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¿Qué significan las propiedades de una resina o una pieza impresa en 3D?

Hay muchos materiales de resinas disponibles en el mercado, todos con diferentes propiedades mecánicas y precios. En contraste con FDM, donde el filamento de polímero se usa de un material conocido con ciertas propiedades mecánicas, las impresoras 3D SLA, DLP y LCD usan resinas donde las propiedades mecánicas se obtienen por la composición química de la resina. Debido a la diferencia en la composición química de la resina, las propiedades mecánicas (características del material) son muy importantes y ayudarán a comparar diferentes resinas. Las propiedades mecánicas pueden ayudarlo a elegir la resina adecuada para su aplicación. En muchos casos, los proveedores de resinas de impresión 3D proporcionan un conjunto de propiedades mecánicas para cada material. ¿Qué significan estas propiedades mecánicas y cómo se relacionan con su aplicación? Este artículo dará una idea del significado de las propiedades mecánicas y responderá a las preguntas sobre estas propiedades.

Para explicar el significado de las propiedades mecánicas, el ejemplo de los datos técnicos (del TDS de Liqcreate Strong-X se discute. La siguiente tabla mostrará los datos técnicos de Liqcreate Strong-X:

 

Liqcreate Strong-X Propiedades técnicas, resina técnica, propiedades mecánicas, tracción, flexión

 

Propiedades liquidas

La primera parte de los datos técnicos de un material le dirá más sobre las propiedades del líquido. La apariencia dará más información sobre el color y el estado físico del material. En el caso de las resinas, el estado físico siempre debe ser líquido.

¿Cuáles son los valores de Ec y Dp?

Todos Liqcreate Las resinas son resinas de impresión 3D curables con UV, lo que significa que tienen una reactividad específica a la luz. Esta reactividad controla cómo se comportan las resinas en la impresora. Los parámetros específicos sobre su reactividad son la Energía Crítica (Ec) y la Profundidad de Penetración (Dp), dos valores que se pueden encontrar para todos Liqcreate materiales en su correspondiente Ficha Técnica. Estos dos valores son valores derivados empíricamente basados ​​en mediciones utilizando una impresora 3D.

La reactividad a la luz se mide exponiendo las resinas con diferentes dosis de energía (Exposición), en la mayoría de los casos esto se controla aumentando el tiempo de exposición en la impresora 3D. Luego, se mide el espesor de la capa de la resina curada y se representa frente a la entrada de energía correspondiente, como se ve en la figura a continuación.

Debido a que la resina absorberá la luz y usará su energía para iniciar la reacción de solidificación, la profundidad de curado siempre será finita, lo que generará una correlación logarítmica entre la exposición y la profundidad de curado, una curva típica se muestra en la figura anterior. [ 10 ]

La curva (curva de trabajo) es una representación visual de la correlación entre la impresora y la resina y en base a esto se deriva una correlación matemática, como se muestra en la fórmula 1 con:

Cd = Profundidad de curado [mm] (espesor de capa)
Dp = Profundidad de penetración [mm] (pendiente de Cd vs LogExp)
Ec = Energía Crítica [J/mm2] (la cantidad mínima de energía requerida para formar una capa sólida)

Cd = Dp • Entrada (Exp) + Ec

Y donde Exp = exposición [J/m2], que es función del tiempo de exposición calculado como se muestra en la fórmula 2, con:

t = Tiempo [s] (tiempo de iluminación)
Irr = Irradiancia [W/m2] (potencia de la fuente de luz)

Exp = t • Irr

Hasta aquí la parte técnica sobre el comportamiento de curado, pero ¿cómo describen estos parámetros el comportamiento de las resinas en una impresora 3D desde un punto de vista más práctico?

La profundidad de penetración (Dp) muestra una sensibilidad de los materiales a los cambios en la salida de luz, lo que significa que un material con un Dp más bajo tiene un mejor rendimiento cuando se somete a variaciones en el tiempo de exposición/potencia de la fuente de luz, mientras que un material con un Dp más alto, es más probablemente un material de impresión más rápido pero también más sensible a fallas en las desviaciones en la salida de luz. Mientras que parece que es preferible una resina de impresión más rápida, una resina menos sensible es más útil, debido a la alta probabilidad de cambios en la salida de luz debido a la falta de limpieza adecuada y la degradación de la fuente de luz.

La energía crítica (Ec) es un valor de la cantidad mínima de energía requerida para formar una capa sólida y, por lo tanto, la cantidad mínima de energía requerida para la impresión 3D.

