Stampa 3D a luce visibile ad alta risoluzione rapida : un’alternativa LED più economica alle tecniche di stampa 3D con polimerizzazione ultravioletta (UV).

GLI SCIENZIATI DELL’UNIVERSITÀ DEL TEXAS SVILUPPANO UN’ALTERNATIVA LED A BASSO COSTO ALLA STAMPA 3D DLP

Sostituendo i raggi UV presenti nei sistemi di luce visibile convenzionali con LED multicolori, il team texano è stato in grado di produrre parti alla stessa velocità e livello di dettaglio, ma in un modo più efficiente dal punto di vista energetico. Come parte del loro studio, gli scienziati hanno anche messo a punto quattro diversi catalizzatori fotoredox, che hanno accelerato la solidificazione delle resine una volta esposte a colori specifici della luce LED.

Sfruttando il loro nuovo processo, i ricercatori sono riusciti a stampare parti con caratteristiche inferiori a 100 µm, a una velocità di otto secondi per strato. Di conseguenza, Zachariah Page, l’autore principale dello studio, ha affermato che il nuovo metodo del team potrebbe competere con quelli utilizzati da aziende più affermate. “Ci sono alcune stampanti convenzionali basate su UV che sono più veloci o con una risoluzione più alta”, ha detto Page, “ma la combinazione che abbiamo è vicina allo stato dell’arte”.

“NON C’È STATA UNA TONNELLATA DI INNOVAZIONE CHIMICA [NELLA STAMPA A LUCE VISIBILE] FINO AGLI ULTIMI ANNI”

Gli scienziati sono riusciti a stampare in 3D una serie di prodotti alla stessa velocità e risoluzione dei metodi di fabbricazione DLP esistenti. Foto via ACS Central Science.
I limiti dei processi di stampa UV esistenti

In un processo che viene spesso soprannominato “fotopolimerizzazione”, le tecniche di stampa 3D come la stereolitografia (SLA) e l’elaborazione digitale della luce (DLP), utilizzano la luce UV per trasformare la materia dalle resine liquide in oggetti solidi. Le macchine DLP, basate su questa tecnologia, offrono molti vantaggi all’utente, come velocità di costruzione di 100 mm / he la capacità di fabbricare oggetti con risoluzioni delle caratteristiche inferiori a 100 μm.

Sebbene la maggior parte delle stampanti 3D DLP siano basate su questi potenti sistemi di luce UV che forniscono tempi di costruzione brevi, sono anche più costose e meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto ad altri metodi di fotocopiatura. Il Visible Light Printing (VLP), ad esempio, offre diversi potenziali vantaggi rispetto al DLP tradizionale.

I raggi di luce meno intensi utilizzati in VLP sono più compatibili con materiali biologici come gli idrogel a cellule vive, così come i compositi opachi, rendendoli più favorevoli alla creazione di strutture multimateriali. Nonostante questi vantaggi apparenti, la potenza ridotta dietro i fasci utilizzati in VLP, ha reso il metodo più lento rispetto ad altre tecniche di fotopolimerizzazione e di conseguenza ne ha limitato l’adozione.

Per accelerare il processo VLP, i ricercatori hanno sviluppato una serie di resine pancromatiche che incorporavano un monomero, un cross-linker e diversi co-iniziatori. Le resine sono state progettate su misura per aumentare la velocità di fotopolimerizzazione, fornendo un maggiore assorbimento, lunghezze d’onda maggiori e quindi consentendo velocità di stampa più elevate rispetto ai materiali ordinari.

Per convalidare il loro approccio, il team ha sventrato un sistema DLP standard dei suoi componenti UV e lo ha dotato di emettitori di luce LED blu (∼460 nm), verde (∼525 nm) e rosso (∼615 nm). Utilizzando la loro stampante fatta in casa, i ricercatori hanno condotto una serie di test irradiando resine degassate con argon spesse 100 μm, tra i vetrini del microscopio utilizzando una luce LED a bassa intensità.

