาก และให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการหดตัวของเรซินบนพื้นผิว
วิธีที่ 3: การพิมพ์ชิ้นทดสอบมาตรฐาน (เช่น ชิ้นส่วนขนาด ASTM D695)
องค์กรมาตรฐานสากล (เช่น ASTM, ISO) ได้พัฒนามาตรฐานมากมายสำหรับการทดสอบประสิทธิภาพของวัสดุ ASTM D695 เป็นหนึ่งในมาตรฐานดังกล่าวที่ใช้สำหรับวัดคุณสมบัติการบีบอัดของพลาสติก ชิ้นงานรูปทรง “กระดูกสุนัข” หรือบล็อกทดสอบสี่เหลี่ยม/วงกลมที่กำหนดไว้ก็มักใช้เพื่อประเมินความเสถียรของขนาดของวัสดุ
ขั้นตอนการดำเนินงาน:
- ออกแบบและพิมพ์ชิ้นทดสอบมาตรฐานตามข้อกำหนดของ ASTM หรือมาตรฐานที่เกี่ยวข้องอื่นๆ
- บ่มตามสภาพแวดล้อมและวิธีการที่กำหนดโดยมาตรฐาน
- ใช้เครื่องมือวัดที่แม่นยำ (เช่น เซ็นเซอร์การเคลื่อนที่บนเครื่องทดสอบสากลหรือแท่นวัดที่มีความแม่นยำสูง) เพื่อวัดขนาดหลัก
- คำนวณการหดตัวหรือตัวชี้วัดการเบี่ยงเบนของขนาดอื่นๆ ตามมาตรฐาน
การวิเคราะห์สาเหตุทั่วไปของการหดตัว
การทำความเข้าใจสาเหตุของการหดตัวช่วยให้เราสามารถกำหนดกลยุทธ์การควบคุมการหดตัวของการพิมพ์ 3 มิติที่มีประสิทธิภาพได้
- ปัญหาสูตรเรซิน:
- ปริมาณโมโนเมอร์สูง: ระดับการเกิดพอลิเมอร์ที่สูงขึ้นนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลที่มากขึ้น และการหดตัวมักจะเด่นชัดขึ้น เรซินที่มีโมเลกุลโมโนเมอร์ขนาดเล็กจำนวนมากมักจะมีอัตราการหดตัวสูงกว่า
- ระบบการบ่มที่ไม่เข้ากัน: ชนิดและปริมาณของสารบ่มและโฟโตอินิชิเอเตอร์สามารถส่งผลต่อประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอของปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ ซึ่งส่งผลต่อการหดตัว
- การบ่มที่ไม่สม่ำเสมอ:
- ความเข้มของแสงที่ไม่สม่ำเสมอ: ในระหว่างการพิมพ์ หากความเข้มของแสงกระจายไม่สม่ำเสมอในพื้นที่ที่แตกต่างกัน อาจนำไปสู่การบ่มไม่เพียงพอหรือบ่มมากเกินไปในพื้นที่เฉพาะ ซึ่งส่งผลให้เกิดความเค้นภายในและทำให้การหดตัวรุนแรงขึ้น
- การตั้งค่าพารามิเตอร์การพิมพ์ที่ไม่เหมาะสม: ความหนาของชั้น, เวลาเปิดรับแสง, และความเร็วในการยก ล้วนส่งผลต่อระดับและความสม่ำเสมอของการบ่มสำหรับแต่ละชั้น
- การบ่มหลังพิมพ์ที่มากเกินไปหรือน้อยเกินไป:
- การบ่มหลังพิมพ์ไม่เพียงพอ: หากเวลาหรือความเข้มของการบ่มหลังพิมพ์ไม่เพียงพอ โมโนเมอร์ที่ยังไม่เกิดพอลิเมอร์จำนวนมากจะยังคงอยู่ในเรซิน เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งเหล่านี้จะยังคงเกิดพอลิเมอร์ต่อไป ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงขนาดในภายหลัง (การหดตัวรอง)
- การบ่มหลังพิมพ์มากเกินไป: การบ่มมากเกินไปอาจนำไปสู่ความเค้นภายในที่มากเกินไปในวัสดุหรือแม้กระทั่งการเสื่อมสภาพของวัสดุ ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำของขนาดในการพิมพ์ 3 มิติหรือคุณสมบัติทางกล
