Vi siete mai chiesti come la luce possa trasformare un liquido in un solido quasi istantaneamente? Le resine fotosensibili, utilizzate in tutti i settori, dalla stampa 3D ai dispositivi medici, subiscono cambiamenti chimici quando vengono esposte alla luce UV. Questo articolo ne esplora i tipi, le composizioni e le innovazioni che le rendono più sicure ed efficienti. Immergetevi nella scienza di questi affascinanti materiali e scoprite le loro vaste applicazioni in tutti i settori.
Le resine fotosensibili si riferiscono a resine che subiscono una polimerizzazione chimica o una reticolazione in seguito all'esposizione a specifiche radiazioni luminose, favorite da fotoiniziatori, che causano la polimerizzazione dei monomeri o degli oligomeri di base. In genere, tra i vari tipi di radiazioni luminose, le radiazioni ultraviolette (UV) hanno l'energia di attivazione più vicina a quella richiesta per le reazioni di polimerizzazione chimica.
Pertanto, le resine fotosensibili sono comunemente polimerizzate con luce UV e sono spesso indicate come resine sensibili ai raggi UV, resine polimerizzabili con raggi UV, adesivi UV senza ombre, fotoresistenze, ecc. Ogni prodotto a base di resina fotosensibile ha componenti diversi e risponde a lunghezze d'onda specifiche, in genere tra 250-400 nm.
È importante notare che la luce UV può essere pericolosa, danneggiando tessuti e cellule, e che anche l'ozono prodotto quando reagisce con l'aria può influire sull'ambiente operativo. Di conseguenza, i ricercatori stanno esplorando resine fotosensibili che polimerizzano alla luce visibile o alla luce blu, portando alla pubblicazione di brevetti di invenzione per resine sensibili alla luce blu.
Le resine fotosensibili sono composte principalmente da un pre-polimero fotosensibile, un fotoiniziatore (o fotosensibilizzatore) e un diluente.
Il pre-polimero fotosensibile, noto anche come oligomero, è un pre-polimero a basso peso molecolare in grado di fotopolimerizzare, con un peso molecolare tipicamente compreso tra 1000-5000. Serve come materiale di base per i materiali resinosi fotosensibili ed è il fattore decisivo per le loro prestazioni finali.
I principali tipi di prepolimeri fotosensibili includono resine epossidiche modificate con acrilati, poliesteri insaturi, poliuretani e sistemi di resine fotopolimerizzanti tiolo-ene.
I fotoiniziatori e i fotosensibilizzatori promuovono entrambi l'avvio della polimerizzazione durante il processo di polimerizzazione, pur presentando differenze significative. I fotoiniziatori partecipano alla reazione creando specie attive come radicali liberi o cationi quando assorbono l'energia luminosa e vengono consumati nel processo. I fotosensibilizzatori agiscono più come catalizzatori, trasferendo energia senza essere consumati.
I fotoiniziatori possono essere classificati in tre categorie in base al loro meccanismo di iniziazione: tipo radicale libero, tipo cationico e tipo ibrido (che incorpora entrambi i meccanismi). Un tipico fotoiniziatore a radicali liberi è il 2-idrossi-2-metil-1-fenil-1-propanone (CAS-1173), mentre i comuni fotoiniziatori cationici includono sali di ferrocenio e di iodinio.
Il meccanismo dei fotosensibilizzatori prevede il trasferimento di energia, l'astrazione di idrogeno e la formazione di complessi di trasferimento di carica. I principali fotosensibilizzatori includono il benzoino, il chetone di Michler, il tioxantone e i derivati del benzofenone.
I diluenti reattivi si riferiscono principalmente a composti epossidici a basso peso molecolare contenenti gruppi epossidici che possono partecipare alla reazione di polimerizzazione delle resine epossidiche, diventando parte della struttura reticolare dell'epossidico polimerizzato.
In base al numero di gruppi funzionali reattivi per molecola, i diluenti reattivi possono essere classificati in diluenti monofunzionali, difunzionali e polifunzionali.
Tra gli esempi vi sono diluenti monofunzionali come lo stirene (St), l'N-vinilpirrolidone (NVP), l'acetato di vinile (VA), l'acrilato di butile (BA), l'acrilato di 2-etilesile (EHA) e l'idrossietil(met)acrilato (HEA, HEMA, HPA); diluenti difunzionali come il diacrilato di 1,6-esandiolo (HDDA), il diacrilato di glicole tripropilenico (TPGDA) e il diacrilato di glicole neopentilico (NPGDA); e il diluente polifunzionale triacrilato di trimetilpropano (TMPTA), tra gli altri.
