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By Zachary Zguris, PhD

formlabs.com

LIBRO BLANCO DE FORMLABS

Cómo se ven Afectadas las Propiedades Mecánicas de Impresiones 3D de Esteriolitografía mediante la Curación UV

LIBRO BLANCO DE FORMLABS: Cómo se ven Afectadas las Propiedades Mecánicas de Impresiones 3D de Esteriolitografía mediante la Curación UV 2

RESUMEN

Se investigó a fondo el post-curado de las piezas impresas con las resinas Formalbs mediante las

impresoras Form 1+ y Form 2. A partir de los resultados, podemos recomendar procedimientos de post-

curado para las resinas Calcinable, Standard y Tough, los cuales proporcionan las mejores propiedades

mecánicas. En todos los casos, mediante una fuente de luz de 405 nm durante el proceso de post-curado,

las propiedades son superiores que las que se obtienen mediante un proceso equivalente de menor

longitud de onda de luz, como por ejemplo 365nm. En contra de la creencia común de que se obtienen

resultados con mejores propiedades cuanta más cantidad de luz se incide a la pieza durante la curación

posterior a la impresión, se ha determinado que el flujo óptimo de luz necesario para obtener las máximas

propiedades mecánicas de una pieza impresa durante el post-curado es de 1,25 mW/cm2. Se demostró

que el post-curado a temperaturas más altas da como resultado un tiempo de curado completo menor.

Además, las temperaturas más altas proporcionan propiedades mecánicas mayores. En este documento se

proporciona una lista completa de los tiempos y las temperaturas de post-curado recomendados para

todas las resinas Formlabs.

INTRODUCCIÓN

Anteriormente a este trabajo, han habido pocos estudios científicos sobre el curado de piezas impresas

mediante impresoras de escritorio Formlabs SLA 3D. La línea de resinas SLA de Formlabs incluye una serie

de Resinas Standard: Clear, White, Grey and Black. Además de la familia de Resinas Standard, Formlabs

ofrece Resinas Funcionales: Tough, Castable y Flexible. Cada una de estas resinas es una afinada

formulación patentada que fue desarrollada y fabricada desde cero para trabajar con las impresoras Form 1,

Form 1+ y Form 2 SLA 3D. Estas tres máquinas utilizan un láser de 405 nm y todas las resinas Formlabs se

adaptan a esta longitud de onda.

Otros fabricantes de resinas de impresión SLA 3D diseñan sus productos para su uso con diferentes

longitudes de onda, químicas y procesos de impresión. Los procedimientos de post-curdo recomendados

para otras marcas de resinas de impresión en SLA 3D no son adecuados para obtener los mejores

resultados con las resinas Formlabs. Hasta la fecha, la recomendación de Formlabs para el post-curado de

impresiones se basa en las prácticas de post-curado aceptadas generalmente en la industria.

Tras darnos cuenta de que cada una las resinas Formlabs tiene una formulación única diseñada para

trabajar específicamente con nuestras impresoras, nos propusimos estudiar en detalle el proceso de post-

curado con el único objetivo de desarrollar los mejores procesos de post-curado posible para nuestros

usuarios. Con este fin, se estudiaron los efectos de los parámetros del proceso de post-curado

(temperatura, longitud de onda, tiempo y flujo de radiación) en las propiedades mecánicas de las

impresiones realizadas mediante impresoras y resinas Formlabs.

EXPERIMENTACIÓN

Los experimentos fueron diseñados para determinar el efecto individual de cada uno de los parámetros del

proceso post-curado (temperatura, longitud de onda, tiempo y flujo de radiación). A su vez, los montajes

experimentales fueron diseñados para eliminar todas aquellas variables que no fuesen la específica a

estudiar en cada grupo de experimentos.

