INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE PÓS-CURA EM CÂMARA DE LUZ ULTRAVIOLETA DE PEÇAS OBTIDAS COM RESINA FOTOPOLIMÉRICAS EM MÁQUINAS DE ESTEREOLITOGRAFIA

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1 INFLUÊNCIA DO PROCESSO DE PÓS-CURA EM CÂMARA DE LUZ ULTRAVIOLETA DE PEÇAS OBTIDAS COM RESINA FOTOPOLIMÉRICAS EM MÁQUINAS DE ESTEREOLITOGRAFIA Gerson A. Fernandes (1); Carlos H. Ahrens (1); Alfredo T. N. Pires (2) Universidade Federal de Santa Catarina UFSC Departamento de Engenharia Mecânica CIMJECT 1 Departamento de Química LABPOL Florianópolis - SC - Brasil gerson@cimject.ufsc.br Abstract: Rapid prototyping, via stereolithography process, developed in the late 1980s, creates physical objects using the principle of layering manufacturing, through the photopolymerization of resins by an ultraviolet laser beam. After the parts have been manufactured in the stereolithography apparatus, a step of post processing is required, and the cure is finished in an ultraviolet chamber. The earlier resins used in this process were based on acrylates. Only around 1993 epoxy resins were developed and nowadays are largely used, although more informations about the post-cure behavior is still needed, justifying a study of this stage of the process. Test-bodies have been manufactured with the epoxy-based resin Somos 7110, in the SLA 250/30 stereolithography apparatus. These elements were cleaned using isopropyl alcohol, to remove the excess of liquid resin, and kept in a chamber of ultraviolet lights, for 1, 3, 10 and 30 hours. The enthalpy variation was evaluated, through differential scanning calorimetry experiments and related to ultraviolet exposure time during the post-cure process for differents test-bodies. This procedure was repeated, with test-bodies of different forms and superficial areas, showing that the cure depends significantly on the dimensions and ultraviolet rays exposure time. Resumo: A prototipagem rápida, pelo processo de estereolitografia que surgiu no fim dos anos 80, cria estruturas físicas usando o princípio de construção por camadas, através da fotopolimerização de resinas por um feixe de laser. Depois das peças terem sido construídas é requerido uma etapa de pós-processamento, onde a cura é terminada em uma câmara com raios ultravioletas. As primeiras resinas usadas neste processo foram resinas à base de acrilatos. Somente por volta de 1993 é que surgiram as resinas à base de epóxi, atualmente mais empregadas, mas que, no entanto, carecem de informações mais detalhadas com relação ao seu comportamento na etapa de pós-cura, justificando um estudo desta etapa do processo. Os corpos de prova foram construídos com a resina à base de epóxi Somos 7110 (tendo seus principais componentes identificados por espectroscopia de infravermelho), na máquina de estereolitografia SLA 250/30. Os corpos de prova foram limpos com álcool isopropílico, para retirar o excesso de resina líquida, e mantidos numa câmara de luzes ultravioleta, por 1, 3, 10 e 30 horas. Foi avaliada a variação de entalpia, através de experimentos de calorimetria diferencial de varredura, relacionando-a com o tempo de exposição aos raios ultravioleta no processo de pós-cura, para os diferentes corpos de prova. Este procedimento foi repetido, para corpos de prova de diferentes formas e áreas superficiais, mostrando que, a cura tem dependência significante das dimensões e do tempo de exposição aos raios ultravioletas. PALAVRAS-CHAVE: Resina Epóxi; Estereolitografia CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58101

