Você já se perguntou como a luz pode transformar um líquido em sólido quase instantaneamente? As resinas fotossensíveis, usadas em tudo, desde impressão 3D até dispositivos médicos, sofrem alterações químicas quando expostas à luz UV. Este artigo explora seus tipos, composições e como as inovações estão tornando-as mais seguras e eficientes. Mergulhe de cabeça para entender a ciência por trás desses materiais fascinantes e descubra suas vastas aplicações em todos os setores.
As resinas fotossensíveis referem-se a resinas que sofrem polimerização química ou reticulação após a exposição a uma radiação de luz específica, facilitada por fotoiniciadores, fazendo com que os monômeros ou a base de oligômeros curem. Normalmente, entre os vários tipos de radiação de luz, a radiação ultravioleta (UV) tem a energia de ativação mais próxima da necessária para as reações de polimerização química.
Portanto, as resinas fotossensíveis são comumente curadas com luz UV e são frequentemente chamadas de resinas sensíveis a UV, resinas curáveis por UV, adesivos UV sem sombra, fotorresistências etc. Cada produto de resina fotossensível tem componentes diferentes e responde a comprimentos de onda específicos, geralmente entre 250 e 400 nm.
É importante observar que a luz UV pode ser perigosa, danificando tecidos e células, e o ozônio produzido quando reage com o ar também pode afetar o ambiente operacional. Consequentemente, os pesquisadores estão explorando resinas fotossensíveis que curam sob luz visível ou luz azul, o que levou 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 oligômero, é um pré-polímero de baixo peso molecular capaz de fotopolimerizar, com peso molecular normalmente entre 1000 e 5000. Ele serve como material de base para materiais de resina fotossensível e é o fator decisivo em seu desempenho final.
Os principais tipos de pré-polímeros fotossensíveis incluem resinas epóxi modificadas com acrilato, poliésteres insaturados, poliuretanos e sistemas de resina fotopolimerizável de tiol-eno.
Tanto os fotoiniciadores quanto os fotossensibilizadores promovem o início da polimerização durante o processo de cura, mas apresentam diferenças significativas. Os fotoiniciadores participam da reação criando espécies ativas, como radicais livres ou cátions, ao absorverem a energia da luz, e são consumidos no processo. Os fotossensibilizadores agem mais como catalisadores, transferindo energia sem serem consumidos.
Os fotoiniciadores podem ser classificados em três categorias com base em seu mecanismo de iniciação: tipo radical livre, tipo catiônico 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 catiônicos comuns incluem sais de ferrocênio e iodínio.
O mecanismo dos fotossensibilizadores envolve a transferência de energia, a abstração de hidrogênio e a formação de complexos de transferência de carga. Os principais fotossensibilizadores incluem benjoim, cetona de Michler, tioxantona e derivados de benzofenona.
Os diluentes reativos referem-se principalmente a compostos epóxi de baixo peso molecular que contêm grupos epóxi que podem participar da reação de cura das resinas epóxi, tornando-se parte da estrutura da rede reticulada do epóxi curado.
Com base no número de grupos funcionais reativos por molécula, os diluentes reativos podem ser categorizados em diluentes monofuncionais, difuncionais e polifuncionais.
Os exemplos incluem diluentes monofuncionais, como estireno (St), N-vinilpirrolidona (NVP), acetato de vinila (VA), acrilato de butila (BA), acrilato de 2-etilhexila (EHA) e hidroxietil (met)acrilato (HEA, HEMA, HPA); diluentes difuncionais, como diacrilato de 1,6-hexanodiol (HDDA), diacrilato de tripropilenoglicol (TPGDA) e diacrilato de neopentil glicol (NPGDA); e o diluente polifuncional triacrilato de trimetilolpropano (TMPTA), entre outros.
Em geral, quanto maior o número de grupos funcionais em um diluente, mais rápida será a taxa de fotopolimerização, maior será o grau de reticulação, melhor será a dureza e a resistência ao desgaste, mas maior será a taxa de encolhimento. Os tipos de grupos funcionais incluem principalmente acriloiloxi, metacriloiloxi, vinil e alil, com a reatividade na fotopolimerização diminuindo na ordem de: acriloiloxi > metacriloiloxi > vinil > alil.
A energia de ativação produzida pela irradiação pode causar a quebra das ligações C=C nos pré-polímeros fotossensíveis (monômeros ou oligômeros), formando grupos funcionais. Simultaneamente, ela pode induzir os radicais nos fotoiniciadores a sofrerem polimerização química ou reações de ligação cruzada com os grupos funcionais mencionados anteriormente.
Como resultado, as pequenas cadeias moleculares da matriz de resina são entrelaçadas em cadeias moleculares maiores ou até mesmo em cadeias moleculares tridimensionais em rede, conforme ilustrado na Figura 4-63. Assim, a resina passa do estado líquido para o estado sólido. Deve-se observar que o oxigênio geralmente impede as reações de polimerização ou reticulação mencionadas acima na maioria das matrizes de resina fotossensível.
O processo CLIP explora efetivamente essa característica 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 usado, as resinas fotossensíveis podem ser divididas nas 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 acrilatos de poliéter UV. As resinas fotossensíveis à base de água são hidrofílicas, capazes de serem decompostas ou dispersas em água. Essas 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: Essa resina é naturalmente transparente e pode ser polida para obter um acabamento semitransparente ou totalmente transparente. Ela é usada principalmente para verificação visual e estrutural de vários produtos, permitindo acabamentos de superfície altamente detalhados e econômicos.