En el mismo aparato experimental fueron realizados los tests de tiempo, temperatura y longitud de onda, se

muestran en la Figura 2. Este aparato de curado (CSA) del estudio se compone de un disipador de calor con

una matriz de 10W LED soportado a una distancia fija de las barras de tracción de muestra situadas en un

soporte acrílico transparente sobre una superficie reflectante de aluminio. Un ventilador sopla continuamente

sobre las muestras para mantener constante e uniforme la temperatura de la muestra. El marco de la CSA es

una estructura abierta para facilitar el movimiento del aire encima de las muestras. Este establece la matriz de

LED en una posición central y a una distancia fija de 90mm por encima las muestras. Un soporte acrílico para

muestras posiciona cada cuatro muestras de tracción para eliminar la posible variación de la posición. Se

verificó la uniformidad de la luz que incidía sobre el soporte de la muestra. No se encontraron variaciones en

las propiedades mecánicas de las muestras debido a su ubicación. El equipo adicional utilizado consistía en

un registrador de datos termoeléctrico de cuatro-canales de Tipo K (Computación de Medición modelo USB-

TC) y un controlador de temperatura Auber-WS PID del horno CADCO XAF013.

Para las muestras experimentales se utilizaron las barras de tracción ASTM D638 tipo IV impresas

mediante la Form 1+ y la Form 2. En todos los datos presentados, a menos que se indique lo contrario, las

muestras se han impreso usando la Resina Clear V2 y a una altura de capa de 100-µm. Las muestras se

orientaron manualmente a 45 grados en la dirección del eje X y 0 grados en la dirección del eje Y. Los

soportes se editaron cuidadosamente mediante el programa PreForm para eliminar cualquier defecto en

la región del cuello causado por los puntos de apoyo y contacto. La orientación utilizada para imprimir la

barra de tracción se ilustra en la Figura 1.

Todas las especificaciones mecánicas fueron adquiridas mediante una máquina universal de ensayos

(Transmisor de fuerza Modelo 500LB, célula de carga modelo SM-500-294, extensómetro axial Epsión

Technology Corp. Modelo 3542-0100-050-ST). Las barras de tracción ASTM D638 se han usado como

parte estándar impresa en toda esta investigación. En todos los gráficos, las barras de error informan de la

desviación estándar de la media de cuatro muestras.

Figura 1: Orientación PreForma de las barras de tracción ASTM Tipo IV


El flujo de 405 nm para los experimentos se llevó a cabo en una cámara de ensayo de curado (TCC)

separada y construida específicamente para el estudio e investigación adicional del post-curado. La TCC

fue construida para permitir el control de la cantidad de luz de 405 nm a la que fueron expuestas las

muestras de ensayo durante el post-curado. Este segundo aparato consiste en una cámara aislada con

múltiples fuentes de luz, un calentador de convección, control de temperatura, control de tiempo, y un

soporte para ubicar las muestras como se muestra en la Figura 3. El TCC permite el control de una a cuatro

matrices de LED de 10W, además de un disco de estrella LED de 3.2W. Este aparato se utilizó para

determinar los efectos sobre las propiedades mecánicas de las piezas durante el post-curado provocados

por diferentes potencias radiantes al incidir sobre la superficie de estas.

Figura 2: Aparato para Estudiar la Curación

Figura 3: Cámara de Post-Curado Utilizada para los Experimentos del Flujo de Radiación


Las fuentes de luz consistían en fuentes de luz de LED de 10W de la empresa Shenzhen Yonton Opto con

tres longitudes de onda de salida diferentes (365 nm, 385 nm y 405 nm). Debido a que no era fácil

controlar la potencia luminosa de cada matriz, la potencia de entrada en la matriz de LED se fijó y se

mantuvo constante mediante un controlador de LED comercial (controlador Shenzben Yonton Opto

modelo: 10W[3x3]). Cada matriz de LED se alimentaba de la misma fuente de alimentación constante de

10W en corriente continua. Todos estos componentes eran de un único proveedor. Cada chip era

idéntico de forma y de potencia de entrada. Además de las tres matrices de LED, también se investigó el

efecto de una radiación de 9W a 365 nm de una bombilla UV fluorescente (UV-9W 365 nm). El

espectrómetro Thorlabs UV-Vis (modelo: CCS100) se utilizó para cuantificar la longitud de onda producida

por cada fuente de luz. Para cuantificar el flujo se utilizó un potenciador óptico de mano Thorlabs y una

consola para medir la energía (modelo: PM100D) integrada con una esfera de diámetro de 5 mm (modelo:

S140C).

