¿Se ha preguntado alguna vez cómo la luz puede convertir un líquido en sólido casi al instante? Las resinas fotosensibles, que se utilizan en todo tipo de aplicaciones, desde la impresión 3D hasta los dispositivos médicos, experimentan cambios químicos cuando se exponen a la luz ultravioleta. Este artículo explora sus tipos, composiciones y cómo las innovaciones las están haciendo más seguras y eficientes. Sumérjase para comprender la ciencia que hay detrás de estos fascinantes materiales y descubra sus amplias aplicaciones en todos los sectores.
Las resinas fotosensibles se refieren a resinas que sufren polimerización química o reticulación tras la exposición a una radiación luminosa específica, facilitada por fotoiniciadores, lo que provoca el curado de los monómeros u oligómeros base. Normalmente, entre los diversos tipos de radiación luminosa, la radiación ultravioleta (UV) tiene la energía de activación más cercana a la requerida para las reacciones de polimerización química.
Por lo tanto, las resinas fotosensibles se suelen curar con luz UV y a menudo se denominan resinas sensibles a la luz UV, resinas curables con luz UV, adhesivos UV sin sombra, fotorresistentes, etc. Cada producto de resina fotosensible tiene componentes diferentes y responde a longitudes de onda específicas, normalmente entre 250-400 nm.
Es importante señalar que la luz ultravioleta puede ser peligrosa y dañar tejidos y células, y el ozono que se produce cuando reacciona con el aire también puede afectar al entorno operativo. En consecuencia, los investigadores están explorando resinas fotosensibles que se curan con luz visible o luz azul, lo que ha dado lugar a la publicación de patentes de invención de resinas sensibles a la luz azul.
Las resinas fotosensibles se componen principalmente de un prepolímero fotosensible, un fotoiniciador (o fotosensibilizador) y un diluyente.
El prepolímero fotosensible, también conocido como oligómero, es un prepolímero de bajo peso molecular capaz de fotopolimerizar, con un peso molecular típicamente entre 1000-5000. Sirve como material de base para los materiales de resina fotosensibles y es el factor decisivo en su rendimiento final.
Los principales tipos de prepolímeros fotosensibles son las resinas epoxídicas modificadas con acrilato, los poliésteres insaturados, los poliuretanos y los sistemas de resinas fotopolimerizables con tiol-eno.
Tanto los fotoiniciadores como los fotosensibilizadores promueven el inicio de la polimerización durante el proceso de curado, aunque difieren significativamente. Los fotoiniciadores participan en la reacción creando especies activas como radicales libres o cationes al absorber la energía luminosa, y se consumen en el proceso. Los fotosensibilizadores actúan más como catalizadores, transfiriendo energía sin consumirse.
Los fotoiniciadores pueden clasificarse en tres categorías en función de su mecanismo de iniciación: tipo radical libre, tipo catiónico y tipo híbrido (que incorpora ambos mecanismos). Un fotoiniciador de radicales libres típico es la 2-hidroxi-2-metil-1-fenil-1-propanona (CAS-1173), y entre los fotoiniciadores catiónicos comunes se encuentran las sales de ferrocenio y de yodinio.
El mecanismo de los fotosensibilizadores implica la transferencia de energía, la abstracción de hidrógeno y la formación de complejos de transferencia de carga. Los principales fotosensibilizadores son la benzoína, la cetona de Michler, la tioxantona y los derivados de la benzofenona.
Los diluyentes reactivos se refieren principalmente a compuestos epoxídicos de bajo peso molecular que contienen grupos epoxídicos que pueden participar en la reacción de curado de las resinas epoxídicas, pasando a formar parte de la estructura de red reticulada del epoxi curado.
En función del número de grupos funcionales reactivos por molécula, los diluyentes reactivos pueden clasificarse en monofuncionales, difuncionales y polifuncionales.
Entre los ejemplos se incluyen diluyentes monofuncionales como el estireno (St), la N-vinilpirrolidona (NVP), el acetato de vinilo (VA), el acrilato de butilo (BA), el acrilato de 2-etilhexilo (EHA) y el (me)acrilato de hidroxietilo (HEA, HEMA, HPA); diluyentes difuncionales como el diacrilato de 1,6-hexanodiol (HDDA), el diacrilato de tripropilenglicol (TPGDA) y el diacrilato de neopentilglicol (NPGDA); y el diluyente polifuncional triacrilato de trimetilolpropano (TMPTA), entre otros.
