Un metodo di stampa 3D per produrre strutture 3D controllabili da una singola goccia di resina.

GLI SCIENZIATI FABBRICANO STRUTTURE 3D CONTROLLABILI DA UNA SINGOLA GOCCIA

I ricercatori dell’Accademia cinese delle scienze e del Massachusetts Institute of Technology hanno studiato con successo un metodo di stampa 3D per produrre strutture 3D controllabili da una singola goccia di resina.

Il processo combina la polimerizzazione UV e le tecniche di deumidificazione della linea di contatto trifase con goccioline (TCL) per far crescere efficacemente le strutture 3D da una singola goccia con una migliore efficienza e precisione di stampa 3D riducendo al minimo gli sprechi di resina residui.

Stampa 3D con una goccia in AM

I metodi di stampa 3D basati sul photocuring, in cui un modello 3D viene solidificato sull’interfaccia di polimerizzazione, sono diventati una tecnica promettente per applicazioni di sistemi di microfluidi, sensori, bioprinting e shape-morphing. Tuttavia, queste tecniche hanno un basso utilizzo del materiale umido e un’efficienza netta di utilizzo del materiale, rispetto alle tecnologie Fused Deposition Modeling (FDM), Digital Light Processing (DLP) e Stereolitografia (SLA).

Lo svantaggio di questi metodi all’interno di questa particolare applicazione, secondo i ricercatori, è che la resina non polimerizzata deve coprire l’intero serbatoio in una quantità eccessiva prima che il processo di stampa abbia luogo, il che porta a costi più elevati, più scarti e dissipazione del calore insufficiente.

All’inizio di quest’anno, i ricercatori dell’Università di Oxford hanno sviluppato un processo di bioprinting 3D con risoluzione a goccia singola che ha permesso loro di creare tessuti sintetici con maggiore precisione. Utilizzando una stampante 3D personalizzata, i ricercatori hanno costruito reti di goccioline 3D composte da 224 goccioline, che sono state generate automaticamente per creare reticoli 3D.

Altrove, i ricercatori dell’Università di Montreal hanno studiato un nuovo metodo di bioprinting cellulare basato su goccioline, Laser Induced Side Transfer (LIST) , che prevedeva l’uso di un laser a nanosecondi a bassa energia insieme alle leggi della dinamica microfluidica per proiettare cellule viventi l’una sull’altra.

Mentre la polimerizzazione UV e il metodo di deumidificazione TCL hanno somiglianze con i metodi a goccia singola menzionati sopra, questa tecnica prevede la stampa di un’intera struttura da una singola goccia, al contrario delle reti di goccioline multistrato. Questo, dicono i ricercatori, è ciò che distingue questo particolare metodo dalle altre tecnologie a goccia singola stampate in 3D.

Schema della polimerizzazione di una singola gocciolina nella struttura 3D desiderata e sequenza di immagini ottiche del processo di recessione TCL indotto dalla polimerizzazione UV. Immagine tramite Nature journal.
Il metodo di essiccazione UV e TCL

Ispirati dalle superfici naturali delle piante di loto e brocca, dove l’aria o il liquido intrappolato sulla superficie possono ridurre significativamente l’adesione tra gli strati, i ricercatori hanno studiato come l’interfaccia di polimerizzazione potrebbe essere manipolata per produrre strutture 3D utilizzando una singola goccia di resina.

La chiave del successo di questa tecnica è la proprietà della superficie di contatto libera del sistema di goccioline attraverso l’introduzione di un TCL sfuggente, che aumenta la circolazione del liquido della gocciolina interna e riduce le proprietà di adesione della resina liquida, della resina polimerizzata e della vasca di resina.

L’impostazione della stampa prevedeva l’uso di un proiettore UV, un’interfaccia di essiccazione trasparente ai raggi UV e una piastra di supporto in alluminio montata su una piattaforma mobile.

Innanzitutto, una gocciolina di resina liquida è stata depositata sull’interfaccia di polimerizzazione, la superficie superiore del fondo della vasca di resina. Prima della stampa, la piastra di supporto ha contattato la finestra di polimerizzazione con la goccia di resina in mezzo. I modelli di illuminazione UV sono stati quindi proiettati continuamente sull’interfaccia di polimerizzazione, mentre la piastra di supporto è stata sollevata a una velocità costante. Attraverso questo, la resina liquida potrebbe essere polimerizzata in resina solida nella forma del modello UV.

Contemporaneamente, il TCL della gocciolina di resina liquida si è ritirato mentre veniva consumato attraverso il processo di polimerizzazione UV, fino a quando alla fine la gocciolina liquida è stata indurita con successo nella struttura 3D solida desiderata.

Schema della configurazione sperimentale per il processo di stampa 3D a una goccia. Immagine tramite Nature journal.
Potenziali applicazioni

Incoraggiati dai risultati delle loro indagini, gli scienziati hanno ulteriormente dimostrato il processo di polimerizzazione UV e TCL a goccia singola stampando in 3D una struttura del dente da utilizzare in applicazioni dentali personalizzate. Per illustrare l’elemento di controllabilità del metodo, i ricercatori hanno stampato strutture per corone di denti molari, incisivi e canini adatte al trattamento dentale.

Secondo gli scienziati, questa strategia per produrre strutture 3D controllabili da una singola gocciolina sarà “di grande importanza” per la fabbricazione 3D su richiesta e ha molte potenziali applicazioni future.

Maggiori informazioni sullo studio possono essere trovate nell’articolo ” Stampa 3D continua da una singola goccia ” nella rivista Nature. Lo studio è stato co-autore di Y. Zhang, Z. Dong, C. Li, H. Du, N. Fang, L. Wu e Y. Song.

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