TABLA 1: FUENTES DE LUZ DE SALIDA MEDIDAS

Power (mW)

405 406.9 3.41

385 389.2 1.61

365 368.1 1.17

Fluorescent 365 366 0.923

Longitud de onda máxima (nm)

Longitud de onda de matriz (nm)

En la Tabla 1 se resume la evaluación de las fuentes de luz. Los resultados verifican que cada fuente de

luz produce una luz lo suficiente cercana a la longitud de onda especificada pero con diferentes

eficiencias para la misma potencia de entrada de 10W. De la figura 4 hasta la 7 se muestran los espectros

obtenidos por cada fuente de luz. Las matrices de LED producen picos similares pero ligeramente por

encima del valor nominal especificado para la matriz. La bombilla fluorescente de 9W UV muestra un pico

más ancho alrededor de los 365 nm además de la superposición esperada del Mercurio.

Figura 4: Espectro de una Matric de 10W a 365 nm Figura 5: Espectro de una Matriz de 10W a 385 nm


RESULTADOS Y DISCUSIONES

Nuestro estudio del efecto de tres longitudes de onda (365 nm, 385 nm y 405 nm) sobre las

propiedades mecánicas de piezas impresas durante el proceso de post-curado mostró una clara

diferencia. Los resultados de estos experimentos se muestran en las Figuras 8 y 9.

Figura 6: Espectro de una Matriz de 10W a 405 nm Figura 7: Espectro de una Bombilla Fluorescente de 9W a 365 nm

Figura 8: Efecto de la Longitud de Onda del Post-Curado sobre la Resistencia a la Tracción de la Resina Clear V2


Figura 9: Efecto de la Longitud de Onda del Post-Curado sobre el Módulo de la Resina Clear V2

Nos encontramos que el mejor módulo y la mejor resistencia a la tracción se obtenían mediante un post-

curado con una fuente de luz de 405 nm. Mediante un post-curado de una pieza durante 120 minutos a

44ºC, el módulo a 365 nm es sólo el 67% del que se obtiene a 405 nm. Se observa como hay una

diferencia significativa en las propiedades del post-curado en cada una de las longitudes de onda,

especialmente cuando el post-curado es de corta duración. Esto no es sorprendente ya que las resinas

Formalbs están diseñadas para trabajar con las impresoras Form 1, Form 1+ y la Form 2, las cuales usan el

laser a 405 nm. Aunque las fuentes de luz de 365 nm y 385 nm producen durante el post-curado un

módulo y una resistencia a la tracción superior a la que tienen las muestras no curadas “verdes” que se

muestran a t=0, ninguna se acerca a las propiedades obtenidas durante el post-curado con una fuente de

luz de 405 nm.

Figura 10: Efecto de la Temperatura del Post-Curado sobre la Resistencia a la Tracción de la Resina Clear V2


El efecto de la temperatura en el módulo de post-curado y la resistencia a la tracción final en piezas

impresas con la Resina Formlabs Clear V2 se presentan en las Figuras 10 y 11, respectivamente. Con el

aumento de la temperatura del post-curado, el tiempo es más corto para llegar a alcanzar el estado

completo de post-curado en el que el material ha alcanzado las máximas propiedades mecánicas posibles

a esa temperatura. Además de un aumento de la tasa de curación, el máximo alcanzable del módulo y la

resistencia a la tracción aumenta con la temperatura. Una temperatura de post-curación más alta no sólo

proporciona un estado de curado completo más rápido, sino que también produce un estado completo de

curado con propiedades mecánicas más altas.

Figure 11: Efecto de la Temperatura del Post-Curado sobre el Módulo de la Resina Clear V2

POTENCIA DE RADIACIÓN

Durante la investigación del efecto que produce la cantidad de luz durante el post-curado en las

propiedades mecánicas resultó con el descubrimiento de que hay un valor óptimo de flujo de 405 nm que

produce las mejores propiedades mecánicas. Los experimentos se realizaron post-curando muestras a

diferentes niveles de flujo de radiación. Cada uno de los niveles de exposición del flujo incidente se

cuantificó usando una esfera de integración de 5 mm. Los datos del flujo incidente medidos se presentan en

la Figura 12. Esto demuestra que hay un módulo máximo desarrollado mediante una exposición en el

intervalo aproximado de 1.25 mW/cm2.