กลยุทธ์การควบคุมการหดตัวที่มีประสิทธิภาพ
เพื่อแก้ไขสาเหตุที่กล่าวมาข้างต้น เราสามารถนำกลยุทธ์ต่อไปนี้มาใช้เพื่อควบคุมการหดตัวของเรซินที่พิมพ์ 3 มิติได้อย่างมีประสิทธิภาพ:
ใช้สูตรเรซินที่มีการหดตัวต่ำ
การเลือกเรซินที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ ตลาดมีเรซินที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานที่มีการหดตัวต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้:
- โมเลกุลโมโนเมอร์หรือพรีโพลิเมอร์ขนาดใหญ่: เพื่อลดการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลในระหว่างการเกิดพอลิเมอร์
- สารเติมแต่ง: การเพิ่มสารเติมแต่งอนินทรีย์ (เช่น ซิลิกา, เซอร์โคเนีย) สามารถลดการหดตัวจากการบ่มของเรซินได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุ
- โมโนเมอร์การเกิดพอลิเมอร์แบบเปิดวง: โมโนเมอร์บางชนิดเกิดปฏิกิริยาการเปิดวงในระหว่างการเกิดพอลิเมอร์ ส่งผลให้การเปลี่ยนแปลงปริมาตรค่อนข้างน้อย
- ปรึกษาซัพพลายเออร์: เมื่อเลือกเรซิน อย่าลืมสอบถามซัพพลายเออร์เกี่ยวกับข้อมูลการหดตัวอย่างเป็นทางการของผลิตภัณฑ์และคำแนะนำการใช้งาน เพื่อให้แน่ใจว่าได้ความแม่นยำของขนาดในการพิมพ์ 3 มิติ
ควบคุมพารามิเตอร์การเปิดรับแสงและการบ่มหลังพิมพ์อย่างแม่นยำ
นี่คือหนึ่งในวิธีที่ตรงและมีประสิทธิภาพที่สุดในการควบคุมการหดตัวของการพิมพ์ 3 มิติ
- การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การเปิดรับแสง:
- เวลาเปิดรับแสง: ปรับเวลาเปิดรับแสงสำหรับแต่ละชั้นอย่างแม่นยำตามลักษณะของเรซินและความหนาของชั้นที่พิมพ์ เพื่อให้แน่ใจว่าเรซินมีการบ่มที่เพียงพอ แต่หลีกเลี่ยงการเปิดรับแสงมากเกินไป
- ความสม่ำเสมอของความเข้มแสง: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งกำเนิดแสงของเครื่องพิมพ์มีความสม่ำเสมอ หลีกเลี่ยงการบ่มไม่เพียงพอหรือบ่มมากเกินไปในพื้นที่เฉพาะ ปรับเทียบเครื่องพิมพ์อย่างสม่ำเสมอและตรวจสอบความสม่ำเสมอของหน้าจอ DLP หรือ LCD
- การออกแบบโครงสร้างรองรับ: โครงสร้างรองรับที่เหมาะสมช่วยลดการเปลี่ยนรูปของชิ้นส่วนในระหว่างการพิมพ์ และทำให้แสงส่องถึงทุกส่วนอย่างสม่ำเสมอ
- การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การบ่มหลังพิมพ์:
- เวลาและอุณหภูมิ: ปฏิบัติตามเวลา, อุณหภูมิ, และความเข้มของแสงที่ซัพพลายเออร์เรซินแนะนำสำหรับการบ่มหลังพิมพ์อย่างเคร่งครัด
- การควบคุมสภาพแวดล้อม: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุณหภูมิภายในอุปกรณ์บ่มหลังพิมพ์มีความสม่ำเสมอ หลีกเลี่ยงการร้อนเกินไปในพื้นที่เฉพาะ
- การบ่มแบบเป็นขั้นตอน: สำหรับเรซินพิเศษบางชนิดหรือชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ให้พิจารณาการบ่มหลังพิมพ์แบบเป็นขั้นตอนเพื่อค่อยๆ ปล่อยความเค้นภายใน
