Resinas avanzadas para impresión 3D

Una de las principales barreras que ha tenido siempre la impresión 3D de resina a la hora de implementarse a nivel industrial ha sido la escasa variedad de materiales disponibles. Originalmente los únicos materiales disponibles eran resinas basadas en oligómeros de acrilato, generalmente de bajo peso molecular, que destacaban por su alta fragilidad y escasas propiedades mecánicas y térmicas. Debido a esto, la impresión 3D con resina siempre ha estado relegada a un segundo plano en la producción de componentes y prototipos funcionales, en favor de las tecnologías de impresión 3D basadas en termoplásticos como FDM o SLS.

Sin embargo, en los últimos años esto ha cambiado drásticamente. La aparición de nuevas resinas técnicas con propiedades avanzadas y desarrolladas específicamente para determinadas aplicaciones profesionales ha puesto en el punto de mira de muchos sectores esta tecnología. Si a esto se une la aparición de nuevas tecnologías de impresión 3D con resina como la LED-LCD, que han conseguido reducir los costes y aumentar considerablemente la velocidad de impresión, nos encontramos ante una alternativa viable, que puede incluso superar a FDM y SLS en algunos campos de aplicación.

Estas resinas técnicas se pueden clasificar en tres grupos, en función del campo al que estén enfocados:

• Resinas para joyería
• Resinas dentales
• Resinas de ingeniería

RESINAS PARA JOYERÍA

El sector de la joyería ha sido históricamente el primero en implementar la impresión 3D con resina. Esto se debe a la alta resolución que ofrece esta tecnología, capaz de producir pequeños modelos a escala 1:1 con gran calidad de acabados.

Imagen 1: Modelo de joyería impreso en resina. Fuente: uniz.com

Aunque las resinas estándar son ampliamente utilizadas para la producción de modelos, lo que ha supuesto un antes y un después ha sido la aparición de resinas calcinables o “castables” de alta calidad. Estas resinas destacan por no dejar apenas residuos durante la calcinación, lo que las ha convertido en un sustituto perfecto a los modelos de cera empleados originalmente en fundición.

Gracias a esto es posible imprimir el árbol de fundición directamente, sin necesidad de realizar moldes para producir los maestros de cera ni de ensamblar manualmente los árboles, lo que reduce las etapas manuales y automatiza el proceso.

Video 1: preparación tradicional de un árbol de cera. Fuente: greekerajewelry.com

En general este tipo de resinas pueden incluir un porcentaje de cera líquida en su composición que tiene como finalidad eliminar los posibles restos de ceniza, produciendo un molde limpio, apto para una colada de calidad. Un mayor porcentaje de cera producirá una calcinación más limpia, y con menos residuos, sin embargo, puede afectar a la precisión de impresión. Además, este tipo de resinas se suelen caracterizar por poseer un coeficiente de expansión muy bajo.

Actualmente existen en el mercado múltiples opciones de resinas calcinables de alta calidad, compatibles tanto con SLA como con DLP o LED-LCD. Destacan por su combinación de bajo residuo, baja expansión térmica y alta precisión las resinas “Castable Wax” de Formlabs con un 20 % de cera o ZWax Purple con un 10 % de cera y compatible con impresoras DLP y LED-LCD.

Imagen 2: Anillo impreso con zWax Purple. Fuente: Uniz.com

RESINAS DENTALES

Junto con la joyería, el sector de la odontología fue uno de los primeros en adoptar la impresión 3D con resina, y actualmente es el sector con mayor crecimiento y el que cuenta con un catálogo de materiales más amplio.

Las resinas dentales se pueden agrupar generalmente en cuatro categorías en función de su aplicación:

• Resinas para modelos dentales.
• Resinas para retenedores y férulas.
• Resinas para coronas y puentes temporales
• Resinas calcinables

Resinas para modelos dentales

Se trata de resinas que no están diseñadas para estar en contacto con el paciente. En general se emplean para la producción de modelos de pacientes sobre los que el profesional de la odontología o medicina puede trabajar con el fin de planificar intervenciones o para testar elementos como coronas o puentes. Son similares en composición a las resinas estándar y se busca principalmente que tengan una alta precisión y resolución, así como un bajo coste de producción.