In generale, maggiore è il numero di gruppi funzionali in un diluente, maggiore è la velocità di fotopolimerizzazione, maggiore è il grado di reticolazione, migliore è la durezza e la resistenza all'usura, ma maggiore è il tasso di ritiro. I tipi di gruppi funzionali includono principalmente acrilossi, metacrilossi, vinile e allile, con una reattività nella fotopolimerizzazione decrescente nell'ordine: acrilossi > metacrilossi > vinile > allile.
L'energia di attivazione prodotta dall'irraggiamento può causare la rottura dei legami C=C nei prepolimeri fotosensibili (monomeri o oligomeri), formando gruppi funzionali. Contemporaneamente, può indurre i radicali dei fotoiniziatori a subire reazioni di polimerizzazione chimica o di reticolazione con i suddetti gruppi funzionali.
Di conseguenza, le piccole catene molecolari della matrice di resina si intrecciano in catene molecolari più grandi o addirittura in catene molecolari tridimensionali in rete, come illustrato nella Figura 4-63. La resina passa così dallo stato liquido a quello solido. La resina passa così dallo stato liquido a quello solido. Va notato che l'ossigeno generalmente ostacola le suddette reazioni di polimerizzazione o reticolazione nella maggior parte delle matrici di resina fotosensibile.
Il processo CLIP sfrutta efficacemente questa caratteristica per evitare che la resina polimerizzi contro il tino.
Le resine fotosensibili possono essere classificate in diversi tipi in base a vari metodi di categorizzazione.
In base al solvente utilizzato, le resine fotosensibili possono essere suddivise in categorie a base di solventi e a base di acqua. Le resine fotosensibili a base di solventi sono idrofobiche e possono essere sciolte solo in solventi organici, non in acqua.
Le comuni resine fotosensibili a base di solventi includono i polieteri acrilati UV. Le resine fotosensibili a base acquosa sono idrofile, in grado di essere decomposte o disperse in acqua. Queste resine contengono un certo numero di gruppi idrofili e gruppi insaturi, che rendono le resine fotosensibili a base acquosa idrofile, come gli acrilati poliuretanici a base acquosa.
Resina fotopolimerica trasparente: Questa resina è naturalmente trasparente e può essere lucidata fino a ottenere una finitura semitrasparente o completamente trasparente. Viene utilizzata principalmente per la verifica visiva e strutturale di vari prodotti, consentendo di ottenere finiture superficiali altamente dettagliate ed economiche.
Resina fotopolimerica a tinta unita: Il colore naturale della resina è solido e la sua superficie può essere lucidata, verniciata o galvanizzata. Viene utilizzata principalmente per la verifica strutturale dei prodotti, consentendo di ottenere finiture superficiali estremamente fini con la massima economicità.
Resina fotopolimerica per alte temperature: Il colore naturale di questa resina è solido e viene utilizzata principalmente per prodotti che richiedono un certo livello di resistenza alle alte temperature. Può resistere a temperature fino a 100-110°C, leggermente superiori a quelle dei fotopolimeri standard.
Resina fotopolimerica ad alta tenacità: Tipicamente di colore giallo-verde, questa resina ha una tenacità leggermente superiore a quella dei fotopolimeri standard, consentendo una leggera piegatura.
Nel regno delle stampanti 3D desktop, le stampanti FDM (Fused Deposition Modeling) dominano attualmente in termini di prezzo e versatilità, guadagnando una vasta popolarità sia a livello nazionale che internazionale.
Tuttavia, quando sono richiesti una maggiore precisione e migliori dettagli superficiali, le stampanti 3D Stereolitografia (SLA) e Digital Light Processing (DLP) a basso costo offrono un chiaro vantaggio. La crescente disponibilità di stampanti 3D SLA e DLP a prezzi accessibili ha stimolato l'evoluzione della tecnologia dei materiali fotopolimerici.
Resina per uso generale: Inizialmente i produttori di resine per la stampa 3D vendevano i loro materiali proprietari, ma con la crescita della domanda del mercato sono emersi numerosi produttori di resine, tra cui MadeSolid, MakerJuice e Spot-A. Inizialmente, le resine per desktop erano limitate in termini di colore e prestazioni, con materiali tipicamente disponibili solo in giallo e trasparente.
I recenti sviluppi hanno ampliato le opzioni di colore includendo arancione, verde, rosso, giallo, blu, bianco e altro ancora.
Resina rigida: Le resine fotopolimeriche utilizzate nelle stampanti 3D desktop tendono a essere fragili, soggette a rotture e incrinature. Per risolvere questi problemi, molte aziende hanno iniziato a produrre resine più robuste e durevoli.
