Vous êtes-vous déjà demandé comment la lumière pouvait transformer un liquide en solide presque instantanément ? Les résines photosensibles, utilisées dans tous les domaines, de l'impression 3D aux dispositifs médicaux, subissent des modifications chimiques lorsqu'elles sont exposées à la lumière UV. Cet article explore leurs types, leurs compositions et la manière dont les innovations les rendent plus sûres et plus efficaces. Plongez dans cet article pour comprendre la science qui se cache derrière ces matériaux fascinants et découvrez leurs vastes applications dans tous les secteurs d'activité.
Les résines photosensibles sont des résines qui subissent une polymérisation chimique ou une réticulation lors de l'exposition à un rayonnement lumineux spécifique, facilitée par des photo-initiateurs, provoquant la polymérisation des monomères ou des oligomères de base. En règle générale, parmi les différents types de rayonnement lumineux, le rayonnement ultraviolet (UV) possède l'énergie d'activation la plus proche de celle requise pour les réactions de polymérisation chimique.
Par conséquent, les résines photosensibles sont généralement durcies à l'aide de la lumière UV et sont souvent appelées résines sensibles aux UV, résines durcissables aux UV, adhésifs UV sans ombre, photorésines, etc. Chaque résine photosensible a des composants différents et réagit à des longueurs d'onde spécifiques, généralement comprises entre 250 et 400 nm.
Il est important de noter que la lumière UV peut être dangereuse, car elle endommage les tissus et les cellules, et que l'ozone produit lorsqu'elle réagit avec l'air peut également affecter l'environnement d'exploitation. Par conséquent, les chercheurs étudient des résines photosensibles qui durcissent sous l'effet de la lumière visible ou de la lumière bleue, ce qui a conduit à la publication de brevets d'invention pour des résines sensibles à la lumière bleue.
Les résines photosensibles sont principalement composées d'un pré-polymère photosensible, d'un photo-initiateur (ou photosensibilisateur) et d'un diluant.
Le prépolymère photosensible, également appelé oligomère, est un prépolymère de faible poids moléculaire capable de photopolymériser, dont le poids moléculaire se situe généralement entre 1000 et 5000. Il sert de matériau de base pour les résines photosensibles et constitue le facteur décisif de leur performance finale.
Les principaux types de prépolymères photosensibles comprennent les résines époxy modifiées par des acrylates, les polyesters insaturés, les polyuréthanes et les systèmes de résine photopolymérisable à base de thiol-ène.
Les photo-initiateurs et les photosensibilisateurs favorisent tous deux l'initiation de la polymérisation au cours du processus de durcissement, mais ils diffèrent de manière significative. Les photo-initiateurs participent à la réaction en créant des espèces actives telles que des radicaux libres ou des cations lors de l'absorption de l'énergie lumineuse, et sont consommés au cours du processus. Les photosensibilisateurs agissent plutôt comme des catalyseurs, transférant l'énergie sans être consommés.
Les photo-initiateurs peuvent être classés en trois catégories en fonction de leur mécanisme d'initiation : le type radicalaire, le type cationique et le type hybride (intégrant les deux mécanismes). Le 2-hydroxy-2-méthyl-1-phényl-1-propanone (CAS-1173) est un photo-initiateur radicalaire typique, et les photo-initiateurs cationiques courants comprennent les sels de ferrocénium et d'iodinium.
Le mécanisme des photosensibilisateurs implique le transfert d'énergie, l'abstraction d'hydrogène et la formation de complexes de transfert de charge. Les principaux photosensibilisateurs sont le benjoin, la cétone de Michler, la thioxanthone et les dérivés de la benzophénone.
Les diluants réactifs sont principalement des composés époxy de faible poids moléculaire contenant des groupes époxy qui peuvent participer à la réaction de durcissement des résines époxy, en devenant partie intégrante de la structure du réseau réticulé de l'époxy durci.
En fonction du nombre de groupes fonctionnels réactifs par molécule, les diluants réactifs peuvent être classés en diluants monofonctionnels, difonctionnels et polyfonctionnels.
Les exemples incluent les diluants monofonctionnels tels que le styrène (St), la N-vinyl pyrrolidone (NVP), l'acétate de vinyle (VA), l'acrylate de butyle (BA), l'acrylate de 2-éthylhexyle (EHA), et le (méth)acrylate d'hydroxyéthyle (HEA, HEMA, HPA) ; les diluants difonctionnels tels que le diacrylate de 1,6-hexanediol (HDDA), le diacrylate de tripropylène glycol (TPGDA) et le diacrylate de néopentyle glycol (NPGDA) ; et le diluant polyfonctionnel triacrylate de triméthylolpropane (TMPTA), entre autres.
