Nuovo metodo DISH: stampa 3D volumetrica in 0,6 secondi con campi di luce olografici
Un gruppo di ricercatori guidato dalla Tsinghua University di Pechino ha sviluppato un metodo di stampa 3D volumetrica capace di realizzare oggetti complessi in resina nel giro di 0,6 secondi, fissando un nuovo record di velocità per oggetti su scala millimetrica. La tecnica, descritta con il nome di DISH (Digital Incoherent Synthesis of Holographic light fields), raggiunge una velocità volumetrica di circa 333 millimetri cubi al secondo mantenendo una risoluzione intorno ai 19 micrometri su un volume utile di un centimetro, un ordine di grandezza che sposta la stampa 3D volumetrica da dimostrazione di laboratorio a strumento potenzialmente industriale.
Come funziona DISH: olografia computazionale invece di stampa strato su strato
Il cuore del metodo DISH è l’uso di campi di luce olografici ad alta dimensionalità generati in modo computazionale e proiettati all’interno di una vasca di resina fotopolimerica, in modo da polimerizzare l’oggetto in un singolo passo volumetrico anziché tramite la classica deposizione strato su strato. Anziché muovere la vasca di resina o un piano di stampa, il sistema utilizza un periscopio rotante ad alta velocità o un sistema ottico multi‑prospettico per far ruotare il campo di luce attorno al volume, combinando diverse proiezioni che, sommate nel tempo e nello spazio, definiscono l’intensità luminosa tridimensionale necessaria a innescare la polimerizzazione solo dove serve.
I ricercatori hanno impiegato algoritmi di ottimizzazione iterativa per calcolare gli ologrammi che generano il campo di luce desiderato, compensando aberrazioni ottiche e limiti dei componenti hardware. La struttura dell’impianto è volutamente semplificata: durante la stampa non ci sono parti meccaniche in movimento nel volume di lavoro e basta una singola superficie ottica piana del contenitore, elemento che riduce sensibilmente le tolleranze richieste a livello di attuatori e meccatronica rispetto a molte piattaforme di stampa 3D convenzionali.
Prestazioni: oggetti millimetrici in 0,6 s e 333 mm³/s di velocità volumetrica
Nei test descritti dalla Tsinghua University, il sistema DISH ha dimostrato la capacità di stampare oggetti complessi su scala millimetrica in 0,6 secondi, registrando quella che viene indicata come la più alta velocità di stampa 3D volumetrica riportata finora in letteratura per questa classe di pezzi. La risoluzione sperimentale si attesta su feature di circa 19 micrometri all’interno di un volume di un centimetro, con alcune fonti che citano una precisione potenziale fino a 12 micrometri in condizioni ottimali, a fronte di una velocità di processo di 333 millimetri cubi per secondo.
Per confronto, le tecniche di stampa 3D polimerica ad alta risoluzione attualmente usate per oggetti di dimensioni simili richiedono spesso da decine di minuti a ore di stampa, creando un collo di bottiglia sia per la prototipazione su larga scala sia per la produzione in serie di micro‑componenti. Il vantaggio del metodo volumetrico è che l’intero oggetto viene “scolpito” dal campo di luce in una sola esposizione temporale aggregata, svincolando il tempo di produzione dalla complessità geometrica, purché la geometria rientri nel volume di stampa e nei limiti di risoluzione del sistema.
Dai limiti delle tecniche volumetriche precedenti a DISH
La stampa 3D volumetrica non è un concetto del tutto nuovo: in passato, gruppi come quello del Lawrence Livermore National Laboratory, insieme all’Università di Berkeley, Rochester e MIT, avevano presentato approcci basati su olografia che permettono di polimerizzare resine fotosensibili con proiezioni multiple, ottenendo parti in pochi secondi. Queste soluzioni, tuttavia, soffrivano di limitazioni su risoluzione e complessità delle forme producibili, anche perché i fasci laser erano statici durante il processo, e la definizione delle geometrie era vincolata a configurazioni ottiche relativamente semplici.
Il contributo di DISH è l’integrazione più spinta tra ottica computazionale, generazione dinamica di campi di luce ad alta dimensionalità e una pipeline di calibrazione hardware‑software che si completa in pochi minuti e non richiede modifiche meccaniche successive. In pratica, se i metodi volumetrici precedenti dimostravano che è possibile “stampare in un colpo solo”, la piattaforma sviluppata dal team di Tsinghua mostra come farlo con risoluzione uniforme sul volume, velocità compatibili con scenari di produzione in serie e un’architettura semplificata del sistema.
Applicazioni previste: micro‑componenti, fotonica e biofabbricazione
Gli autori indicano come ambiti principali di applicazione della tecnologia DISH la produzione di micro‑componenti ad alto valore: elementi per il calcolo fotonico, moduli di fotocamere per smartphone, componenti complessi per elettronica flessibile, micro‑robotica e strutture per l’ingegneria tissutale ad alta risoluzione. La possibilità di operare con un solo piano ottico e senza movimento del contenitore permette anche di inserire il volume di stampa direttamente in canali fluidici, aprendo lo scenario di linee “a flusso” in cui oggetti vengono stampati in successione all’interno di tubazioni, più simili a un processo continuo che a un ciclo batch.
In ambito industriale, la combinazione di velocità e risoluzione suggerisce potenziali utilizzi per la produzione di lotti di componenti ottici o micro‑meccanici dove le geometrie complesse e le superfici curve sono difficili o costose da ottenere con metodi convenzionali. Nel settore biomedicale, l’interesse va verso scaffold e micro‑strutture per la crescita cellulare e la modellazione di tessuti, dove la capacità di controllare con precisione volumi tridimensionali in tempi molto brevi potrebbe abilitare nuove applicazioni di biofabbricazione, soprattutto se il processo verrà adattato a resine biocompatibili o idrogel fotopolimerizzabili.
