Já alguma vez se perguntou como é que a luz pode transformar um líquido num sólido quase instantaneamente? As resinas fotossensíveis, utilizadas em tudo, desde a impressão 3D a dispositivos médicos, sofrem alterações químicas quando expostas à luz UV. Este artigo explora os seus tipos, composições e como as inovações as estão a tornar mais seguras e eficientes. Mergulhe para compreender a ciência por detrás destes materiais fascinantes e descubra as suas vastas aplicações em todos os sectores.
As resinas fotossensíveis referem-se a resinas que sofrem polimerização química ou reticulação após exposição a radiação de luz específica, facilitada por fotoiniciadores, fazendo com que os monómeros ou a base de oligómeros curem. Normalmente, entre os vários tipos de radiação luminosa, a radiação ultravioleta (UV) tem a energia de ativação mais próxima da necessária para as reacções de polimerização química.
Assim, as resinas fotossensíveis são normalmente curadas com luz UV e são frequentemente referidas como resinas sensíveis a UV, resinas curáveis por UV, adesivos UV sem sombras, fotorresistências, etc. Cada produto de resina fotossensível tem componentes diferentes e responde a comprimentos de onda específicos, normalmente entre 250-400nm.
É importante notar que a luz UV pode ser perigosa, danificando tecidos e células, e o ozono produzido quando reage com o ar pode também afetar o ambiente operacional. Consequentemente, os investigadores estão a explorar resinas fotossensíveis que curam sob luz visível ou luz azul, levando à publicação de patentes de invenção para resinas sensíveis à luz azul.
As resinas fotossensíveis são compostas principalmente por um pré-polímero fotossensível, um fotoiniciador (ou fotossensibilizador) e um diluente.
O pré-polímero fotossensível, também conhecido como oligómero, é um pré-polímero de baixo peso molecular capaz de fotopolimerizar, com um peso molecular tipicamente entre 1000-5000. Serve como material de base para materiais de resina fotossensível e é o fator decisivo no seu desempenho final.
Os principais tipos de pré-polímeros fotossensíveis incluem resinas epoxídicas modificadas com acrilatos, poliésteres insaturados, poliuretanos e sistemas de resinas fotopolimerizáveis de tiol-eno.
Tanto os fotoiniciadores como os fotossensibilizadores promovem o início da polimerização durante o processo de cura, embora apresentem diferenças significativas. Os fotoiniciadores participam na reação criando espécies activas, como radicais livres ou catiões, ao absorverem a energia da luz, e são consumidos no processo. Os fotossensibilizadores actuam mais como catalisadores, transferindo energia sem serem consumidos.
Os fotoiniciadores podem ser classificados em três categorias com base no seu mecanismo de iniciação: tipo radical livre, tipo catiónico e tipo híbrido (incorporando ambos os mecanismos). Um fotoiniciador radical livre típico é a 2-hidroxi-2-metil-1-fenil-1-propanona (CAS-1173), e os fotoiniciadores catiónicos comuns incluem sais de ferrocénio e de iodínio.
O mecanismo dos fotossensibilizadores envolve a transferência de energia, a abstração de hidrogénio e a formação de complexos de transferência de carga. Os principais fotossensibilizadores incluem o benjoim, a cetona de Michler, a tioxantona e os derivados da benzofenona.
Os diluentes reactivos referem-se principalmente a compostos epoxídicos de baixo peso molecular que contêm grupos epoxídicos que podem participar na reação de cura das resinas epoxídicas, tornando-se parte da estrutura da rede reticulada do epoxídico curado.
Com base no número de grupos funcionais reactivos por molécula, os diluentes reactivos podem ser classificados em diluentes monofuncionais, difuncionais e polifuncionais.
Os exemplos incluem diluentes monofuncionais como o estireno (St), a N-vinilpirrolidona (NVP), o acetato de vinilo (VA), o acrilato de butilo (BA), o acrilato de 2-etil-hexilo (EHA) e o (met)acrilato de hidroxietilo (HEA, HEMA, HPA); diluentes difuncionais como o diacrilato de 1,6-hexanodiol (HDDA), o diacrilato de tripropilenoglicol (TPGDA) e o diacrilato de neopentilglicol (NPGDA); e o diluente polifuncional triacrilato de trimetilolpropano (TMPTA), entre outros.