En général, plus le nombre de groupes fonctionnels dans un diluant est élevé, plus la vitesse de photopolymérisation est rapide, plus le degré de réticulation est élevé, plus la dureté et la résistance à l'usure sont bonnes, mais plus le taux de rétrécissement est élevé. Les types de groupes fonctionnels comprennent principalement l'acryloyloxy, le méthacryloyloxy, le vinyle et l'allyle, la réactivité dans la photopolymérisation diminuant dans l'ordre suivant : acryloyloxy > méthacryloyloxy > vinyle > allyle.
L'énergie d'activation produite par l'irradiation peut provoquer la rupture des liaisons C=C dans les prépolymères photosensibles (monomères ou oligomères), formant ainsi des groupes fonctionnels. Simultanément, elle peut induire les radicaux des photo-initiateurs à subir des réactions de polymérisation chimique ou de réticulation avec les groupes fonctionnels susmentionnés.
En conséquence, les petites chaînes moléculaires de la matrice de résine sont tissées en chaînes moléculaires plus grandes ou même en chaînes moléculaires en réseau tridimensionnel, comme illustré à la figure 4-63. La résine passe ainsi de l'état liquide à l'état solide. Il convient de noter que l'oxygène entrave généralement les réactions de polymérisation ou de réticulation susmentionnées dans la plupart des matrices de résine photosensible.
Le procédé CLIP exploite efficacement cette caractéristique pour empêcher la résine de durcir contre la cuve.
Les résines photosensibles peuvent être classées en différents types sur la base de diverses méthodes de catégorisation.
En fonction du solvant utilisé, les résines photosensibles peuvent être divisées en deux catégories : celles à base de solvant et celles à base d'eau. Les résines photosensibles à base de solvant sont hydrophobes et ne peuvent être dissoutes que dans des solvants organiques, pas dans l'eau.
Les résines photosensibles courantes à base de solvant comprennent les polyéther acrylates UV. Les résines photosensibles à base d'eau sont hydrophiles, capables de se décomposer ou de se disperser dans l'eau. Ces résines contiennent un certain nombre de groupes hydrophiles et de groupes insaturés, ce qui rend les résines photosensibles à base d'eau hydrophiles, comme les acrylates de polyuréthane à base d'eau.
Résine photopolymère transparente : Cette résine est naturellement transparente et peut être polie pour obtenir une finition semi-transparente ou totalement transparente. Elle est principalement utilisée pour la vérification visuelle et structurelle de divers produits, ce qui permet d'obtenir des finitions de surface très détaillées et rentables.
Résine photopolymère de couleur unie : La couleur naturelle de la résine est unie et sa surface peut être polie, peinte ou galvanisée. Elle est principalement utilisée pour la vérification structurelle des produits, ce qui permet d'obtenir des finitions de surface extrêmement fines pour un rapport coût-efficacité optimal.
Résine photopolymère haute température : La couleur naturelle de la résine est unie et elle est principalement utilisée pour les produits qui requièrent un certain niveau de résistance aux hautes températures. Elle peut résister à des températures allant jusqu'à 100-110°C, soit un peu plus que les photopolymères standard.
Résine photopolymère à haute ténacité : De couleur jaune-vert, cette résine est légèrement plus résistante que les photopolymères standard, ce qui permet de la plier légèrement.
Dans le domaine des imprimantes 3D de bureau, les imprimantes à dépôt de matière fondue (FDM) dominent actuellement en termes de prix et de polyvalence, gagnant une large popularité tant au niveau national qu'international.
Toutefois, lorsqu'une plus grande précision et de meilleurs détails de surface sont requis, les imprimantes 3D à stéréolithographie (SLA) et à traitement numérique de la lumière (DLP) à bas prix présentent un net avantage. La disponibilité croissante d'imprimantes 3D SLA et DLP abordables a stimulé l'évolution de la technologie des matériaux photopolymères.
Résine à usage général : Au départ, les fabricants de résines d'impression 3D vendaient leurs propres matériaux, mais à mesure que la demande du marché augmentait, de nombreux fabricants de résines sont apparus, notamment MadeSolid, MakerJuice et Spot-A. Au départ, les résines de bureau étaient limitées en termes de couleurs et de performances, les matériaux n'étant généralement disponibles qu'en jaune et en transparent.
Des développements récents ont élargi les options de couleur à l'orange, au vert, au rouge, au jaune, au bleu, au blanc et à d'autres couleurs encore.
Résine rigide : Les résines photopolymères utilisées dans les imprimantes 3D de bureau ont tendance à être fragiles, à se casser et à se fissurer. Pour remédier à ces problèmes, de nombreuses entreprises ont commencé à produire des résines plus robustes et plus durables.
