Una resina a base biologica per una stampa 3D ottica multi-scala

RICERCATORI LITUANI CREANO UNA BIO-RESINA ECOSOSTENIBILE PER LA STAMPA 3D

I ricercatori dell’Università di Vilnius, con sede in Lituania e dell’Università di Tecnologia di Kaunas, hanno sviluppato una resina ecologica e riciclabile da utilizzare nell’ambito del processo di stampa 3D ottica (O3P).

Derivata dai semi di soia, la bio-resina soddisfa i requisiti tecnologici, funzionali e di durata dei polimeri convenzionali utilizzati nella stampa 3D, offrendo al contempo una maggiore biocompatibilità a un costo inferiore. Il nuovo biomateriale potrebbe essere utilizzato nei servizi di produzione di piccoli lotti, spostando la produzione di O3DP verso l’impiego di resine a base biologica, anziché fotopolimeri derivati ​​dal petrolio non riciclabili.

I polimeri a base biologica vengono sempre più adottati nel settore della stampa 3D come alternativa ai fotopolimeri a causa della loro neutralità del carbonio, biodegradabilità e riciclabilità. L’olio vegetale, ad esempio, è ampiamente disponibile e può essere usato come materiale di partenza per molti sostituti dei polimeri, pur mostrando una degradabilità intrinseca e una bassa tossicità. Nel frattempo, sono stati sviluppati anche metodi O3DP per ottenere una bassa produzione di rifiuti, ma molti fanno ancora affidamento sulle resine derivate dal petrolio.

I metodi di produzione O3DP offrono molti vantaggi, come l’integrazione della post-elaborazione, che consente la fabbricazione di strutture a forma libera che fungono da modelli 3D per la produzione di oggetti in vetro, ceramica e metallo puri. Inoltre, le tecniche di produzione consentono la produzione flessibile di strutture multidimensionali, gerarchiche o arbitrarie, che accelera il processo di stampa 3D in una vasta gamma di applicazioni.

Per continuare a raccogliere i benefici della stampa O3DP, sebbene in modo più rispettoso dell’ambiente, i ricercatori lituani hanno ideato il loro nuovo biopolimero. La resina, costruita con estratti di soia, è adatta per O3DP nelle scale da nano- (centinaia nm) a macro-dimensioni (cm). Inoltre, ottimizzando l’esposizione pulsata durante la stampa, la resina può essere elaborata in modo puro e senza la necessità di aggiungere fotoiniziatori artificiali (IP).
Test e analisi della resina ecologica

A seconda delle loro applicazioni, le resine richiedono intensità di irradiazione diverse e risoluzioni raggiungibili, e il team ha scelto l’olio di soia epossidato acrilato (AESO) per dimostrare l’applicabilità della resina a base biologica in O3DP. La maggior parte delle stampanti 3D desktop, ad esempio, sono compatibili con resine a base di acrilato o metacrilato per la prototipazione di oggetti in scala macro. Il nanoscribe, d’altra parte, fornisce un materiale 2PP multi-scala, ma in realtà utilizza tre diverse fotoresine, progettate per produrre parti per ciascuna scala spaziale. Secondo il team lituano allora, non esisteva una singola resina fotografica in grado di consentire una produzione realmente scalabile.

Il materiale AESO, nel frattempo, ha il vantaggio di essere adatto alla fabbricazione di oggetti che si estendono su cinque ordini di grandezza. Inoltre, secondo i ricercatori, non è solo l’assenza di composti che assorbono la luce come i PI, che rende la loro bio-resina adatta all’uso con i metodi O3DP. La formulazione chimica finale, le caratteristiche fisiche, la viscosità e i meccanismi di reazione del materiale hanno anche un impatto significativo nel determinare le sue qualità di strutturazione fotografica 3D e la riciclabilità.