Resina de fotopolímero de cor sólida: A cor natural da resina é sólida, e sua superfície pode ser polida, pintada ou galvanizada. É usada 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 usada principalmente para produtos que exigem um certo nível de resistência a altas temperaturas. Ela pode suportar temperaturas de até 100-110°C, um pouco mais altas do que os fotopolímeros padrão.
Resina de fotopolímero de alta resistência: Normalmente de cor verde-amarelada, essa resina tem resistência um pouco maior do que os fotopolímeros padrão, permitindo uma leve flexão.
No campo das impressoras 3D de mesa, as impressoras de modelagem por deposição fundida (FDM) dominam atualmente em termos de preço e versatilidade, ganhando ampla popularidade tanto no mercado interno quanto no internacional.
No entanto, quando é necessária maior precisão e melhores detalhes de superfície, as impressoras 3D de estereolitografia (SLA) e processamento digital de luz (DLP) de baixo custo têm uma clara vantagem. A disponibilidade cada vez maior de impressoras 3D SLA e DLP econômicas estimulou a evolução da tecnologia de materiais de fotopolímero.
Resina de uso geral: Inicialmente, os fabricantes de resina para impressão 3D vendiam seus materiais proprietários, mas, com o aumento da demanda do mercado, surgiram vários fabricantes de resina, incluindo MadeSolid, MakerJuice e Spot-A. Inicialmente, as resinas para desktop eram limitadas em termos de cor e desempenho, com materiais normalmente disponíveis apenas em amarelo e transparente.
Desenvolvimentos recentes expandiram as opções de cores para incluir laranja, verde, vermelho, amarelo, azul, branco e muito mais.
Resina rígida: As resinas de fotopolímero usadas em impressoras 3D de mesa tendem a ser frágeis, propensas a quebrar e rachar. Para resolver esses problemas, muitas empresas começaram a produzir resinas mais robustas e duráveis.
Por exemplo, a Formlabs apresentou um novo material de resina resistente que atinge um equilíbrio entre resistência e alongamento, proporcionando aos protótipos impressos em 3D melhor resistência a impactos e força. Isso 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 geralmente limitam a liberdade de design. Isso é especialmente verdadeiro quando comparado aos padrões de cera impressos em 3D, que não exigem a fabricação de moldes para os modelos de cera.
As resinas fundíveis apresentam baixa expansão e requerem a queima completa do polímero durante o processo de fundição para que o produto final tenha um formato impecável, pois 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 essas resinas.
A empresa nacional Su-Cheng Technology também lançou a resina CA para fundição de revestimento. A Figura 4-64 mostra alguns modelos de fundição de revestimento feitos com esse tipo de resina.
Resina flexível: Os fabricantes de resinas flexíveis incluem Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon e Su-Cheng Technology. Essas resinas têm dureza média e são resistentes ao desgaste, podendo ser esticadas várias vezes. Esse material é usado para peças como dobradiças, dispositivos de fricção e componentes que exigem alongamento repetido. A Figura 4-65 mostra modelos feitos de resina flexível.
A resina elástica é um material que apresenta 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 a impactos com camadas mais grossas. Suas aplicações potenciais são ilimitadas.
Esse novo material está pronto para revolucionar a fabricação de dobradiças, amortecedores, superfícies de contato, etc. perfeitos, atendendo àqueles com ideias e projetos criativos. A Figura 4-66 mostra um modelo feito de resina elástica.
A resina de alta temperatura é, sem dúvida, um ponto focal de pesquisa e desenvolvimento entre muitos fabricantes de resina. Isso se deve ao fato de que o problema do envelhecimento desses plásticos tem sido um desafio no progresso da resina, desde o consumidor até as aplicações industriais. A resina de éster de cianato apresenta uma temperatura de deflexão térmica de até 219°C, mantendo boa resistência, rigidez e estabilidade térmica de longo prazo em altas temperaturas.
É ideal para moldes e peças mecânicas dos setores automotivo e aeroespacial. O desafio atual para materiais de resina de alta temperatura é atingir uma temperatura de deflexão térmica (HDT) de até 289°C (552°F). A Formlabs também apresentou seu mais recente material de alta temperatura.
O material Dental SG da Formlabs para impressoras 3D de mesa está em conformidade com as normas EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 e USP Classe VI, garantindo segurança e respeito ao meio ambiente para o tecido humano. Devido à translucidez da resina, ela pode ser usada em materiais cirúrgicos e como guias para brocas cirúrgicas. Embora tenha sido projetada para o setor odontológico, essa resina também é aplicável em outros campos, especialmente no setor médico.
A cerâmica criada pela fotopolimerização de monômeros pré-cerâmicos usando luz UV apresenta encolhimento uniforme e praticamente nenhuma porosidade. Após a impressão 3D, essa resina pode ser sinterizada para produzir peças de cerâmica densas. O material cerâmico de altíssima resistência produzido com essa tecnologia pode suportar temperaturas superiores a 1700°C.
As técnicas de fotopolimerização de cerâmica predominantes no mercado envolvem a dispersão uniforme do pó de cerâmica em uma solução fotopolimerizável por meio de agitação de alta velocidade, criando uma pasta de cerâmica com alto teor de sólidos e baixa viscosidade.
Essa pasta é então solidificada diretamente, camada por camada, em uma máquina de moldagem por fotopolimerização para acumular o corpo verde de cerâmica, que é posteriormente seco, desbastado e sinterizado para obter as peças finais de cerâmica.
A resina Daylight é um tipo fascinante de resina que, ao contrário das curadas sob luz UV, pode se solidificar sob a luz normal do dia. Isso elimina a dependência de fontes de luz UV, permitindo que uma tela de cristal líquido seja usada para a cura. Essa resina promete reduzir significativamente o custo da impressão 3D por fotopolimerização e tem uma perspectiva muito promissora.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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