Par exemple, Formlabs a présenté un nouveau matériau Tough Resin qui établit un équilibre entre la résistance et l'élongation, ce qui confère aux prototypes imprimés en 3D une meilleure résistance aux chocs et une plus grande solidité. Ce matériau est particulièrement utile pour les prototypes de composants de précision ou de connecteurs encliquetables.
Résine coulable pour le moulage à la cire perdue : Les processus traditionnels de moulage à la cire perdue peuvent être complexes et longs, et les contraintes liées aux moules limitent souvent la liberté de conception. C'est particulièrement vrai lorsqu'on les compare aux modèles en cire imprimés en 3D, qui ne nécessitent pas la fabrication de moules pour les modèles en cire.
Les résines coulables présentent une faible expansion et nécessitent une combustion complète du polymère au cours du processus de coulée pour laisser une forme finale impeccable au produit, car tout résidu de plastique peut entraîner des défauts et des déformations dans la pièce coulée. Les fabricants d'équipements comme SprintRay et les producteurs de matériaux spécialisés comme Fun ToDo proposent ce type de résines.
La société nationale Su-Cheng Technology a également lancé la résine CA pour le moulage à la cire perdue. La figure 4-64 présente quelques modèles de moulage à la cire perdue réalisés avec ce type de résine.
Résine flexible : Les fabricants de résines flexibles sont notamment Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon et Su-Cheng Technology. Ces résines ont une dureté moyenne et sont résistantes à l'usure, capables d'être étirées à plusieurs reprises. Ce matériau est utilisé pour des pièces telles que les charnières, les dispositifs de friction et les composants qui nécessitent des étirements répétés. La figure 4-65 présente des modèles fabriqués à partir de résine souple.
La résine élastique est un matériau qui présente une excellente élasticité en cas d'extrusion à haute résistance et de tension répétée. La résine flexible de Formlabs est un matériau très souple, semblable à du caoutchouc, qui devient très flexible lorsqu'il est imprimé avec des couches fines et très élastique et résistant aux chocs lorsqu'il est imprimé avec des couches plus épaisses. Ses applications potentielles sont illimitées.
Ce nouveau matériau est sur le point de révolutionner la fabrication de charnières, d'amortisseurs, de surfaces de contact, etc. parfaits, répondant ainsi aux besoins de ceux qui ont des idées et des conceptions imaginatives. La figure 4-66 montre un modèle en résine élastique.
La résine haute température est sans aucun doute un point central de la recherche et du développement pour de nombreux fabricants de résine. En effet, le problème du vieillissement de ces plastiques a longtemps été un défi pour faire passer la résine des applications grand public aux applications industrielles. La résine ester de cyanate peut se targuer d'une température de déflexion thermique allant jusqu'à 219°C, ce qui lui permet de conserver une bonne résistance, une bonne rigidité et une stabilité thermique à long terme à des températures élevées.
Il est idéal pour les moules et les pièces mécaniques des industries automobile et aérospatiale. Le défi actuel pour les matériaux en résine haute température est d'atteindre une température de déviation thermique (HDT) allant jusqu'à 289°C (552°F). Formlabs a également présenté son dernier matériau haute température.
Le matériau Dental SG de Formlabs pour les imprimantes 3D de bureau est conforme aux normes EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 et USP Class VI, ce qui garantit la sécurité et le respect de l'environnement pour les tissus humains. En raison de sa translucidité, la résine peut être utilisée dans les matériaux chirurgicaux et comme guides pour les forets chirurgicaux. Conçue pour l'industrie dentaire, cette résine est également applicable dans d'autres domaines, en particulier dans le secteur médical.
La céramique créée par photopolymérisation de monomères précéramiques à l'aide de la lumière UV présente un retrait uniforme et pratiquement aucune porosité. Après l'impression 3D, cette résine peut être frittée pour produire des pièces céramiques denses. Le matériau céramique ultra-haute résistance produit avec cette technologie peut supporter des températures supérieures à 1700°C.
Les techniques de photopolymérisation des céramiques les plus répandues sur le marché consistent à disperser uniformément la poudre de céramique dans une solution photopolymérisable par un brassage à grande vitesse, créant ainsi une boue céramique à haute teneur en solides et à faible viscosité.
Cette boue est ensuite directement solidifiée couche par couche sur une machine de moulage par photopolymérisation afin d'accumuler le corps vert en céramique, qui est ensuite séché, ébarbé et fritté pour obtenir les pièces céramiques finales.
La résine lumière du jour est un type de résine fascinant qui, contrairement aux résines durcies sous UV, peut se solidifier à la lumière du jour. Cela élimine la dépendance à l'égard des sources de lumière UV, ce qui permet d'utiliser un écran à cristaux liquides pour la polymérisation. Cette résine promet de réduire considérablement le coût de l'impression 3D par photopolymérisation et ses perspectives sont très prometteuses.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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