CRAFT: controllo “pixel‑per‑pixel” delle proprietà nei termoplastici stampati in 3D
Un team dell’University of Texas at Austin (UT Austin), insieme ai Sandia National Laboratories e ad altri laboratori nazionali statunitensi, ha introdotto un nuovo metodo di stampa 3D chiamato CRAFT, acronimo di “Crystallinity Regulation in Additive Fabrication of Thermoplastics”. La tecnica consente di ottenere oggetti con rigidità, flessibilità e trasparenza variabili punto per punto utilizzando un unico materiale termoplastico e hardware a basso costo basato su stampa DLP/LCD.
Dal multi‑materiale al “multi‑comportamento” con un solo feedstock
CRAFT nasce per affrontare i limiti dei tradizionali processi multi‑materiale, in cui resine diverse faticano ad aderire tra loro e gli interface diventano zone deboli. Con questo metodo, le proprietà vengono differenziate all’interno di un unico sistema di materiale: si usano stampanti DLP o LCD standard e una resina a base di ciclooctene che può cristallizzare o restare più amorfa in funzione dell’energia luminosa ricevuta.
Il grado di cristallinità locale del polimero controlla parametri chiave come rigidità, deformabilità e risposta alla deformazione, consentendo di passare da regioni dure, simili all’osso, a regioni morbide e flessibili, comparabili a legamenti o tessuti molli. Questo approccio elimina la necessità di cambiare materiale o testina di stampa e riduce il rischio di delaminazione tra strati o zone adiacenti.
Come funziona CRAFT: modulazione in scala di grigi e cristallinità controllata
Nel processo CRAFT, il pezzo viene stampato tramite una comune stampante DLP/LCD che proietta immagini in scala di grigi su uno strato di resina liquida a base di ciclooctene. L’intensità luminosa di ogni “pixel” determina il grado di conversione e cristallizzazione del materiale in quello specifico punto, regolando così la microstruttura locale del termoplastico.
Di fatto, ogni voxel può assumere una combinazione diversa di domini cristallini e amorfi; poiché la cristallinità influisce direttamente su durezza, modulo elastico e comportamento alla frattura, i ricercatori possono programmare un gradiente continuo di proprietà meccaniche e ottiche nello stesso oggetto. L’utilizzo di immagini in scala di grigi permette un controllo molto fine, pixel‑per‑pixel, senza dover modificare l’hardware rispetto a molti sistemi DLP/LCD commerciali già in commercio.
La mano umana stampata con un solo materiale
Una delle dimostrazioni più evidenti del potenziale di CRAFT è la realizzazione di un modello di mano umana in scala reale, stampata con un unico materiale ma con regioni localmente differenziate che imitano ossa, tendini, legamenti e pelle. Le zone progettate come “osso” presentano maggiore rigidità, mentre le aree corrispondenti a tendini e legamenti sono più flessibili, così da riprodurre il comportamento articolare in modo più realistico rispetto ai modelli in plastica uniforme.
Per ottenere questo risultato, il team ha utilizzato una mappa in scala di grigi che assegna livelli di intensità luminosa diversi a ciascun distretto anatomico, controllando in modo spaziale la cristallinità all’interno della mano. A differenza delle soluzioni multi‑materiale basate su getto d’inchiostro, qui non esistono interfacce tra materiali differenti: tutta la struttura è continua, con transizioni graduali di proprietà, il che migliora la robustezza meccanica e riduce il rischio di distacchi ai giunti.
Accessibilità, costi e possibili campi di applicazione
Secondo UT Austin, CRAFT è compatibile con stampanti DLP o LCD commerciali capaci di proiettare immagini in scala di grigi, dispositivi che possono rientrare in fasce di prezzo accessibili per laboratori universitari e realtà ospedaliere. L’uso di un unico feedstock termoplastico semplifica anche logistica, riciclo e gestione dei materiali, con la possibilità di riutilizzare parti sciogliendo o rifondendo il polimero.
Le applicazioni proposte includono modelli anatomici avanzati per la formazione medica, dispositivi di protezione personale con zone ad assorbimento di energia differenziato, strutture bio‑ispirate con alternanza di regioni rigide e morbide e componenti tecnici con profili di rigidità su misura. Più in generale, la possibilità di programmare cristallinità e proprietà “dall’interno” amplia il concetto di progettazione in additive manufacturing, affiancando alla complessità geometrica una complessità funzionale basata sulla microstruttura controllata.
