Resinas avançadas para impressão 3D

Uma das principais barreiras que a impressão em resina 3D sempre teve quando implementada a nível industrial tem sido a limitada variedade de materiais disponíveis. Originalmente, os únicos materiais disponíveis eram resinas baseadas em oligómeros acrilatos, geralmente de baixo peso molecular, que se destacavam pela sua elevada fragilidade e fracas propriedades mecânicas e térmicas. Devido a isto, a impressão em resina 3D foi sempre relegada para segundo plano na produção de componentes funcionais e protótipos, em favor de tecnologias de impressão 3D de base termoplástica, tais como FDM ou SLS.

No entanto, nos últimos anos, isto mudou drasticamente. O aparecimento de novas resinas técnicas com propriedades avançadas e desenvolvidas especificamente para certas aplicações profissionais chamou a atenção de muitas indústrias para esta tecnologia. Combinada com o aparecimento de novas tecnologias de impressão 3D baseadas em resina, como o LED-LCD, que conseguiram reduzir os custos e aumentar significativamente a velocidade de impressão, esta é uma alternativa viável, que pode mesmo ultrapassar o FDM e o SLS em algumas áreas de aplicação.

Estas resinas técnicas podem ser classificadas em três grupos, dependendo do campo em que estão concentradas:

• Resinas de joalharia
• Resinas dentárias
• Resinas de engenharia

RESINAS DE JOALHARIA

A indústria da joalharia tem sido historicamente a primeira a implementar a impressão em resina 3D. Isto deve-se à alta resolução oferecida por esta tecnologia, capaz de produzir pequenos modelos à escala 1:1 com acabamentos de alta qualidade.

Imagem 1: Modelo de joalharia impresso em resina. Fonte: uniz.com

Embora as resinas padrão sejam amplamente utilizadas para a produção de modelos, o que significou um antes e um depois foi o aparecimento de resinas fundíveis ou "castables" de alta qualidade. Estas resinas destacam-se porque quase não deixam qualquer resíduo durante a calcinação, o que as tornou um substituto perfeito para os modelos de cera originalmente utilizados na fundição.

Graças a isto, é possível imprimir directamente a árvore de fundição, sem necessidade de fazer moldes para produzir os mestres de cera ou montar manualmente as árvores, o que reduz as etapas manuais e automatiza o processo.

Vídeo 1: preparação tradicional de uma árvore de cera. Fonte: greekerajewelry.com

Em geral, este tipo de resina pode incluir uma percentagem de cera líquida na sua composição que se destina a remover qualquer resíduo de cinzas, produzindo um molde limpo, adequado para uma fundição de qualidade. Uma maior percentagem de cera produzirá uma calcinação mais limpa, e com menos resíduos, no entanto, pode afectar a precisão da impressão. Além disso, este tipo de resina é normalmente caracterizado por um coeficiente de expansão muito baixo.

Existem actualmente múltiplas opções de resinas de queima de alta qualidade no mercado que são compatíveis com SLA, DLP ou LED-LCD. A combinação de baixo resíduo, baixa expansão térmica e alta precisão é realçada pelas resinas Formlabs "Castable Wax" com 20% de cera ou ZWax Purple com 10% de cera e compatível com as impressoras DLP e LED-LCD.

Imagem 2: Anel impresso com zWax Purple. Fonte: Uniz.com

RESINAS DENTALES

Juntamente com a joalharia, o sector dentário foi um dos primeiros a adoptar a impressão em resina 3D, e é agora o sector de crescimento mais rápido com a mais vasta gama de materiais.

As resinas dentárias podem geralmente ser agrupadas em quatro categorias, de acordo com a sua aplicação:

• Resinas para modelos dentários.
• Resinas para retentores e talas.
• Resinas para coroas e pontes temporárias
• Resinas queimáveis

Resinas para modelos dentários

Estas são resinas que não foram concebidas para estar em contacto com o paciente. São geralmente utilizados para a produção de modelos de pacientes nos quais o profissional dentário ou médico pode trabalhar a fim de planear intervenções ou testar elementos como coroas ou pontes. São semelhantes em composição às resinas padrão e destinam-se principalmente a ter uma alta precisão e resolução, bem como um baixo custo de produção.