Estos valores se derivan de mediciones prácticas, lo que significa que pueden variar cuando los parámetros dentro de la medición cambian, como la temperatura y la longitud de onda.

¿Qué otras propiedades líquidas son importantes?

La viscosidad y la densidad del material darán información sobre el líquido en sí. Una mayor viscosidad significa una resina más espesa. Esto tiene un efecto sobre el reflujo del polímero y sobre los movimientos de la plataforma. Si conoce el volumen de su modelo 3D y la densidad del material que seleccionó, puede calcular fácilmente el peso de su modelo impreso en 3D.

Propiedades del polímero

Después de tomar nota de las propiedades del líquido, la siguiente información le brindará más información sobre las propiedades mecánicas del polímero. Las propiedades mecánicas son propiedades de los materiales que dan una idea de cómo se comportan los materiales bajo tipos específicos de tensión mecánica. Se pueden aplicar muchos tipos diferentes de tensión para determinar las propiedades mecánicas, que generalmente se pueden dividir en tres tipos que se usan más comúnmente en la industria de polímeros, tensión, compresión y tensión de impacto.

Resistencia a la tracción, módulo joven y elongación

La prueba de tracción se utiliza para medir el rendimiento de un material bajo tensión de tensión lineal, lo que en resumen significa lo que sucede si tira del material. La prueba se realiza aplicando tensión a una muestra de prueba específica, como se ve en la figura 1. Por lo general, se usan muestras de prueba con forma de hueso de perro en las que las partes anchas se usan para sujetar la muestra y las fuerzas se aplican a la parte más pequeña de la muestra. .

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Figura 1: Prueba de propiedades mecánicas en dirección de tracción.[ 1 ]

En esta prueba, el material se estira hasta que se rompe y durante este proceso se mide la cantidad de fuerza contra la cantidad de tensión aplicada a la muestra y se representa en una curva. En la figura 2 se muestra una curva típica. Estas curvas muestran el "comportamiento" de los materiales y se utilizan para determinar una variedad de propiedades mecánicas.

Figura 2: Curva típica de tensión-deformación para ensayos de tracción con A: medida del módulo de tracción; B; límite elástico; C: Resistencia a la tracción y D: la maxmínima cantidad de tensión antes de la falla.[ 2 ]

Todos Liqcreate Los materiales se prueban de esta manera para determinar las siguientes propiedades mecánicas:

  • Resistencia a la tracción: La cantidad más alta de tensión antes de la falla, medida como se ve en la Figura 2. Por lo general, esto significa que el material con una mayor resistencia a la tracción puede soportar más fuerza antes de romperse.
  • Alargamiento a la rotura: La cantidad de material que se estira como un porcentaje de la longitud original. Medido por la cantidad total de deformación antes de la falla.
  • Módulo joven: Una medida de la rigidez de un material, un módulo más alto significa un material más rígido. El módulo de Young se mide midiendo la relación entre la tensión y la deformación (pendiente) en la parte lineal de la curva.

¿Cómo se relacionan las propiedades mecánicas de tracción con su proyecto?

En cuanto al campo de aplicación, las propiedades de tracción muestran características para cada material. Dependiendo de cuál se puede elegir el material más adecuado. Por lo general, los materiales quebradizos muestran muy poca tensión, pero pueden manejar altos niveles de tensión, lo que significa que estos materiales muestran muy poca deformación cuando se aplica tensión y mantienen su forma y forma hasta la rotura. Para materiales más blandos/flexibles, muestra que la cantidad total de tensión que pueden manejar es menor porque se deforman cuando se aplica tensión, pero es menos probable que se rompan cuando se aplica una tensión limitada. En la mayoría de los materiales es un compromiso entre resistencia/módulo y elongación. Por lo tanto, es importante saber cuál es la influencia de cada una de estas propiedades en su proyecto.


Figura 3: Comportamiento de diferentes tipos de materiales durante el ensayo de tracción.

Resistencia a la flexión y módulo de flexión

La resistencia a la flexión y el módulo de flexión generalmente se prueban en el mismo equipo de prueba que las propiedades de tracción. Para esta prueba se realiza una prueba de flexión de 3 puntos. Una muestra rectangular se coloca en dos puntos de fijación y se aplica una carga entre estos puntos en la dirección opuesta, una vista esquemática se muestra en la Figura 4.


