La stampa 3D volumetrica promette di produrre un oggetto intero in pochi secondi o minuti, senza costruirlo attraverso la successione di strati tipica della stereolitografia, della Digital Light Processing e della deposizione di materiale fuso.
Questa differenza modifica in modo profondo il processo produttivo. Nelle tecnologie additive tradizionali, il componente nasce attraverso una sequenza ordinata: un punto, una linea o uno strato vengono consolidati, quindi il sistema passa alla porzione successiva. Nella stampa volumetrica, invece, l’energia viene distribuita all’interno di un volume di materiale fotosensibile, facendo solidificare quasi contemporaneamente le aree che compongono la geometria finale.
La velocità costituisce il vantaggio più evidente, ma non elimina i problemi di ottica, chimica, meccanica e controllo del processo. Al contrario, la necessità di intervenire contemporaneamente in tutto il volume introduce difficoltà che non si presentano nello stesso modo nelle stampanti a strati.
Gli undici problemi analizzati riguardano soprattutto la stampa volumetrica additiva tomografica, chiamata anche TVAM, Tomographic Volumetric Additive Manufacturing. In questi sistemi una resina fotosensibile viene collocata in un contenitore trasparente, spesso cilindrico, che ruota davanti a un proiettore. Il proiettore invia una sequenza di immagini calcolate da angolazioni differenti. Le zone che ricevono una dose luminosa complessiva superiore alla soglia di polimerizzazione diventano solide, mentre il resto della resina dovrebbe rimanere liquido.
Il principio ricorda una tomografia computerizzata eseguita al contrario. Una TAC ricostruisce la struttura interna di un corpo partendo da molte proiezioni; la stampa tomografica utilizza proiezioni calcolate per costruire una distribuzione tridimensionale di energia dentro la resina.
La definizione di stampa volumetrica comprende però anche tecniche differenti. xolo GmbH, per esempio, sviluppa la xolografia, che utilizza fotoiniziatori attivati da due colori e fasci luminosi con lunghezze d’onda diverse. La polimerizzazione viene controllata nel punto in cui le due esposizioni interagiscono. Readily3D SA commercializza invece il sistema Tomolite, basato sulla biostampa volumetrica tomografica di idrogel e materiali contenenti cellule.
Alcuni limiti sono comuni a più processi volumetrici; altri dipendono dal contenitore rotante, dal metodo di proiezione o dalla chimica della resina adottata.
Il principio della dose accumulata
Per comprendere i problemi della stampa volumetrica tomografica è necessario distinguere intensità luminosa e dose.
Un singolo raggio proiettato attraverso la resina non dovrebbe solidificare tutto il materiale che attraversa. Ogni punto riceve invece contributi provenienti da numerose direzioni mentre il contenitore ruota. Solo nei voxel appartenenti all’oggetto desiderato la somma di questi contributi dovrebbe superare la soglia necessaria per avviare la gelificazione.
Il voxel può essere considerato l’equivalente tridimensionale di un pixel. Non corrisponde però direttamente a un singolo pixel del proiettore. È il risultato dell’intersezione e della sovrapposizione di numerosi percorsi ottici, ciascuno influenzato da messa a fuoco, rifrazione, diffrazione, assorbimento e diffusione della luce.
La preparazione della stampa richiede quindi un modello tridimensionale del componente, la conoscenza delle proprietà ottiche della resina e un algoritmo capace di trasformare la geometria in una sequenza di proiezioni.
Il software Apparite di Readily3D SA, per esempio, permette di importare un file STL, impostare posizione, orientamento e scala del modello e calcolare la distribuzione della dose luminosa. Il software include parametri relativi a intensità, durata dell’esposizione, velocità di stampa, numero di rotazioni, passo angolare, dimensione dei voxel e compensazione della resina.
Questa quantità di parametri mostra perché la stampa volumetrica non possa essere descritta soltanto come una stereolitografia più veloce. Il componente dipende dall’equilibrio tra ottica, chimica del fotopolimero e comportamento dinamico del materiale.
1. La resina deve trasmettere la luce e assorbirla nello stesso tempo
Il primo problema nasce da due requisiti apparentemente incompatibili.
La luce deve attraversare l’intero diametro del contenitore per raggiungere le regioni più lontane dal proiettore. La resina deve quindi essere abbastanza trasparente. Nello stesso tempo, il fotoiniziatore deve assorbire una quantità sufficiente di energia per generare le specie chimiche che avviano la polimerizzazione.
Se l’assorbimento è troppo elevato, la luce viene consumata nelle zone vicine alla superficie e non raggiunge il centro o il lato opposto del contenitore. Ne deriva una dose non uniforme: le regioni più vicine al proiettore rischiano di essere sovraesposte, mentre quelle interne non raggiungono la soglia di gelificazione.