2 INTRODUÇÃO Objetos físicos ou protótipos de diferentes complexidades geométricas podem ser construídos rapidamente pela estereolitografia, primeiro processo de prototipagem rápida desenvolvido. Nesse processo não há a necessidade de construção de um molde, pois o protótipo é construído a partir de um modelo em CAD 3D. A construção do protótipo é feita sobre uma plataforma, que se movimenta verticalmente, dentro de um tanque preenchido com resina fotocurável (Figura 1). Um feixe de laser, com comprimento de onda na faixa do ultravioleta e guiado por um conjunto de espelhos galvanométricos, é utilizado para reticular a resina através da formação de ligações cruzadas pelo processo de fotopolimerização. Depois de formada a primeira camada sobre a plataforma, esta é deslocada para baixo, a um nível equivalente à espessura da camada subseqüente. Isto permite que a resina líquida cubra a última camada sólida recém formada. Uma lâmina de varredura move-se através do reservatório, nivelando a camada líquida. Um tempo é reservado para que a superfície da resina se estabilize, antes do laser reiniciar o processo de reticulação, formando uma nova camada. A operação se repete, camada após camada, até que se finalize a obtenção do objeto. A peça sólida é retirada do reservatório e a resina líquida drenada [1], através de orifícios existentes na plataforma móvel. Figura 1 Princípio de construção do processo de estereolitografia [2] CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58102

3 A estereolitografia requer o uso de suportes para a fabricação do objeto, construídos pela própria máquina durante a fabricação do objeto, conforme mostrado na Figura 2. Estes suportes permitem: i) separar facilmente o objeto da plataforma de construção, após a fabricação; ii) ancorar o objeto firmemente à plataforma, evitando que flutue na resina líquida; iii) suportar regiões do objeto que não possuem suportes naturais ; iv) reduzir distorções durante a etapa de construção.[3, 4] Figura 2 - Peças com suportes [2] Completada a obtenção do objeto desejado é necessário uma etapa de pósprocessamento, que envolve a remoção dos suportes, limpeza, acabamento superficial e póscura [2, 4, 5, 6]. A remoção dos suportes, construídos durante a fabricação das peças, consiste em quebrá-los, na região de interface com a peça. Quando são adotados suportes do tipo serrilhas, a separação se torna mais fácil, podendo ser realizada manualmente e sem uso de ferramentas. Os protótipos, durante a fabricação, ficam submersos no reservatório preenchido com resina líquida, sendo necessário uma etapa de limpeza, com a utilização de solventes para a remoção do excesso de resina líquida. A etapa de pós-cura A etapa de pós-cura permite aumentar a percentagem de ligações cruzadas entre as cadeias da resina, melhorarando as propriedades mecânicas e térmicas das peças.[8, 9] Este processo de polimerização complementar, atua na cadeia da resina com grupo funcionais livres contida no interior ou na superfície do objeto fabricado por estereolitografia. A reticulação da resina que se encontra na superfície e não foi retirada na limpeza com solvente, evita que a peça fique pegajosa [7]. O processo de pós-cura é realizado em uma câmara específica (Figura 3), onde a peça é mantida durante um certo tempo exposta continuamente à radiação ultravioleta, e/ou em forno elétrico, com temperatura controlada. O tempo de exposição depende das dimensões da peça. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58103

4 Figura 3 - Esquema da câmara de raios ultravioleta para o processo de de pós-cura Para as resinas à base de epóxi, por terem sido desenvolvidas recentemente, há poucos dados e trabalhos a respeito, assim como um certo desconhecimento de como o tempo de póscura afeta no grau de polimerização. Existe, no cenário da prototipagem rápida, uma discussão sobre a real necessidade da pós-cura na estereolitografia. Na prática, alguns fornecedores de serviços descartam esta etapa, mas isso não pode ser tomado como regra para todo o tipo de resina. Segundo GOMIDE [2, 5], peças construídas com a resina CIBA-SL-5170, em certas aplicações, onde a resistência mecânica à tração não é um fator crítico, pode-se dizer que a etapa de pós-cura pode ser eliminada. Isso não quer dizer que para outras propriedades, esta afirmação seja verdade. Para outras resinas, como Somos 7110, apresenta significante mudança de suas propriedades mecânicas após determinado tempo na câmara de pós-cura [9]. Resinas à base de epóxi, dependendo do tipo de resina e do processo de construção utilizado, a peça pode resultar com diferentes graus de polimerização (65 a 90%). [8, 9] Dependendo das dimensões da peça o grau de polimerização pode ser diferente na parte interna e externa do protótipo, conforme descrito por COLTON e BLAIR [10]. Para uma prototipagem rápida, o tempo é o fator importante. Qualquer etapa que possa ser reduzida ou eliminada, sem afetar significantemente as qualidades finais do produto, trará benefícios ao setor, principalmente no que refere ao tempo e custo. No presente trabalho o grau de polimerização foi analisado em corpos de prova de diferentes dimensões, avaliando-se a influência dos tamanhos das peças e o tempo de exposição na câmara de pós-cura com raios ultravioleta. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58104