Figura 4: Vista esquemática de la prueba de flexión de 3 puntos.[ 3 ]

La deformación de la muestra se mide contra la fuerza aplicada, lo que lleva a una curva similar a la que se encuentra con las pruebas de tracción. La principal diferencia entre el ensayo de flexión y el ensayo de tracción es que en el ensayo de tracción se aplica una tensión lineal y en el ensayo de flexión se aplica una combinación entre las fuerzas de tracción y compresión, mostrando un comportamiento diferente de los materiales. Esto se muestra en la figura 4.


Figura 5: Izquierda, curva típica de prueba de flexión; Derecha) mapa de calor de tensión aplicada durante una prueba de flexión de 3 puntos donde en verde el material está sujeto a fuerzas de compresión y en rojo la muestra está sujeta a fuerzas de tracción.[ 4 ]

Esta prueba se utiliza en general para determinar dos propiedades mecánicas:

  • Fuerza flexible: Mayor cantidad de fuerza que el material puede soportar antes de fallar.
  • Módulo de flexión: Una medida de la rigidez del material, considerada como una relación entre la fuerza aplicada y la deformación en la región elástica.

¿Cómo se relacionan las propiedades de flexión con su proyecto?

La resistencia a la flexión y el módulo de flexión pueden ser propiedades importantes para seleccionar un material para su proyecto, especialmente cuando su proyecto requiere un material que funcione bien bajo fuerzas de compresión. Materiales de alta resistencia y alto módulo como Liqcreate Strong-X, con una resistencia a la flexión de 135 MPa y un módulo de flexión de 3,25 GPa se comportan excelentemente bajo tensión. La desventaja de estos materiales suele ser un menor alargamiento e impacto, en comparación con los materiales más flexibles.

¿Qué significa la resistencia al impacto IZOD en relación con las piezas impresas en 3D?

La medición de impacto Izod es un método para medir la resistencia al impacto de un material. En esta prueba, se aplica una fuerza de impacto a una muestra con muesca específica, como se ve en la figura 5 a continuación, el tamaño y la forma de la muestra varían para diferentes tipos de materiales, por ejemplo, plásticos, cerámica o metales. La fuerza de impacto es aplicada por un martillo sobre un péndulo, donde la fuerza de impacto está determinada por la altura de la caída, el peso del martillo y la longitud del péndulo.[5] [6]


Figura 6: Representación esquemática de la prueba de impacto IZOD.

En la prueba de impacto Izod se conoce la cantidad de energía aplicada por el martillo y se mide la cantidad de fuerza absorbida por el material. Por lo tanto, la resistencia al impacto es el método más utilizado para probar la tenacidad de un material de resina, ya que la tenacidad se define como la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente antes de fallar.

Hay muchos materiales de resina disponibles y, a menudo, para los usuarios es difícil identificar si una resina es útil para su proyecto. Por ejemplo, hay docenas de resinas "similares al ABS" disponibles, pero si observa detenidamente sus propiedades, algunas de las propiedades, como el alargamiento o la resistencia, coinciden con el plástico ABS real. La propiedad más importante, la resistencia al impacto, suele ser solo el 10 % de la resistencia al impacto del ABS.

¿Cuáles son las propiedades térmicas de una pieza impresa en 3D?

Para determinar cómo se comportan los materiales bajo cambios de temperatura, se pueden realizar una variedad de pruebas térmicas. La propiedad principal que se investiga durante estas pruebas es la temperatura de transición vítrea o Tg. La Tg es una temperatura definida a la cual un material cambiará de un estado vítreo a un estado gomoso. Aunque la Tg siempre se define como una sola temperatura, la transición vítrea se produce en un longer rango de temperatura que difiere para cada material.

Existen diferentes formas de medir la Tg, el método más común aplicado a los termoplásticos es por calorimetría diferencial de barrido (DSC). Para los plásticos termoestables, que normalmente son todas las resinas de impresión 3D curables por UV, el análisis mecánico dinámico (DMA) es el más utilizado.

Medición de Tg utilizando el método DSC

La calorimetría diferencial de barrido es una técnica termoanalítica que calienta y enfría muestras a una velocidad específica y mide la cantidad de energía necesaria para los cambios de temperatura. Cualquier cambio de fase en una muestra costará o producirá energía mostrando una diferencia en la cantidad de energía requerida para calentar el sistema. Luego, la energía consumida se grafica frente a la temperatura, mostrando todos los cambios exotérmicos y endotérmicos que ocurren.