Imagen 3: Modelo impreso en 3D con resina. Fuente: Uniz.com

También es importante en estas resinas que reúnan unas determinadas cualidades estéticas, distinguiendo dos grupos:

• Las resinas con un acabado mate, que faciliten la visualización y la fotografía de los modelos evitando en la mayor medida posible la aparición de reflejos. Entre este tipo de resinas destaca la resina Dental Model de Formlabs, con un acabado similar al yeso.
• Las resinas que proporcionan un aspecto realista, como la resina Dental Pink de Harzlabs.

Resinas para retenedores y férulas

Estas resinas están destinadas a la fabricación de retenedores y férulas, por lo tanto, además de poseer una biocompatibilidad de al menos clase IIa, deben presentar una excelente resistencia al desgaste y a la fractura.

Otra característica común es que suelen presentar una elevada transparencia, principalmente por cuestiones estéticas.

Video 2: Fabricación de férulas mediante impresión 3D de resina. Fuente: Formlabs.com

Además de para la producción de retenedores y férulas son muy usadas en la fabricación de guías quirúrgicas debido a su buena compatibilidad y a sus excelentes propiedades mecánicas. Algunos fabricantes como Formlabs incluyen una resina específica para esta aplicación como es la resina Dental Surgical Guide, que proporciona una mayor flexibilidad.

Imagen 4: Guias quirúrgicas impresas mediante SLA. Fuente: Formlabs.com

Es posible encontrar resinas desarrolladas para la producción de férulas y retenedores compatibles tanto con SLA como Formlabs Dental LT, como con DLP y LED-LCD como es el caso de Dental Clear de Harzlabs.

Resinas para coronas y puentes temporales

Se trata de resinas destinas a producir puentes, coronas, restauraciones y carillas temporales. Deben ser biocompatibles y proporcionar un acabado similar al de los dientes originales.

Para proporcionar este acabado en general se emplean componentes cerámicos y colorantes que proporcionen tonos dentro de la escala VITA.

Imagen 5: Muestrario de colores VITA. Fuente: vita-zahnfabrik

Una vez impresas, estas resinas pueden ser pulidas y matizadas con recubrimientos fotocurables para obtener el acabado idóneo a cada paciente.

Destacan la resina Temporary CB de Formlabs, disponible en cuatro tonos VITA (A2, A3, B1 y C2) y la resina Dental Sand de Harzlabs disponible en los tonos A1 y A2.

Resinas Calcinables

Resinas similares a las empleadas en joyería. En este caso, la necesidad de producir los mínimos residuos posibles es incluso más crítica.

Se emplean principalmente en la producción de modelos para la fabricación de implantes dentales mediante fundición. Destaca la resina Dental Cast de Harzlabs, con un residuo inferior al 0.1 %.

RESINAS DE INGENIERÍA

El sector industrial y de ingeniería siempre ha sido el más reacio a implementar la impresión 3D de resina. Esto se debe principalmente a que, a nivel mecánico y térmico, las resinas no pueden competir con los materiales de ingeniería disponibles para FDM o con las poliamidas empleadas en SLS.

Aunque esto sigue siendo cierto a día de hoy, en los últimos años los avances en materiales y la aparición de nuevas resinas de ingeniería, están acortando distancias entre las distintas tecnologías de impresión 3D. Entre las resinas de ingeniería podemos encontrar tres grupos:

• Resinas con propiedades mecánicas mejoradas
• Resinas con propiedades térmicas mejoradas
• Resinas flexibles y elásticas

Resinas con propiedades mecánicas mejoradas

Se trata de resinas desarrolladas con el objetivo de proporcionar una menor fragilidad y un mayor módulo que las resinas estándar. Mientras resinas estándar como la Harzlabs Basic Resin ofrece una resistencia a tracción de 20 MPa, las nuevas resinas de ingeniería como la Ultracur3D RG50 de BASF proporcionan una resistencia a tracción de hasta 68 MPa, tres veces superior. Esta resistencia a tracción es incluso superior a la proporcionada por los filamentos de ABS y cercana a materiales como el nylon reforzado con cargas.