En la Figura 12 se muestra el efecto que produce la potencia de radiación sobre el modulo de muestras de

Resina Cler V2 con una geometría controlada post-curadas mediante una exposición de 60 min a 60ºC con

una luz de 405 nm. La potencia de radiación óptima que produce el máximo de módulo y resistencia a la

tracción es de 1.25 mW/cm2. Este es el flujo generado por una única matriz LED de 10W en el TCC. Cuando

la potencia de radiación disminuye por debajo de este nivel, no hay suficiente luz para obtener un post-

curado correcto, y en consecuencia las propiedades mecánicas disminuyen. También se obtienen

propiedades mecánicas inferiores con el uso de un flujo mayor. Esto es contrario a la intuitiva suposición de

que cuanta más luz, mejor es el post-curado de las piezas.



Figura 12: Potencia Medida a 405 nm frente al Módulo de la Clear V2 (60 ºC durante 60 min)

Básicamente esto se puede explicar en base a las reacciones radicalarias de iniciación, propagación y

terminación. Además, también juega un papel importante la limitada movilidad de la cadena de la red de

polímero reticulado1. Un flujo alto generará un gran número de radicales. Éstos generan más probabilidades

de encontrarse unos a otros y morir antes de poder ver a un doble enlace en la cadena sin reaccionar2. Los

resultados de la investigación de los efectos de la temperatura sobre el post-curado implican que la

movilidad de los dobles enlaces sin reaccionar es una condición limitante en la conversión global de los

dobles enlaces. La propagación de radicales en la cadena cinética está limitada espacialmente por la unión

de la cadena principal en la red de polímero reticulado de la parte impresa2. Vemos que este equilibrio entre

la iniciación mediante un flujo radiante y la movilidad de la cadena cinética proporciona la obtención de las

máximas propiedades aproximadamente a 1.25 mW/cm2. En los niveles de exposición por encima y por

debajo de este valor óptimo, hay una disminución del módulo de la parte curada. Durante el diseño de una

cámara de curado, este valor de 1.25 mW/cm2 debe ser utilizada para lograr las mejores propiedades

posibles de post-curado.

En los niveles de exposición por encima y por debajo de este valor óptimo, hay una disminución del módulo

de la parte curada. Durante el diseño de una cámara de curado, este valor de 1.25 mW/cm2 debe ser

utilizada para lograr las mejores propiedades posibles de post-curado.


RESINA TOUGH

De igual manera que con las Resinas estándar Formalbs, se logra el mejor resultado de post-curado de la

Resina Tough de Formlabs calentando y usando una fuente de luz de 405 nm como se muestra en las

Figuras 13 y 14. Hay que tener en cuenta que la Resina Tough tiene una temperatura de deformación

térmica de aproximadamente 43ºC a 66 psi. Durante el post-curado a temperaturas altas, estando a 43ºC o

por debajo, se minimizará la distorsión y la deformación de la pieza impresa en 3D. La Resina Tough está

completamente post-curada en tan solo 30 minutos a 44ºC, con un tiempo de post-curado más largo la

ganancia de las propiedades es poca, se mejora tan solo el 5% en el módulo con 90 minutos adicionales.

Este tiempo de post-curado más corto es probablemente debido a que la matriz del polímero es más

flexible lo que hace que la Resina Tough sea más dura que las Resinas Estándar.

Figura 13: Resistencia a la tracción de la Resina Tough en relación al Tiempo de Post-Curado

Figura 14: Módulo de la Resina Tough en relación al Tiempo de Post-Curado


RESINA CASTABLE

El post-curado de la Resina Castable al inicio muestra un rápido aumento en las propiedades mecánicas,

similar a la Resina Tough. A diferencia de la Resina Tough, esta continúa más allá de los 30 minutos para

seguir con la cura. Hay un aumento muy grande entre las propiedades mecánicas obtenidas después del

pos-curado y las propiedades mecánicas en estado verde. Este orden de magnitud en el aumento de las

propiedades es una buena razón para post-curar todas las piezas impresas con la Resina Castable antes

de usarlas en un proceso de fundición de precisión. El post-curado de la Resina Castable dará mejores

resultados en el proceso de fundición. Las piezas post-curadas serán más fuertes i rígidas, por lo tanto

menos propensas a deformarse durante la fabricación del molde.