5 PROCEDIMENTOS Os corpos de prova foram desenhados em CAD 3D, passados para o formato.stl (formato padrão para a estereolitografia). Em seguida foram gerados os suportes e fatiadas as peças em camadas de 0,15 mm no software 3D Lightyear; gerando-se assim um programa de comando numérico que é transferido para o sistema de construção. Esses corpos de provas foram construídos na máquina de estereolitografia SLA-250/30, com a resina fotopolimérica SOMOS A máquina de estereolitografia SLA-250/30, utiliza um laser de héliocádmio com comprimento de onda de 325 nm e feixe de 0,25 mm de diâmetro. Durante esta etapa, a temperatura da resina foi mantida em 28 o C e a potência do laser em 20mW. Foram construídas três séries de corpos de prova em formato cilíndrico e com dimensões diferenciadas em relação a cada série (Tabela 1). Após a fabricação, os corpos de prova passaram por uma etapa de pós-processamento, onde os seus suportes foram retirados manualmente e em seguida lavados por imersão, em álcool isopropílico, para retirada do excesso de resina líquida. Não houve operações posteriores de acabamento superficial. Os corpos de prova com especificações definidas, denotadas por 1 a, 2 a e 3 a série, foram mantidas em recipiente escuro e submetidas à diferentes tempos de pós-cura (1, 3, 10 e 30 horas), no forno de ultravioleta, sob uma potência de 320 W. Este forno é constituído de 8 lâmpadas fluorescentes Philips, modelo TLK 40W, que emite uma radiação ultravioleta concentrada na faixa de 350 a 390 nm, conforme ilustrado na figura 3. Por análise térmica (DSC) desses corpos de prova, foi avaliada a variação de entalpia do processo de reticulação, ou seja, da resina que ainda permenecera sem formar ligações cruzadas. Foi utilizado um equipamento Shimadzu DSC-50, com corridas da temperatura ambiente à 200 o C, com taxa de aquecimento de 10 o C/min, sob fluxo de nitrogênio de 50 ml/min. As massas de amostras analisadas, adequadamente acondicionadas em cadinhos de alumínio foram entre 7,70 e 19,80 mg. Tabela 1 Dimensões dos corpos de provas 1 a série 2 a série (d=5,50 mm) (d=5,37 mm) 3 a série (d=4,50 mm) Área externa (mm 2 ) Volume (mm 3 ) A e /V Área externa (mm 2 ) Volume (mm 3 ) A e /V Área externa (mm 2 ) Volume (mm 3 ) A e /V 57,8 10,9 5,26 57,5 17,0 3,39 38,0 7,2 5,26 CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58105