Generalmente, cuanto mayor es el número de grupos funcionales en un diluyente, más rápida es la velocidad de fotopolimerización, mayor es el grado de reticulación, mejor es la dureza y la resistencia al desgaste, pero mayor es la tasa de contracción. Los tipos de grupos funcionales incluyen principalmente acriloxi, metacriloxi, vinilo y alilo, con la reactividad en fotopolimerización decreciente en el orden de: acriloxi > metacriloxi > vinilo > alilo.
La energía de activación producida por la irradiación puede provocar la ruptura de los enlaces C=C de los prepolímeros fotosensibles (monómeros u oligómeros), formando grupos funcionales. Simultáneamente, puede inducir a los radicales de los fotoiniciadores a sufrir reacciones químicas de polimerización o reticulación con los grupos funcionales mencionados.
Como resultado, las pequeñas cadenas moleculares de la matriz de resina se entretejen en cadenas moleculares más grandes o incluso en cadenas moleculares tridimensionales en red, como se ilustra en la figura 4-63. De este modo, la resina pasa del estado líquido al sólido. Debe tenerse en cuenta que el oxígeno generalmente dificulta las reacciones de polimerización o reticulación antes mencionadas en la mayoría de las matrices de resina fotosensible.
El proceso CLIP aprovecha eficazmente esta característica para evitar que la resina se endurezca contra la cuba.
Las resinas fotosensibles pueden clasificarse en diferentes tipos en función de varios métodos de categorización.
En función del disolvente utilizado, las resinas fotosensibles pueden dividirse en categorías a base de disolvente y a base de agua. Las resinas fotosensibles basadas en disolventes son hidrófobas y solo pueden disolverse en disolventes orgánicos, no en agua.
Entre las resinas fotosensibles comunes basadas en disolventes se encuentran los acrilatos de poliéter UV. Las resinas fotosensibles a base de agua son hidrófilas, capaces de descomponerse o dispersarse en agua. Estas resinas contienen un cierto número de grupos hidrófilos y grupos insaturados, que hacen que las resinas fotosensibles a base de agua sean hidrófilas, como los acrilatos de poliuretano a base de agua.
Resina fotopolímera transparente: Esta resina es transparente por naturaleza y puede pulirse hasta conseguir un acabado semitransparente o totalmente transparente. Se utiliza principalmente para la verificación visual y estructural de diversos productos, lo que permite obtener acabados superficiales muy detallados y rentables.
Resina fotopolímera de color sólido: El color natural de la resina es sólido, y su superficie puede pulirse, pintarse o galvanizarse. Se utiliza principalmente para la verificación estructural de productos, lo que permite obtener acabados superficiales extremadamente finos con la máxima rentabilidad.
Resina fotopolímera de alta temperatura: El color natural de la resina es sólido y se utiliza principalmente para productos que requieren un cierto nivel de resistencia a altas temperaturas. Puede soportar temperaturas de hasta 100-110 °C, ligeramente superiores a las de los fotopolímeros estándar.
Resina fotopolímera de alta dureza: Típicamente de color amarillo verdoso, esta resina tiene una tenacidad ligeramente superior a la de los fotopolímeros estándar, permitiendo una ligera flexión.
En el ámbito de las impresoras 3D de sobremesa, las impresoras de modelado por deposición fundida (FDM) dominan actualmente en términos de precio y versatilidad, ganando una gran popularidad tanto a nivel nacional como internacional.
Sin embargo, cuando se requiere una mayor precisión y mejores detalles superficiales, las impresoras 3D de estereolitografía (SLA) y procesamiento digital de luz (DLP) de bajo coste presentan una clara ventaja. La creciente disponibilidad de impresoras 3D SLA y DLP asequibles ha impulsado la evolución de la tecnología de materiales fotopolímeros.
Resina de uso general: Al principio, los fabricantes de resina para impresión 3D vendían sus propios materiales, pero a medida que crecía la demanda del mercado, surgieron numerosos fabricantes de resina, como MadeSolid, MakerJuice y Spot-A. Al principio, las resinas de sobremesa estaban limitadas en cuanto a color y rendimiento, y los materiales sólo solían estar disponibles en amarillo y transparente.
Los últimos avances han ampliado las opciones de color para incluir naranja, verde, rojo, amarillo, azul, blanco y más.
Resina rígida: Las resinas de fotopolímero utilizadas en las impresoras 3D de sobremesa tienden a ser frágiles, propensas a romperse y agrietarse. Para solucionar estos problemas, muchas empresas han empezado a producir resinas más robustas y duraderas.