Ad esempio, Formlabs ha presentato un nuovo materiale Tough Resin che raggiunge un equilibrio tra resistenza e allungamento, offrendo ai prototipi stampati in 3D una migliore resistenza agli urti e alla forza. Questo è particolarmente utile per i prototipi di componenti di precisione o di connettori a scatto.
Resina colabile per la microfusione: I processi tradizionali di microfusione possono essere complessi e lunghi e i vincoli dello stampo spesso limitano la libertà di progettazione. Ciò è particolarmente vero se confrontato con i modelli in cera stampati in 3D, che non richiedono la creazione di stampi per i modelli in cera.
Le resine colabili presentano una bassa espansione e richiedono il completo esaurimento del polimero durante il processo di colata per lasciare una forma impeccabile del prodotto finale, poiché qualsiasi residuo di plastica può causare difetti e deformazioni nel getto. Produttori di attrezzature come SprintRay e produttori di materiali specializzati come Fun ToDo offrono tali resine.
Anche l'azienda nazionale Su-Cheng Technology ha lanciato la resina CA per la microfusione. La Figura 4-64 mostra alcuni modelli di microfusione realizzati con questo tipo di resina.
Resina flessibile: I produttori di resine flessibili includono Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon e Su-Cheng Technology. Queste resine hanno una durezza media e sono resistenti all'usura, in grado di essere allungate ripetutamente. Questo materiale è utilizzato per parti come cerniere, dispositivi di attrito e componenti che richiedono un allungamento ripetuto. La Figura 4-65 mostra i modelli realizzati in resina flessibile.
La resina elastica è un materiale che presenta un'eccellente elasticità sottoposta a estrusione ad alta resistenza e a tensioni ripetute. La resina flessibile di Formlabs è un materiale molto morbido, simile alla gomma, che diventa abbastanza malleabile quando viene stampato con strati più sottili e altamente elastico e resistente agli urti con strati più spessi. Le sue applicazioni potenziali sono infinite.
Questo nuovo materiale è destinato a rivoluzionare la produzione di cerniere perfette, smorzatori, superfici di contatto e così via, per soddisfare chi ha idee e progetti fantasiosi. La Figura 4-66 mostra un modello realizzato in resina elastica.
La resina ad alta temperatura è senza dubbio un punto focale della ricerca e dello sviluppo di molti produttori di resina. Questo perché il problema dell'invecchiamento di queste plastiche ha rappresentato a lungo una sfida nel passaggio della resina dalle applicazioni consumer a quelle industriali. La resina estere cianato vanta una temperatura di deflessione termica fino a 219°C, mantenendo una buona resistenza, rigidità e stabilità termica a lungo termine alle alte temperature.
È ideale per stampi e parti meccaniche dell'industria automobilistica e aerospaziale. La sfida attuale per i materiali resinosi ad alta temperatura è raggiungere una temperatura di deformazione termica (HDT) fino a 289°C (552°F). Formlabs ha presentato il suo ultimo materiale per alte temperature.
Il materiale Dental SG di Formlabs per stampanti 3D desktop è conforme agli standard EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 e USP Classe VI, garantendo sicurezza e rispetto dell'ambiente per i tessuti umani. Grazie alla sua traslucenza, la resina può essere utilizzata nei materiali chirurgici e come guida per le frese chirurgiche. Pur essendo progettata per l'industria dentale, questa resina è applicabile anche in altri campi, in particolare nel settore medico.
La ceramica creata dalla fotopolimerizzazione di monomeri preceramici mediante luce UV presenta una contrazione uniforme e praticamente nessuna porosità. Dopo la stampa 3D, questa resina può essere sinterizzata per produrre parti ceramiche dense. Il materiale ceramico ad altissima resistenza prodotto con questa tecnologia può resistere a temperature superiori a 1700°C.
Le tecniche di fotopolimerizzazione della ceramica più diffuse sul mercato prevedono la dispersione uniforme della polvere di ceramica in una soluzione fotopolimerizzabile mediante agitazione ad alta velocità, creando un impasto ceramico ad alto contenuto solido e bassa viscosità.
Questo impasto viene poi solidificato direttamente strato per strato su una macchina di stampaggio a fotopolimerizzazione per accumulare il corpo verde ceramico, che viene successivamente essiccato, sbavato e sinterizzato per ottenere le parti ceramiche finali.
La resina daylight è un affascinante tipo di resina che, a differenza di quelle polimerizzate alla luce UV, può solidificarsi alla normale luce del giorno. Ciò elimina la dipendenza dalle fonti di luce UV, consentendo di utilizzare uno schermo a cristalli liquidi per la polimerizzazione. Questa resina promette di ridurre significativamente il costo della stampa 3D con fotopolimerizzazione e ha prospettive molto promettenti.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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