Geralmente, quanto maior for o número de grupos funcionais num diluente, mais rápida é a taxa de fotopolimerização, maior é o grau de reticulação, melhor é a dureza e a resistência ao desgaste, mas maior é a taxa de retração. Os tipos de grupos funcionais incluem principalmente acriloiloxi, metacriloiloxi, vinil e alilo, com a reatividade na fotopolimerização a diminuir na ordem de: acriloiloxi > metacriloiloxi > vinil > alilo.
A energia de ativação produzida pela irradiação pode provocar a rutura das ligações C=C nos pré-polímeros fotossensíveis (monómeros ou oligómeros), formando grupos funcionais. Simultaneamente, pode induzir os radicais dos fotoiniciadores a sofrerem reacções químicas de polimerização ou de reticulação com os grupos funcionais acima referidos.
Como resultado, as pequenas cadeias moleculares da matriz de resina são tecidas em cadeias moleculares maiores ou mesmo em cadeias moleculares tridimensionais em rede, como ilustrado na Figura 4-63. A resina passa assim de um estado líquido para um estado sólido. É de notar que o oxigénio impede geralmente as reacções de polimerização ou reticulação acima referidas na maioria das matrizes de resina fotossensível.
O processo CLIP explora eficazmente esta caraterística para evitar que a resina cure contra a cuba.
As resinas fotossensíveis podem ser classificadas em diferentes tipos com base em vários métodos de categorização.
Com base no solvente utilizado, as resinas fotossensíveis podem ser divididas em categorias à base de solvente e à base de água. As resinas fotossensíveis à base de solvente são hidrofóbicas e só podem ser dissolvidas em solventes orgânicos, não em água.
As resinas fotossensíveis comuns à base de solvente incluem os acrilatos de poliéter UV. As resinas fotossensíveis à base de água são hidrofílicas, capazes de serem decompostas ou dispersas em água. Estas resinas contêm um certo número de grupos hidrofílicos e grupos insaturados, o que torna as resinas fotossensíveis à base de água hidrofílicas, como os acrilatos de poliuretano à base de água.
Resina de fotopolímero transparente: Esta resina é naturalmente transparente e pode ser polida até obter um acabamento semi-transparente ou totalmente transparente. É utilizada principalmente para a verificação visual e estrutural de vários produtos, permitindo acabamentos de superfície altamente detalhados e económicos.
Resina de fotopolímero de cor sólida: A cor natural da resina é sólida e a sua superfície pode ser polida, pintada ou galvanizada. É utilizada principalmente para verificação estrutural de produtos, permitindo acabamentos de superfície extremamente finos com a melhor relação custo-benefício.
Resina de fotopolímero de alta temperatura: A cor natural da resina é sólida e é utilizada principalmente para produtos que requerem um certo nível de resistência a altas temperaturas. Pode suportar temperaturas até 100-110°C, ligeiramente superiores às dos fotopolímeros normais.
Resina de fotopolímero de elevada resistência: Normalmente de cor verde-amarelada, esta resina tem uma resistência ligeiramente superior à dos fotopolímeros normais, permitindo uma ligeira flexão.
No domínio das impressoras 3D de secretária, as impressoras de modelação por deposição fundida (FDM) dominam atualmente em termos de preço e versatilidade, ganhando grande popularidade tanto a nível nacional como internacional.
No entanto, quando é necessária uma maior precisão e melhores pormenores de superfície, as impressoras 3D de baixo custo de Estereolitografia (SLA) e Processamento Digital de Luz (DLP) têm uma clara vantagem. A crescente disponibilidade de impressoras 3D SLA e DLP a preços acessíveis estimulou a evolução da tecnologia de materiais de fotopolímero.
Resina de uso geral: Inicialmente, os fabricantes de resinas para impressão 3D vendiam os seus próprios materiais, mas à medida que a procura do mercado crescia, surgiram vários fabricantes de resinas, incluindo a MadeSolid, a MakerJuice e a Spot-A. Inicialmente, as resinas de secretária eram limitadas em termos de cor e desempenho, com materiais normalmente disponíveis apenas em amarelo e transparente.
Desenvolvimentos recentes alargaram as opções de cor para incluir laranja, verde, vermelho, amarelo, azul, branco e muito mais.
Resina rígida: As resinas de fotopolímero utilizadas nas impressoras 3D de secretária tendem a ser frágeis, propensas a partir-se e a rachar. Para resolver estes problemas, muitas empresas começaram a produzir resinas mais robustas e duradouras.
Por exemplo, a Formlabs introduziu um novo material de resina resistente que estabelece um equilíbrio entre a resistência e o alongamento, proporcionando aos protótipos impressos em 3D uma melhor resistência ao impacto e força. Isto é particularmente útil para protótipos de componentes de precisão ou conectores de encaixe.