Se l’assorbimento è troppo basso, il fascio attraversa la resina senza depositare energia in modo efficiente. Per compensare può essere necessario aumentare l’intensità o prolungare l’esposizione, ma entrambe le soluzioni accrescono la dose di fondo ricevuta dalle zone esterne all’oggetto.
Il compromesso diventa più difficile con l’aumento delle dimensioni. Raddoppiare il diametro del contenitore significa allungare il percorso che la luce deve compiere nella resina. Anche piccole perdite per assorbimento, ripetute lungo una distanza maggiore, possono alterare la distribuzione finale della dose.
Questo è uno dei motivi per cui numerosi sistemi volumetrici operano su componenti di pochi millimetri o centimetri. Il bioprinter Tomolite di Readily3D SA, per esempio, dichiara configurazioni con diametri di costruzione fino a 6,3 o 12,5 millimetri, a seconda dell’allestimento. Le dimensioni non dipendono soltanto dalla potenza del proiettore, ma dalla capacità di mantenere una distribuzione controllabile dell’energia in tutto il volume.
Una sorgente più potente non risolve automaticamente il problema. Aumentando la potenza cresce anche l’energia assorbita nelle regioni attraversate dal fascio, comprese quelle che dovrebbero restare liquide.
2. Particelle, cellule e pigmenti diffondono la luce
Gli algoritmi tomografici funzionano meglio quando il percorso della luce nella resina può essere previsto con buona precisione. Una resina limpida e omogenea consente di approssimare ogni fascio come una traiettoria relativamente ordinata.
Le formulazioni industriali contengono però spesso particelle, fibre, pigmenti, modificatori reologici o seconde fasi. Questi elementi possono diffondere la luce in direzioni differenti da quella prevista.
La diffusione non provoca soltanto una perdita di potenza. Una parte dell’energia raggiunge posizioni sbagliate, creando un alone luminoso attorno alle strutture desiderate. Alcune regioni ricevono una dose inferiore a quella calcolata, mentre altre accumulano energia senza appartenere al modello.
Il problema interessa le resine rinforzate con fibre, le sospensioni ceramiche, i materiali caricati con particelle metalliche, i fotopolimeri pigmentati e molti sistemi destinati alla biostampa.
In un bioinchiostro, cellule, aggregati cellulari e componenti della matrice extracellulare possono avere indici di rifrazione diversi da quello dell’idrogel. Ogni discontinuità devia una parte della luce. Aumentando la densità cellulare aumenta anche la probabilità che le proiezioni vengano deformate prima di raggiungere il punto previsto.
Il gruppo scientifico collegato a Readily3D SA ha lavorato su metodi di compensazione digitale della diffusione, misurando il comportamento ottico del materiale e modificando le immagini proiettate. Questa strategia può migliorare la fedeltà in materiali moderatamente diffondenti, ma richiede una caratterizzazione specifica della formulazione.
La compensazione diventa più complessa quando la diffusione non è uniforme o cambia durante la polimerizzazione. Una sospensione può sedimentare, le cellule possono formare aggregati e la resina può diventare più opaca mentre si trasforma in polimero.
Anche i materiali ceramici presentano difficoltà simili. Per renderli stampabili occorre controllare dimensione delle particelle, distribuzione granulometrica, concentrazione e differenza di indice di rifrazione tra polvere e fase liquida. Una formulazione sufficientemente trasparente per la stampa può richiedere particelle e additivi scelti specificamente per il processo.
3. Tutta la vasca riceve una dose luminosa indesiderata
Nella stampa tomografica, quasi ogni punto della resina viene attraversato da una parte delle proiezioni. La differenza tra oggetto e materiale circostante non deriva dall’assenza completa di luce nelle zone esterne, ma dal diverso valore della dose accumulata.
I voxel dell’oggetto devono ricevere una dose superiore alla soglia di polimerizzazione. I voxel esterni devono rimanere al di sotto. Il margine tra queste due condizioni può essere ristretto.
Prolungando l’esposizione, le aree corrette diventano più solide, ma anche le zone esterne continuano ad accumulare energia. Una stampa interrotta troppo presto può presentare dettagli non formati o parti meccanicamente deboli. Una stampa interrotta troppo tardi può produrre foschia, filamenti indesiderati e volumi parzialmente gelificati attorno all’oggetto.
Questo intervallo è chiamato finestra di esposizione. La sua ampiezza dipende dalla resina, dal fotoiniziatore, dalla geometria, dalla sorgente luminosa e dalla qualità delle proiezioni.