Una successiva spettroscopia RT-FTIR sui campioni ha rivelato che tutti e tre i colori sono stati polimerizzati con successo. Per esaminare il livello di fedeltà possibile con la loro macchina, il team ha quindi prodotto una stampa in risoluzione con dimensioni laterali di 20 × 20 μm 2 e uno spessore dello strato di 25 μm. Il campione di ottimizzazione conteneva 12 quadrati stampati simultaneamente con tempi di esposizione variabili e ogni strato presentava una serie di motivi più piccoli larghi 1-16 pixel.

Sfruttando l’ampiezza dei dati ottenuti dalle loro stampe a risoluzione variabile, il team di ricerca è stato in grado di ottimizzare il proprio processo VLP personalizzato per ogni tipo di resina. Ad esempio, i campioni sensibili alla luce verde e rossa avevano bisogno di una coltre di gas inerte durante la stampa per raggiungere velocità paragonabili a quelle ottenute durante la DLP. Le resine fotosensibili viola e blu, invece, si sono dimostrate insensibili alle condizioni atmosferiche.

Ulteriori incongruenze sono state osservate anche nelle resine sensibili alla luce blu e rossa, che non hanno raggiunto il livello di spessore massimo desiderato a una velocità costante, il che ha limitato la riproducibilità del processo. D’altro canto, è stato riscontrato che l’aggiunta di agenti opacizzanti (OA) migliora il livello di coerenza del metodo.

L’integrazione degli OA ha consentito al team di raggiungere velocità di costruzione comprese tra 33 e 45 mm / he di creare parti con caratteristiche di dimensioni inferiori a 100 μm, inclusa una complessa forma a traliccio di ottetti. Di conseguenza, i ricercatori hanno concluso che, sebbene il loro approccio avesse eguagliato con successo la velocità e la risoluzione delle macchine commerciali, era ancora necessaria un’ulteriore ottimizzazione.

Il team ha ipotizzato che l’aumento dell’intensità della luce potrebbe portare a tempi di stampa ancora più rapidi e che le molecole che consumano ossigeno potrebbero essere integrate nelle resine future per mitigare la loro sensibilità alle condizioni atmosferiche. Se gli scienziati riuscissero a perfezionare il loro nuovo metodo VLP, allora potrebbe essere utilizzato all’interno di una gamma di nuove applicazioni di ingegneria dei tessuti o di robotica morbida.

Allo stato attuale, però, il team ha ancora alcuni parametri da modificare, se vogliono abbinare costantemente la velocità e la risoluzione delle macchine DLP esistenti.

Produzione DLP nel settore della stampa 3D

Il potenziale impatto della ricerca degli scienziati del Texas potrebbe essere di vasta portata, poiché la stampa 3D DLP è stata altamente commercializzata e numerose aziende offrono le proprie varianti della tecnologia.

Il produttore austriaco di stampanti 3D Genera, ad esempio, ha recentemente lanciato la sua prima macchina DLP , la G2. Il sistema è dotato della tecnologia DLP 4K regolabile, il che significa che gli utenti possono modificare le impostazioni dei pixel del sistema tra i preset di 40, 70 o 100 micron.

Altrove, il produttore di stampanti 3D Admatec ha annunciato che i materiali ceramici di grado medicale sono ora compatibili con i suoi sistemi DLP Admaflex . La combinazione della ceramica bioriassorbibile con la libertà di progettazione fornita dalla stampa 3D, potrebbe consentire la produzione di una nuova gamma di prodotti sanitari.

Il produttore di stampanti 3D taiwanese XYZPrinting ha lanciato l’anno scorso il suo ultimo sistema DLP noto come PartPro120 xP. Secondo l’azienda, la tecnologia Ultra-Fast FIlm della stampante consente di fornire velocità fino a 75 volte superiori rispetto a macchine comparabili .

I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato ” Stampa 3D a luce visibile ad alta risoluzione rapida ” , che è stato pubblicato sulla rivista ACS Central Science e co-autore di Dowon Ahn, Lynn M. Stevens, Kevin Zhou e Zachariah A . Pagina.

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