Figura 15: Resistencia a la Tracción de la Resina Castable en relación al Tiempo de Post-Curado

Figura 16: Módulo de la Resina Castable en relación al Tiempo de Post-Curado


http://link.springer.com/book/10.1007/BFb0025901

http://link.springer.com/bookseries/12

LA LÁMPARA DE CURADO DE UÑAS frente al POST-CURADO CALENTADO 405 NM

Una lámpara de curado de uñas también cura correctamente las piezas impresas. Las lámparas de curado

de uñas recomendadas por Formlabs usan bombillas fluorescentes que producen luz a 365 nm y también

calientan eficazmente la cámara. La luz de 365 nm es correctamente absorbida por la resina, además de

calentar las piezas mientras se realiza el post-curadas. Experimentalmente se ha determinado que las

propiedades máximas que puede obtener la Resina Clear V2 después de estar expuesta durante 120

minutos en una lámpara de curado de uñas es del 92% respecto a las obtenidas durante el curado en el

mismo periodo de tiempo en condiciones de 405 nm a 60ºC en la TCC. Una clara diferencia entre las

propiedades de estos dos procedimientos es la resistencia al impacto, las muestras curadas en una

lámpara de uñas tienen sólo un 62% de resistencia al impacto con respecto a muestras post-curadas a

405 nm y 60ºC. Esto demuestra que una lámpara de uñas es una forma eficaz para post-curar las resinas

Formlabs, pero si usted necesita crear piezas con las máximas propiedades, debe considerar usar una

cámara de curado que disponga de control de temperatura de calefacción y una fuente de luz de 405 nm.

CONCLUSIONES

Los resultados muestran claramente que las propiedades mecánicas de las piezas impresas con las resinas

Formlabs mediante las impresoras Form1+ y la Form 2 se maximizan durante el post-curado mediante el uso

del aumento de la temperatura y una fuente de luz de longitud de onda de 405 nm. Esto no es

sorprendente, ya que las resinas Formlabs están diseñadas para trabajar únicamente con las impresoras

Formlabs, las cuales usan láseres a 405 nm durante el proceso de impresión 3D. La temperatura del post-

curado se debe de limitar según las especificaciones de cada resina (HDT), lo que significa 60ºC para las

resinas Standard de Formlabs y una temperatura de 45ºC para las Resinas Tough, Flexible y Castable.

Hemos aprendido que el valor del flujo incidente en la cámara de post-curado debe estar en el rango de

1.25 mW/cm2 para lograr las mejores propiedades mecánicas posibles. Por último, se determinó el tiempo

necesario para obtener piezas de Resinas Standard, Tough y Castable “totalmente” post-curadas a la

temperatura de post-curado recomendada. Los parámetros de tiempo y temperatura del post-curado

recomendados se enumeran en la Tabla 2. Piezas con mayor espesor, voluminosas y sólidas requieren un

mayor tiempo que las recomendaciones que figuran es esta tabla ya que son más lentas de calentar y

alcanzar la temperatura adecuada.

REFERENCIAS

[ 1 ] J. G. Kloosterboer, Network Formation by Chain Crosslinking Photopolymerization and its Applications in

Electronics, Electronic Applications Volume 84 of the series Advances in Polymer Science, Springer Berlin

Heidelberg 1988, pp 1–61

[2] N. Decker, Kinetic Study and New Applications of UV Radiation Curing, Macromolecular Rapid Communications,

2002, 23, No. 18, pp 1067–1093

[3] M. Rubinstein, R.H. Colby, Polymer Physics (Oxford Univ. Press, New York, 2009), Chap. 6

TABLA 2: PARÁMETROS DE POST-CURADO A 405 NM RECOMENDADOS

PARA LAS RESINAS FORMLABS SLA

Resina Temperatura (ºC) Tiempo (min)

Standard Resins 60 60

Castable 45 120

Tough 45 30

Flexible 45 60

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