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 4 apresenta as curvas de DSC para os corpos de prova com as especificações descritas na Tabela 1, como 3 a série, mantidas sob radiação ultravioleta durante 0, 1, 3, 10 e 30 horas. O decréscimo da área da curva com o aumento de tempo de exposição à radiação ultravioleta, mostra uma diminuição de variação de entalpia do processo de cura, sugerindo uma eficiência na etapa de pós-cura. Comportamento análogo foi observado para corpos de prova com outras relações de volume/área. DSC mw 0 h Endo 1 h 3 h 10 h 30 h Temperatura ( o C) Figura 4 Curvas de DSC para de corpos de prova submetidos a diferentes tempos na câmara de radiação ultravioleta Os valores de variação de entalpia, para as diferentes séries de corpos de provas, estão relacionados na Tabela 2. Comparando os corpos de prova da 1 a série com os da 2 a série, observamos que a taxa de cura é maior em corpos de prova com volumes maiores (2 a série) e mesma área externa. Devido aos corpos de prova com volumes maiores possuírem diâmetros menores que os da 1 a série, pode induzir uma penetração dos raios ultravioletas mais facilmente paralelamente as camadas do que perpendicularmente. Este fato pode ser observado com os resultados da 3 a série de corpos de prova, que apresentam a mesma relação área externa/volume dos da 1 a série, com o raio cilíndrico menor e mesma área superficial. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58106

7 Para corpos de prova com área externa de 38,0 mm 2 e volume de 7,2 mm 3 a redução da variação de entalpia máxima de 50% foi obtida para 3 horas na câmara de radiação ultravioleta. O processo de pós-cura está relacionado com as dimensões do corpo de prova. Para todos os corpo de prova estudados, tempos longos sob ação da radiação ultravioleta não modificaram significamente o grau de cura das peças. Tabela 2 Variação de entalpia envolvida no término da cura dos corpos de prova, para as três séries Tempo de pós-cura (horas) H (J/g) 1 a série H (J/g) 2 a série H (J/g) 3 a série 0 77,9 74,2 53,9 1 68,8 64,4 37,1 3 61,8 38,2 30, ,7 37,8 25, ,8 31,2 17,7 CONCLUSÃO A pós-cura dos corpos de prova, obtidos pelo processo de estereolitografia mostrou dependência significativa em relação às dimensões e ao tempo sob ação dos raios ultravioletas. Corpos de prova de menor espessura apresentaram uma cura mais rápida na câmara de radiação ultravioleta, independentemente da relação área/volume ser a mesma ou não. Portanto, não é apenas a massa do corpo de prova que é relevante nessa etapa de pósprocessamento, como indicado pelos fabricantes de resinas usadas na estereolitografia. A pós-cura dos corpos de prova, com radiação ultravioleta, mostrou-se ser bastante eficiente durante as três primeiras horas, tornando-se dispensável a exposição por um período de tempo maior. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] JACOBS, Paul F. Rapid prototyping and manufacturing: Fundamentals of Stereolithography, Society of manufacturing enginers, Dearborn, MI (USA) [2] GOMIDE, R. etti alli. Avaliação da influência da etapa de pós-cura na resistência mecânica de peças de estereolitografia, VII Semana da Pesquisa, Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis-SC, Set CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58107

8 [3] STEREOLITHOGRAPHY buidstation user guide, 3D Systems Inc. Valencia, California, USA, June [4] KIRSCHMAN, C. F. Automated support structure design for stereolitography parts. Master Thesis,Clemson University, USA, May [5] GOMIDE, R. B.; GRELLMANN, D. A.; AHRENS, C. H. e FERREIRA, A. C. Influência da pós-cura na resistência mecânica de peças de estereolitografia fabricadas com fotopolímero à base de epóxi, Anais 5º Congresso Brasileiro de Polímeros, Associação Brasileira de Polímeros. Águas de Lindóia-SP, Nov [6] JACOBS, Paul F. etti alli. From rapid prototyping to rapid tooling. New York (USA): ASME Press [7] 3D SYSTEMS, SLA 250 Buildstation User Guide, 3D Systems Inc., June, USA, [8] CIBA Geigy, Cibatool, Resin Data Supplement, P/N S10-00 Rev A, Ciba Gegy, East Lansing, MI (USA),1994. [9] DU Pont, Somos 7100 Resin Data Sheet, Du Pont, New Castle, DE (USA),1996. [10] COLTON, J. and BLAIR, B. Experimental study of post-build cure of stereolithography polymers for injection molds, Rapid Prototyping Journal, MCB University Press, V. 5, nº. 2, p , CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 58108