Imagem 3: Modelo impresso em resina 3D. Fonte: Uniz.com

É também importante nestas resinas que tenham certas qualidades estéticas, distinguindo dois grupos:

• Resinas com um acabamento mate, que facilitam a visualização e fotografia dos modelos evitando ao máximo o aparecimento de reflexos. Entre este tipo de resina, destaca-se a resina Dental Model da Formlabs, com um acabamento semelhante ao reboco.
• Resinas que proporcionam uma aparência realista, tais como a resina Dental Pink da Harzlabs.

Resinas para retentores e talas

Estas resinas destinam-se ao fabrico de retentores e talas, pelo que, para além de terem pelo menos biocompatibilidade de classe IIa, devem ter uma excelente resistência ao desgaste e à fractura.

Outra característica comum é que normalmente apresentam uma elevada transparência, principalmente por razões estéticas.

Vídeo 2: Fabrico de talas utilizando a impressão de resina 3D. Fonte: Formlabs.com

Para além da produção de retentores e talas, são amplamente utilizados no fabrico de guias cirúrgicas devido à sua boa compatibilidade e excelentes propriedades mecânicas. Alguns fabricantes como a Formlabs incluem uma resina específica para esta aplicação, como a resina Dental Surgical Guide, que proporciona maior flexibilidade.

Imagem 4: Guias cirúrgicos impressos usando SLA. Fonte: Formlabs.co

É possível encontrar resinas desenvolvidas para a produção de talas e retentores compatíveis com SLA, tais como Formlabs Dental LT, bem como DLP e LED-LCD, tais como Dental Clear da Harzlabs.

Resinas para coroas e pontes temporárias

Estas são resinas utilizadas para produzir pontes, coroas, restaurações e folheados temporários. Devem ser biocompatíveis e fornecer um acabamento semelhante ao dos dentes originais.

Para fornecer este acabamento em geral, são utilizados componentes cerâmicos e manchas que fornecem tonalidades dentro da escala VITA.

Imagem 5: Tabela de cores VITA. Fonte: vita-zahnfabrik

Uma vez impressas, estas resinas podem ser polidas e tingidas com revestimentos fotopolimerizáveis para obter o acabamento ideal para cada paciente.

Destacam-se a resina Temporary CB  da Formlabs, disponível em quatro tonalidades VITA (A2, A3, B1 e C2) e a resina Dental Sand da Harzlabs, disponível nas tonalidades A1 e A2.

Resinas Calcináveis

Resinas semelhantes às utilizadas na joalharia. Neste caso, a necessidade de produzir o mínimo possível de resíduos é ainda mais crítica.

São utilizadas principalmente na produção de modelos para o fabrico de implantes dentários por fundiçao. Destaca-se a resina Harzlabs Dental Cast, com um resíduo inferior a 0,1 %.

RESINAS DE ENGENHARIA

O sector industrial e de engenharia foi sempre o mais relutante em implementar a impressão em resina 3D. Isto deve-se principalmente ao facto de, a nível mecânico e térmico, as resinas não poderem competir com os materiais de engenharia disponíveis para o FDM ou as poliamidas utilizadas no SLS.