Resina fundível para fundição por cera perdida: Os processos tradicionais de fundição por cera perdida podem ser complexos e demorados, e as restrições do molde limitam frequentemente a liberdade de conceção. Isto é especialmente verdade quando comparado com os padrões de cera impressos em 3D, que não requerem o fabrico de moldes para os modelos de cera.
As resinas fundíveis apresentam uma baixa expansão e requerem a queima completa do polímero durante o processo de fundição para deixar uma forma de produto final impecável, uma vez que qualquer resíduo de plástico pode causar defeitos e deformações no molde. Fabricantes de equipamentos como a SprintRay e produtores de materiais especializados como a Fun ToDo oferecem este tipo de resinas.
A empresa nacional Su-Cheng Technology também lançou a resina CA para fundição por cera perdida. A Figura 4-64 mostra alguns modelos de fundição de revestimento feitos com este tipo de resina.
Resina flexível: Os fabricantes de resinas flexíveis incluem a Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon e Su-Cheng Technology. Estas resinas têm uma dureza média e são resistentes ao desgaste, podendo ser esticadas repetidamente. Este material é utilizado para peças como dobradiças, dispositivos de fricção e componentes que requerem esticamento repetido. A Figura 4-65 mostra modelos feitos de resina flexível.
A resina elástica é um material que apresenta uma excelente elasticidade sob extrusão de alta resistência e tensão repetida. A resina flexível da Formlabs é um material semelhante a borracha muito macia que se torna bastante maleável quando impressa com camadas mais finas e altamente elástica e resistente ao impacto com camadas mais espessas. As suas potenciais aplicações são ilimitadas.
Este novo material está pronto a revolucionar o fabrico de dobradiças perfeitas, amortecedores, superfícies de contacto, etc., para satisfazer os que têm ideias e desenhos imaginativos. A figura 4-66 mostra um modelo feito de resina elástica.
A resina de alta temperatura é, sem dúvida, um ponto focal de investigação e desenvolvimento entre muitos fabricantes de resina. Isto deve-se ao facto de o problema do envelhecimento destes plásticos ter sido, durante muito tempo, um desafio na evolução da resina das aplicações de consumo para as aplicações industriais. A resina de éster de cianato apresenta uma temperatura de deflexão térmica de até 219°C, mantendo uma boa resistência, rigidez e estabilidade térmica a longo prazo a altas temperaturas.
É ideal para moldes e peças mecânicas da indústria automóvel e aeroespacial. O desafio atual para os materiais de resina de alta temperatura é atingir uma temperatura de deflexão térmica (HDT) de até 289°C (552°F). A Formlabs também apresentou o seu mais recente material de alta temperatura.
O material Dental SG da Formlabs para impressoras 3D de secretária está em conformidade com as normas EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 e USP Classe VI, garantindo segurança e respeito pelo ambiente para os tecidos humanos. Devido à translucidez da resina, esta pode ser utilizada em materiais cirúrgicos e como guias para brocas cirúrgicas. Embora tenha sido concebida para a indústria dentária, esta resina também é aplicável noutros campos, particularmente no sector médico.
A cerâmica criada pela fotopolimerização de monómeros pré-cerâmicos utilizando luz UV apresenta um encolhimento uniforme e praticamente nenhuma porosidade. Após a impressão 3D, esta resina pode ser sinterizada para produzir peças cerâmicas densas. O material cerâmico de ultra-alta resistência produzido com esta tecnologia pode suportar temperaturas superiores a 1700°C.
As técnicas de fotopolimerização de cerâmica predominantes no mercado envolvem a dispersão uniforme do pó cerâmico numa solução fotopolimerizável através de agitação a alta velocidade, criando uma pasta cerâmica com elevado teor de sólidos e baixa viscosidade.
Esta pasta é então solidificada diretamente camada a camada numa máquina de moldagem por fotopolimerização para acumular o corpo verde cerâmico, que é subsequentemente seco, desbastado e sinterizado para obter as peças cerâmicas finais.
A resina de luz do dia é um tipo fascinante de resina que, ao contrário das resinas curadas sob luz UV, pode solidificar sob luz do dia normal. Isto elimina a dependência de fontes de luz UV, permitindo a utilização de um ecrã de cristais líquidos para a cura. Esta resina promete reduzir significativamente o custo da impressão 3D por fotopolimerização e tem perspectivas muito promissoras.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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