Impresión 3D con resina: explicación de Ec, Dp, profundidad de curado y más

Desde el comienzo de la impresión 3D de resina, los ingenieros de resina están trabajando con jerga como Ec, Dp, profundidad de curado, ley de Lambert Beer y más. Incluso si vuelves a leer del “Fundamentos de la estereolitografía” por el Dr. Paul F. Jacobs, Director de R&D 3D-systems publicado en 1992, hablan de estos valores. En este artículo tratamos de explicar en profundidad cómo funciona esto, qué significan estos valores y qué puedes hacer con él como usuario o ingeniero. Para la versión corta, este artículo en nuestro Liqcreate página web puede ser de interés.

Explicación de los conceptos básicos de curado de la impresión 3D de resina

Todas las resinas para impresión 3D son materiales fotocurables, lo que significa que son reactivas a la luz (con la longitud de onda adecuada). Esta reactividad controla cómo se comportan las resinas en una longitud de onda específica. Los parámetros 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 que utilizan principalmente una impresora 405D DLP de 3 nm. 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. El grosor de la capa de la resina curada se mide y representa gráficamente frente a la entrada de energía correspondiente, como se ve en la figura a continuación. Dando un valor de Ec y Dp.

El fotoiniciador que se disuelve en la resina absorberá la luz (a la longitud de onda adecuada) y utilizará la energía para iniciar la reacción. La profundidad de curado siempre será finita, lo que lleva a una correlación logarítmica entre la exposición y la profundidad de curado, una curva típica se muestra en la figura anterior. Esto se deriva de la ley de Lambert Beer, que describe la relación entre la concentración y la absorbancia de la solución. En este caso la resina es la solución.^{[ 10 ]}

Al trazar la curva de trabajo (espesor en micrómetros frente a la energía de la luz), es una representación visual de la correlación entre la impresora y la resina. 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 o mJ/cm²], que es una 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

¿Cómo describen estos parámetros el comportamiento de las resinas en una impresora 3D desde un punto de vista más práctico? Bueno, 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 probable que sea 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. El último valor que se puede tomar de este gráfico es el maxProfundidad mínima de curado (max Cd) de un material. esta es la practica maxEspesor mínimo que se puede curar una resina. Esto es importante cuando tiene que superar el espacio de la primera capa en una impresora 3D, que puede ser de varios cientos de micras.

Comportamiento de curado de la impresión 3D de resina en la práctica

Eso fue todo teórico, veamos cómo funciona esto en la práctica. Hemos tomado nuestro comercial Premium Black resina y la ejecuté en dos máquinas DLP diferentes que están abiertas para este tipo de pruebas. uno es el asiga Max (DLP, 385nm) que se fijó en 8mW/cm² y 4 mW/cm²  potencia y tiene una fuente de luz de 385nm y el otro un DLP abierto de 405nm con 8mW/cm² poder.

Se midieron tres conjuntos diferentes en el Asiga de 385 nm a 8 y 4 mW/cm²   Premium Black resina. Primero Premium Black se midió a 8 mW/cm² y expuesto con diferente temporización/potencia. Posteriormente la potencia se ajustó a 4mW/cm²  y se midieron dos conjuntos más, uno con exposición 2x ​​(por lo tanto, la misma energía total) y otro con exposición 2x ​​en dos ráfagas diferentes. Si grafica los datos en espesor (en micrómetros) frente a energía (en mW/cm²) se obtuvieron estos resultados.

Esto valida que dentro de la ventana del experimento, la resina se comporta de acuerdo con la ley de Lambert Beers y una estrategia de exposición diferente no cambia significativamente su mecanismo de absorción o curado.

Longitud de onda de 405 nm frente a 385 nm

Luego haciendo el mismo experimento con Premium Black a 405nm y 385nm (ambos 8mW/cm²), puedes ver grandes diferencias ya que la resina se comporta diferente con diferentes longitudes de onda.

Tres cosas que puede aprender de las pruebas en esta resina específica:

• – 385nm es más eficiente con el inicio del curado (menor Ec)
• – 405nm es más eficiente en el curado de capas gruesas (mayor Dp)
• – La pendiente de la prueba de 405 nm es más pronunciada, lo que la hace más susceptible a la polimerización, pero también puede aumentar la velocidad de impresión en capas más gruesas.

Ec y Dp para longitud de onda de 405 nm frente a 385 nm

Como puede ver en el gráfico anterior, los valores de Ec y Dp también son diferentes para 385nm y 405nm. Cuando no se indica nada, lo mejor es preguntar al fabricante en qué longitud de onda se mide la Ec y la Dp. Estándar, hacemos esto a 405 nm, pero también tenemos la intención de expandirlo a 385 nm.

Cálculo de Ec y Dp de Premium Black a 405nm y 385nm daría los siguientes valores:

Esperamos que haya sido una lectura interesante y educativa. Si tiene alguna pregunta o comentario sobre este tema u otras cosas relacionadas con la resina, envíenos un correo electrónico a info@liqcreate.com.com y nuestros ingenieros le ayudarán.