También han aparecido resinas de ingeniería con otras propiedades específicas, como elevada resistencia al desgaste o resinas resistentes a impactos.

Imagen 6: Comparativa de resistencia al impacto de varias resinas Formlabs. Fuente: Formlabs.com

Entre las resinas con alta resistencia a impactos, destaca la línea Ultracur3D High Impact de BASF. Estas resinas proporcionan una resistencia a tracción de 50 MPa con una deformación a rotura del 56%, un módulo a flexión de 1700 MPa y una resistencia a impactos de 1.39 J/m². Lo que las convierte en ideales para la producción de componentes mecánicos y prototipos funcionales.

Imagen 7: Resina Ultracur3D RG35 de BASF. Fuente: forward-am.com

Resinas con propiedades térmicas mejoradas

La resistencia térmica siempre ha sido uno de los puntos débiles de las resinas para impresión 3D. En general, todas las resinas poseen temperaturas de reblandecimiento comprendidas entre los 50 ºC y los 80 ºC.

Imagen 8: Comparativa la temperatura de deflexión térmica de varias resinas Formlabs. Fuente: Formlabs.com

Actualmente la oferta de resinas para aplicaciones de alta temperatura es muy escasa, destacando principalmente la resina High Temp de Formlabs. Se trata de una resina capaz de soportar temperaturas de hasta 142 ºC una vez curadas (bajo una carga de 0.45 MPa). La principal ventaja de esta resina es que es posible incrementar su resistencia térmica hasta los 238 ºC aplicando un tratamiento térmico a las piezas consistente en un calentamiento a 60 ºC durante una hora y posteriormente a 160 ºC durante hora y media.

Resinas flexibles y elásticas

Uno de los principales hándicaps de las resinas para impresión 3D siempre ha sido su elevada fragilidad, una propiedad poco deseada en ingeniería. Es por esto que la aparición en los últimos años de resinas flexibles y elásticas ha supuesto una revolución.

Imagen 9: Comparación resina Flexible 80A y resina Elástica 50A. Fuente: FormLabs.

Actualmente existen múltiples opciones tanto para SLA como para LED-LCD. En SLA destacan las resinas Flexible 80A y Elástica 50A. La resina Flexible 80A es una resina con una elevada flexibilidad, que presenta una deformación a rotura del 120 % y una dureza 80 Shore A, mientras que la resina Elástica 50A es una resina con una buena elasticidad, una deformación a rotura del 160 % y una dureza 50 Shore A.

Sin embargo, uno de los saltos más importantes en este tipo de materiales es la nueva línea de resinas flexibles y elásticas de BASF. Se trata de resinas basadas en oligómeros de uretano acrilato, y que ofrecen la mayor flexibilidad y elasticidad entre las resinas disponibles actualmente. La resina BASF Ultracur3D FL300, por ejemplo, con una dureza de tan sólo 37 Shore A proporciona una deformación a rotura de hasta el 306 %.

Imagen 10: Resina Ultracur3D FL60 de BASF. Fuente: forward-am.com

En los últimos años, la oferta de materiales para impresión 3D de resina ha crecido exponencialmente, incluyendo nuevos materiales con propiedades que llegan a igualar e incluso en algunos casos a superar a las proporcionadas por termoplásticos para FDM. Esto, sumado a que la impresión 3D en resina proporciona una isotropía superior a la obtenida mediante FDM, hace que sea una opción viable en muchas aplicaciones industriales y de ingeniería.