Por ejemplo, Formlabs presentó un nuevo material de resina Tough que consigue un equilibrio entre resistencia y elongación, lo que proporciona a los prototipos impresos en 3D una mayor resistencia a los impactos y una mayor solidez. Esto es especialmente útil para prototipos de componentes de precisión o conectores a presión.
Resina moldeable para fundición a la cera perdida: Los procesos tradicionales de fundición a la cera perdida pueden ser complejos y largos, y las restricciones del molde a menudo limitan la libertad de diseño. Esto es especialmente cierto en comparación con los patrones de cera impresos en 3D, que no requieren la fabricación de moldes para los modelos de cera.
Las resinas moldeables presentan una baja expansión y requieren una combustión completa del polímero durante el proceso de fundición para dejar una forma final impecable del producto, ya que cualquier residuo de plástico puede causar defectos y deformaciones en la pieza fundida. Fabricantes de equipos como SprintRay y productores de materiales especializados como Fun ToDo ofrecen este tipo de resinas.
La empresa nacional Su-Cheng Technology también ha lanzado la resina CA para la fundición a la cera perdida. La figura 4-64 muestra algunos modelos de fundición a la cera perdida realizados con este tipo de resina.
Resina flexible: Entre los fabricantes de resinas flexibles se encuentran Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon y Su-Cheng Technology. Estas resinas tienen una dureza media y son resistentes al desgaste, pudiendo estirarse repetidamente. Este material se utiliza para piezas como bisagras, dispositivos de fricción y componentes que requieren un estiramiento repetido. La figura 4-65 muestra modelos fabricados con resina flexible.
La resina elástica es un material que presenta una excelente elasticidad bajo extrusión de alta resistencia y tensión repetida. La resina flexible de Formlabs es un material muy blando similar a la goma que se vuelve muy flexible cuando se imprime con capas más finas y muy elástico y resistente a los impactos con capas más gruesas. Sus aplicaciones potenciales son ilimitadas.
Este novedoso material está llamado a revolucionar la fabricación de bisagras perfectas, amortiguadores, superficies de contacto, etc., atendiendo a quienes tienen ideas y diseños imaginativos. La figura 4-66 muestra un modelo fabricado con resina elástica.
La resina de alta temperatura es sin duda un punto central de investigación y desarrollo entre muchos fabricantes de resinas. Esto se debe a que el problema del envejecimiento de estos plásticos ha sido durante mucho tiempo un reto a la hora de hacer progresar la resina de las aplicaciones de consumo a las industriales. La resina de éster de cianato presume de una temperatura de deflexión térmica de hasta 219°C, manteniendo una buena resistencia, rigidez y estabilidad térmica a largo plazo a altas temperaturas.
Es ideal para moldes y piezas mecánicas de la industria automovilística y aeroespacial. El reto actual de los materiales de resina de alta temperatura es alcanzar una temperatura de deflexión térmica (HDT) de hasta 289 °C (552 °F). Formlabs también ha presentado su último material de alta temperatura.
El material Dental SG de Formlabs para impresoras 3D de sobremesa cumple las normas EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 y USP Clase VI, lo que garantiza la seguridad y el respeto medioambiental de los tejidos humanos. Debido a la translucidez de la resina, puede utilizarse en materiales quirúrgicos y como guía para fresas quirúrgicas. Aunque está diseñada para la industria dental, esta resina también es aplicable en otros campos, especialmente en el sector médico.
La cerámica creada mediante la fotopolimerización de monómeros precerámicos con luz UV presenta una contracción uniforme y prácticamente ninguna porosidad. Tras la impresión 3D, esta resina puede sinterizarse para producir piezas cerámicas densas. El material cerámico ultrarresistente producido con esta tecnología puede soportar temperaturas superiores a 1.700 °C.
Las técnicas de fotopolimerización de cerámica que prevalecen en el mercado consisten en dispersar uniformemente el polvo cerámico en una solución fotopolimerizable mediante agitación a alta velocidad, creando una pasta cerámica de alto contenido en sólidos y baja viscosidad.
A continuación, esta lechada se solidifica directamente capa por capa en una máquina de moldeo por fotopolimerización para acumular el cuerpo cerámico en verde, que posteriormente se seca, se deshace y se sinteriza para obtener las piezas cerámicas finales.
La resina de luz diurna es un tipo fascinante de resina que, a diferencia de las que se curan con luz UV, puede solidificarse con luz diurna normal. Esto elimina la dependencia de las fuentes de luz UV, lo que permite utilizar una pantalla de cristal líquido para el curado. Esta resina promete reducir considerablemente el coste de la impresión 3D por fotopolimerización y tiene unas perspectivas muy prometedoras.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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