Embora isto ainda hoje seja verdade, nos últimos anos, os avanços nos materiais e o surgimento de novas resinas de engenharia estão a fechar o fosso entre as diferentes tecnologias de impressão 3D. Existem três grupos de resinas de engenharia:

• Resinas com propriedades mecânicas melhoradas
• Resinas com propriedades térmicas melhoradas
• Resinas flexíveis e elásticas

Resinas com propriedades mecânicas melhoradas

Estas são resinas desenvolvidas com o objectivo de proporcionar menor fragilidade e maior módulo do que as resinas padrão. Enquanto as resinas padrão como a Harzlabs Basic Resin oferecem uma resistência à tracção de 20 MPa, as novas resinas de engenharia como a Ultracur3D RG50 da BASF fornecem até 68 MPa, três vezes a resistência à tracção. Esta resistência à tracção é ainda superior à fornecida pelos filamentos de ABS e próxima de materiais como o nylon reforçado com carga.

Também apareceram resinas de engenharia com outras propriedades específicas, tais como resinas de alta resistência ao desgaste ou resistentes ao impacto.

Imagem 6: Comparação da resistência ao impacto de várias resinas de Formlabs Fonte: Formlabs.com

Entre as resinas com alta resistência ao impacto, destaca-se a linha BASF Ultracur3D High Impact. Estas resinas fornecem uma resistência à tracção de 50 MPa com uma deformação de ruptura de 56%, um módulo de flexão de 1700 MPa e uma resistência ao impacto de 1,39 J/m2. Isto torna-os ideais para a produção de componentes mecânicos e protótipos funcionais.

Imagem 7: Resina BASF Ultracur3D RG35. Fonte: forward-am.com

Resinas com propriedades térmicas melhoradas

A resistência térmica sempre foi um dos pontos fracos das resinas de impressão 3D. Em geral, todas as resinas têm temperaturas de amolecimento entre 50°C e 80°C.

Imagem 8: Comparação da temperatura de deflexão de calor de várias resinas Formlabs. Fonte: Formlabs.com

Actualmente, o fornecimento de resinas para aplicações a altas temperaturas é muito limitado, sendo a resina High Temp da Formlabs a mais importante. Trata-se de uma resina capaz de suportar temperaturas até 142 ºC uma vez curada (sob uma carga de 0,45 MPa). A principal vantagem desta resina é que é possível aumentar a sua resistência térmica para 238 ºC, aplicando um tratamento térmico às peças que consistem num aquecimento a 60 ºC durante uma hora e depois a 160 ºC durante uma hora e meia.

Resinas flexíveis e elásticas

Uma das principais desvantagens das resinas de impressão 3D sempre foi a sua elevada fragilidade, uma propriedade não desejada na engenharia. É por isso que o aparecimento nos últimos anos de resinas flexíveis e elásticas tem sido uma revolução.

Imagem 9: Comparação entre a resina Flexible 80A e a resina Elastic 50A Fonte: FormLabs.

Actualmente existem múltiplas opções tanto para SLA como para LED-LCD. Em SLA, destacam-se as resinas Flexible 80A e Elastic 50A. Flexível 80A é uma resina com uma alta flexibilidade, que apresenta uma deformação de ruptura de 120 % e uma dureza de 80 Shore A, enquanto que o Elástico 50A é uma resina com uma boa elasticidade, uma deformação de ruptura de 160 % e uma dureza de 50 Shore A.

No entanto, um dos mais importantes avanços neste tipo de material é a nova linha de resinas flexíveis e elásticas da BASF. Estas são resinas baseadas em oligómeros uretano-acrilatos, que oferecem a maior flexibilidade e elasticidade entre as resinas actualmente disponíveis. A resina BASF Ultracur3D FL300, por exemplo, com uma dureza de apenas 37 Shore A, proporciona uma deformação de ruptura de até 306 %.

Imagem 10: Resina BASF Ultracur3D FL60. Fonte: forward-am.com

Nos últimos anos, o fornecimento de materiais para impressão de resina 3D tem crescido exponencialmente, incluindo novos materiais com propriedades que coincidem e mesmo, em alguns casos, excedem as fornecidas pelos termoplásticos para FDM. Isto, aliado ao facto de a impressão em resina 3D fornecer isotropia superior à FDM, torna-a uma opção viável em muitas aplicações industriais e de engenharia.