Il problema incide sulla ripetibilità industriale. Due contenitori nominalmente identici possono richiedere esposizioni diverse se la resina è stata conservata in condizioni differenti, se ha già ricevuto luce ambientale o se la temperatura non coincide.
Sistemi di monitoraggio con telecamere e controllo in retroazione possono rilevare l’inizio della gelificazione e interrompere l’esposizione al momento opportuno. Readily3D SA integra nel software Apparite funzioni di anteprima della dose, test del materiale e monitoraggio della costruzione. Questi strumenti riducono la dipendenza dall’osservazione dell’operatore, ma non eliminano la necessità di caratterizzare ogni bioinchiostro o fotopolimero.
4. La polimerizzazione non funziona come un interruttore perfetto
I modelli più semplici descrivono la resina come un materiale binario: sotto una determinata dose resta liquida, sopra quella dose diventa solida. La chimica reale è più graduale.
Prima di raggiungere il punto di gelificazione possono essersi già formate catene polimeriche corte e specie reattive. Un voxel classificato come non polimerizzato può quindi contenere materiale parzialmente trasformato. Allo stesso modo, un voxel che supera la soglia può essere appena gelificato e non aver ancora raggiunto una conversione sufficiente per offrire resistenza meccanica.
La reazione dipende dalla concentrazione del fotoiniziatore, dalla presenza di inibitori, dalla quantità di ossigeno disciolto, dalla temperatura, dalla viscosità e dalla mobilità dei radicali.
L’ossigeno può neutralizzare parte delle specie radicaliche responsabili della polimerizzazione. La sua concentrazione non è necessariamente uniforme: può essere più alta vicino alla superficie del liquido o alle pareti permeabili del contenitore. Questo può produrre regioni con tempi di gelificazione differenti.
Anche la temperatura modifica il processo. La polimerizzazione produce calore e una resina più calda può diventare meno viscosa, accelerare determinate reazioni e modificare il proprio indice di rifrazione. Un oggetto grande o una formulazione molto reattiva può generare gradienti termici interni.
Le proiezioni tomografiche dovrebbero quindi controllare non soltanto dove viene depositata l’energia, ma anche la velocità con cui la chimica risponde. Due resine con la stessa trasparenza possono comportarsi in modo diverso se presentano cinetiche di reazione differenti.
La xolografia di xolo GmbH affronta il problema con una chimica a due colori. Un’esposizione porta il fotoiniziatore in uno stato attivo, mentre la seconda avvia la polimerizzazione nella zona di intersezione. Questa impostazione aumenta il controllo spaziale, ma richiede fotoiniziatori e materiali progettati per le due lunghezze d’onda.
5. Aumentando le dimensioni diminuisce la risoluzione
Un proiettore dispone di un numero finito di pixel. Quando la sua immagine viene allargata per coprire un volume maggiore, ogni pixel rappresenta una superficie fisica più grande.
Lo stesso principio vale per una fotografia digitale proiettata su uno schermo: ingrandendo l’immagine senza aumentare la risoluzione del dispositivo, i dettagli diventano meno definiti.
Nella stampa volumetrica il problema è ancora più complesso perché il voxel tridimensionale non è determinato da una sola immagine. Nasce dall’accumulo di numerose proiezioni e risente della messa a fuoco lungo tutto il contenitore.
Le aberrazioni ottiche, la diffrazione e la diffusione chimica dei radicali possono allargare la regione polimerizzata rispetto a quella prevista. Ricerche sulla deconvoluzione volumetrica hanno mostrato che la sottoesposizione sistematica delle caratteristiche più sottili diventa rilevante per elementi con dimensioni inferiori a circa mezzo millimetro in determinate configurazioni.
Un modello contenente contemporaneamente pareti spesse e dettagli sottili è difficile da esporre. Il tempo necessario a consolidare le strutture fini può provocare una dose eccessiva nelle strutture più grandi o nelle regioni circostanti.
Gli algoritmi di deconvoluzione cercano di compensare la sfocatura modificando preventivamente le proiezioni. In pratica, il software altera l’immagine inviata al sistema ottico affinché, dopo le distorsioni del processo, la distribuzione effettiva della dose si avvicini alla geometria desiderata.
L’impiego di sorgenti laser, sistemi telecentrici, modulatori di fase e modelli ondulatori può aumentare la qualità delle proiezioni. Questi interventi comportano però maggiore complessità, costi più elevati e procedure di calibrazione più rigorose.
6. Il contenitore cilindrico funziona come una lente
La luce proiettata non entra direttamente nella resina. Deve attraversare l’aria, la parete trasparente del contenitore e infine il materiale fotosensibile.
Ogni passaggio tra mezzi con indice di rifrazione differente devia il raggio. Nel caso di un contenitore cilindrico, la parete curva può comportarsi come una lente, modificando ingrandimento e direzione delle proiezioni.