Utilizzando la stampa 3D Deep Light Projector (DLP) su un sistema ottico Formlabs Form 2 standard, il team lituano ha prodotto una serie di campioni da banco su diverse scale. I modelli includevano due pezzi in stile scacchi chiamati “Tower” e “Marvin”, una litografia non lineare (NLL) – struttura di impalcatura stampata e griglia che raggiungeva fino a centinaia di μm di dimensioni esterne e solo pochi μm di singole caratteristiche. Secondo il team, le caratteristiche di queste parti hanno dimostrato l’idoneità della loro resina a fornire commercialmente servizi di produzione in piccoli lotti su richiesta, oltre alla prototipazione rapida.

Le stampanti 3D Asiga Pico2 39 UV e Autodesk Ember DLP sono state sommariamente utilizzate per testare le resine su misura per l’assorbimento lineare e l’idoneità per la produzione di additivi macroscala. Gli oggetti stampati mostravano spessori di strato simili a quelli prodotti utilizzando resine polimeriche e ulteriori test NLL utilizzavano una configurazione litografica laser comune che era conveniente per la stampa 3D di prototipi in scala millimetrica precisi. Inoltre, è stata dimostrata la fabbricazione fine delle strutture periodiche con dimensioni delle caratteristiche inferiori a 1 μm, il che significa che la produzione non era limitata a ingombranti oggetti monolitici.

Complessivamente, la resina AESO presentava vantaggi prestazionali dimostrabili rispetto alle resine esistenti utilizzate con O3DP, in quanto può essere processata con la stampa DLP o NLL, mantenendo oltre il 60% del suo carbonio rinnovabile. Inoltre, le proprietà reologiche e ottiche di AESO sono state facilmente modificate mescolandolo con diluenti e PI, consentendo al team di produrre oggetti su più scale (da centinaia nm a cm) da un singolo materiale.

Le proprietà meccaniche della resina AESO come il suo modulo elastico, la resistenza alla trazione e l’allungamento a rottura, sono ancora allo studio e i risultati saranno pubblicati separatamente secondo il team. Tuttavia, la dimostrata compatibilità della resina con una gamma di tecniche O3DP potrebbe rendere radicalmente più semplice e più conveniente per i proprietari di stampanti 3D desktop la produzione di prodotti e in un modo più ecologico.


Iniziative rispettose dell’ambiente nella stampa 3D

Una serie di studi è stata commissionata negli ultimi anni, con l’obiettivo di valutare l’impatto ambientale complessivo della stampa 3D.

Ad esempio, il gruppo commerciale globale Additive Manufacturer Green Trade Association (AMGTA) ha annunciato una revisione sistematica della sostenibilità ambientale della stampa 3D in metallo nel giugno 2020. La prima valutazione letteraria dell’organizzazione mira a promuovere i benefici verdi della produzione additiva.

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT), della Yale University e dell’Università di Nottingham hanno avvertito che gli eco-benefici della stampa 3D erano stati sopravvalutati a settembre 2018. La ricerca del team ha suggerito che la stampa 3D su richiesta e la prototipazione rapida potrebbero portare a “Drammatici aumenti dei prodotti di consumo da buttare via”.

Nel dicembre 2017, un’edizione speciale del “Journal of Industrial Ecology” prodotto presso la Yale School of Forestry & Environmental Studies (F&ES) ha avvertito che era troppo presto per concludere che la stampa 3D era sostenibile . I ricercatori hanno notato che la maggior parte della ricerca ha riguardato i vantaggi piuttosto che gli svantaggi dell’eco-impatto della stampa 3D.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Una resina a base biologica per una stampa 3D ottica multi-scala “, pubblicato sulla rivista Scientific Reports il 16 giugno 2019. Il rapporto è stato scritto da Edvinas Skliutas, Migle Lebedevaite, Sigita Kasetaite, Sima Rekštytė, Saulius Lileikis, Jolita Ostrauskaite e Mangirdas Malinauskas.

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