Medición de Tg usando el método DMA

Por lo general, el material de resina de impresión 3D es un polímero reticulado y, por lo tanto, solo muestra ligeros cambios térmicos durante la transición vítrea, lo que dificulta bastante la medición de Tg mediante DSC. Como alternativa, se puede utilizar el Análisis Mecánico Dinámico. DMA utiliza medidas mecánicas y traza los datos frente a la temperatura. Se pueden usar muchas medidas diferentes, como compresión, tracción, flexión o esfuerzo cortante. El estrés se aplica repetidamente y para cada medición se mide un módulo mientras se aplican cambios de temperatura. En la figura 6 se muestra una curva DMA típica. La región en la que el módulo cae repentinamente se considera la transición vítrea.[ 7 ]

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Figura 7: Módulo de pérdida y almacenamiento de material reticulado durante una medición de DMA.

Temperatura de deflexión térmica (HDT)

La temperatura de deflexión térmica es la temperatura bajo la cual un material se deforma con una carga específica. Esta prueba se realiza en una configuración de flexión de 3 puntos, como se muestra en la figura 7. El material de muestra se somete a una fuerza constante de 0.455 MPa o 1.82 MPa, momento en el que la temperatura aumenta a una velocidad especificada de 2 °C/min. . La temperatura a la que se mide una deformación de 0.25 mm se denomina HDT.

Aunque los resultados de la prueba no son directamente aplicables, se utilizan principalmente como una herramienta de comparación universal para verificar el rendimiento térmico de diferentes materiales.[ 8 ]


Figura 8: Representación esquemática de la prueba de temperatura de deflexión térmica.

¿Qué significa dureza Shore D?

La dureza Shore D es una prueba simple que mide la resistencia de un material a la indentación en la superficie. Esta prueba se realiza presionando una aguja específica con una fuerza específica en la superficie del material de prueba. Esta prueba se utiliza principalmente en la industria del caucho y del metal y muestra una indicación sobre la rigidez del material de caucho o resina. En la industria del plástico esta prueba no es muy interesante, ya que los valores de Shore no muestran una correlación directa con ninguna propiedad mecánica y se utilizan simplemente como un método rápido y sencillo en el control de calidad. todos los materiales duros están en la región de un Shore D de 80-90. La Figura 9 muestra una descripción general de la escala de dureza Shore A y Shore D con ejemplos[ 9 ]. En comparación con el Liqcreate TDS de Strong-X, con un Shore D de 87 se clasifica como material duro, al igual que todos los demás Liqcreate materiales con un Shore D de ~82.

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Figura 9: Escala de dureza Shore A y Shore D con ejemplos de materiales.[ 7 ]

¿Cómo se mide la absorción de agua y cómo afecta esto a su proyecto?

La absorción de agua se mide de acuerdo con ASTM D570-98. Este método de prueba para la tasa de absorción de agua sirve como guía para la proporción de agua absorbida por un material. En la prueba, el material de prueba se imprime en forma de disco de 50.8 mm de diámetro y 3.2 mm de espesor. El peso del material se registra antes y después de 24 horas de inmersión en agua desmineralizada a 23 grados centígrados.

La absorción de agua puede tener una gran influencia en el material de resina cuando se usa en ambientes húmedos o mojados. En general, las propiedades mecánicas disminuyen cuando un material polimérico está completamente saturado con agua y el material de resina polimérica puede hincharse cuando tiene una alta absorción de agua. Es importante seleccionar un material de resina con baja absorción de agua, como Liqcreate Strong-X al usarlo en estas condiciones.

 

[ 1 ] http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx

[ 2 ] https://www.researchgate.net/figure/A-typical-stress-strain-curve-for-polymer-film-undergoing-tensile-strain-testing_fig6_236924185

[3] www.subtech.es

[ 4 ] https://www.fictiv.com/hwg/design/engineering-fundamentals-refresh-strength-vs-stiffness-vs-hardness

[ 5 ]https://www.researchgate.net/publication/327837026_The_master_thesis_Modelling_of_cutting_with_arbitrary_kinematics_Special_study_of_contact_algorithms/figures?lo=1

[6] http://sm-nitk.vlabs.ac.in/exp5/index.html

[ 7 ] https://polymerinnovationblog.com/thermoset-characterization-part-16-applications-dynamic-mechanical-analysis-dma/

[ 8 ] https://omnexus.specialchem.com/polymer-properties/properties/heat-deflection-temperature-of-plastics

[ 9 ] https://www.smooth-on.com/page/durometer-shore-hardness-scale/

[10] https://www.radtech2017.com/wp-content/uploads/2017/11/92Bonhoure.pdf

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