การปิดผนึกอย่างรวดเร็วหรือการหล่อให้เสร็จสิ้นภายใน 48 ชั่วโมง (สำหรับการใช้งานการหล่อ)
สำหรับการใช้งานเช่นการหล่อเครื่องประดับที่ต้องมีการประมวลผลในภายหลัง การจัดการเวลาก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง
- ป้องกันการเกิดพอลิเมอร์รอง: หลังจากการพิมพ์ โมโนเมอร์ที่ยังไม่บ่มเต็มที่สามารถยังคงเกิดพอลิเมอร์ต่อไปอย่างช้าๆ ในอากาศหรือแสง ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงขนาดเพิ่มเติม
- การประมวลผลที่รวดเร็ว: หากใช้สำหรับการหล่อ ขอแนะนำให้ทำความสะอาดและบ่มหลังพิมพ์ชิ้นส่วนที่พิมพ์ให้เร็วที่สุดเท่าที่จะทำได้หลังจากการพิมพ์ และทำการหล่อให้เสร็จสิ้นภายในหนึ่งถึงสองวัน
- การจัดเก็บที่เหมาะสม: หากไม่สามารถทำการหล่อได้ทันที ควรเก็บชิ้นส่วนที่พิมพ์ไว้ในสภาพแวดล้อมที่มืด เย็น และแห้ง เพื่อชะลอการหดตัวและการเปลี่ยนรูปเพิ่มเติม เรซินบางชนิดอาจต้องมีการบรรจุแบบสุญญากาศหรือแช่ในของเหลวบางชนิดเพื่อการเก็บรักษา
บทสรุป: คำแนะนำหลักสำหรับการสร้างเวิร์กโฟลว์การพิมพ์ 3 มิติที่มีความเสถียรสูง
การควบคุมการหดตัวของเรซินที่พิมพ์ 3 มิติเป็นความพยายามทางวิศวกรรมที่เป็นระบบที่ต้องใช้การเพิ่มประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของ “คน เครื่องจักร วัสดุ วิธีการ และสภาพแวดล้อม”
- ทำความเข้าใจลักษณะของวัสดุ: ทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับลักษณะการบ่มและพฤติกรรมการหดตัวของเรซินที่คุณกำลังใช้
- เพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การพิมพ์: ผ่านการทดลองซ้ำๆ และการวิเคราะห์ข้อมูล ค้นหาพารามิเตอร์การเปิดรับแสงและการบ่มหลังพิมพ์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับชุดค่าผสมเครื่องพิมพ์และเรซินของคุณ เพื่อให้ได้ความแม่นยำของขนาดในการพิมพ์ 3 มิติที่ต้องการ
- การวัดและการติดตามที่แม่นยำ: วัดความแม่นยำของขนาดของชิ้นส่วนที่พิมพ์ของคุณอย่างสม่ำเสมอและบันทึกข้อมูลเพื่อระบุปัญหาและปรับกลยุทธ์ได้ทันท่วงที
- การควบคุมสภาพแวดล้อม: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุณหภูมิและความชื้นในสภาพแวดล้อมการพิมพ์และการบ่มหลังพิมพ์มีความเสถียร
- การเรียนรู้และปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง: เมื่อมีวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ๆ เกิดขึ้น ให้เรียนรู้และอัปเดตความรู้และทักษะของคุณอย่างต่อเนื่อง
ด้วยการประยุกต์ใช้กลยุทธ์เหล่านี้อย่างครอบคลุม คุณจะสามารถเพิ่มความเสถียรของขนาดของชิ้นส่วนเรซินที่พิมพ์ได้อย่างมาก วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการใช้งานการผลิตที่แม่นยำของคุณ