La distorsione dipende dal diametro e dallo spessore del contenitore, dalla composizione del vetro, dalla posizione del proiettore, dalla lunghezza d’onda e dall’indice di rifrazione della resina.
Una calibrazione eseguita con un contenitore può non essere valida per un altro esemplare apparentemente identico. Piccole variazioni di spessore o concentricità possono spostare i raggi rispetto al modello calcolato.
Il problema può essere ridotto immergendo il contenitore in un bagno con indice di rifrazione controllato, impiegando geometrie ottiche corrette o utilizzando contenitori a pareti piane. Queste soluzioni modificano però l’architettura della macchina e possono rendere più difficili il caricamento, la rotazione o la sostituzione del materiale.
I modelli di ray tracing tridimensionale permettono di simulare il percorso reale dei raggi attraverso pareti curve e sistemi non telecentrici. Rispetto alla trasformata di Radon ideale, il ray tracing considera una parte maggiore delle caratteristiche effettive dell’impianto.
Il software diventa così un elemento centrale della macchina. Non deve soltanto suddividere un file tridimensionale in immagini, ma rappresentare con sufficiente precisione il sistema ottico specifico sul quale verranno proiettate.
7. Inserti e componenti già solidificati creano ombre
La stampa volumetrica può teoricamente costruire materiale attorno a un oggetto inserito nella resina. Questa capacità è interessante per integrare componenti elettronici, tubi, sensori, elementi metallici o strutture biologiche.
L’inserto può però bloccare alcune delle direzioni necessarie a depositare la dose. Le regioni situate dietro un elemento opaco ricevono meno energia e possono rimanere liquide.
La geometria dell’inserto è determinante. Un elemento convesso e sottile lascia disponibili molte direzioni di proiezione; un componente con cavità profonde, sottosquadri e superfici riflettenti può generare zone alle quali la luce non riesce ad arrivare in modo adeguato.
Materiali trasparenti non sono necessariamente semplici da gestire. Un inserto di vetro o polimero può rifrangere i raggi e modificare le proiezioni. Una superficie metallica lucida può riflettere l’energia in zone non previste. Una superficie ruvida può diffonderla.
Studi sull’overprinting volumetrico hanno dimostrato che l’orientamento dell’inserto può essere ottimizzato per aumentare il numero di direzioni dalle quali ogni voxel riceve luce. Modelli ottici più completi possono tenere conto di assorbimento, rifrazione, riflessione e diffusione.
Anche il materiale già polimerizzato può modificare il percorso delle proiezioni successive. Se l’indice di rifrazione del polimero solido è diverso da quello della resina liquida, la geometria ottica cambia durante la costruzione.
La stampa volumetrica è spesso descritta come un processo simultaneo, ma la polimerizzazione non avviene nello stesso istante in ogni punto. Alcune zone iniziano a gelificare prima di altre e diventano parte del sistema ottico attraversato dalla luce residua.
8. La resina cambia mentre viene stampata
Gli algoritmi calcolano le proiezioni utilizzando una serie di proprietà iniziali: indice di rifrazione, assorbimento, densità, viscosità e soglia di polimerizzazione.
Durante l’esposizione, queste proprietà possono cambiare.
La conversione dei monomeri in una rete polimerica modifica l’indice di rifrazione. La reazione può aumentare la temperatura, cambiare la densità e produrre ritiro volumetrico. La viscosità cresce quando il liquido si avvicina al punto di gelificazione.
La parte appena formata può assorbire o diffondere la luce in modo diverso dalla resina non trasformata. Di conseguenza, il modello utilizzato all’inizio della stampa diventa meno accurato man mano che il processo procede.
Il fenomeno è più importante nei componenti grandi o nelle esposizioni prolungate. In una stampa di pochi secondi, le variazioni hanno meno tempo per alterare la distribuzione; in un processo più lungo, la configurazione ottica può evolvere in modo significativo.
Il ritiro chimico costituisce un ulteriore problema. I legami formati durante la polimerizzazione possono ridurre il volume occupato dal materiale. Se il ritiro non è uniforme, il componente può presentare deformazioni, tensioni interne o scostamenti dimensionali.
Una strategia consiste nell’utilizzare modelli iterativi che aggiornano la previsione della dose durante il processo. Un’altra prevede telecamere o sensori capaci di osservare la formazione del pezzo e correggere esposizione e proiezioni.
Il controllo in retroazione aumenta la robustezza, ma richiede una relazione affidabile tra il segnale misurato e lo stato reale della polimerizzazione.
9. Rotazione, viscosità e flussi interni possono spostare la resina
La stampa tomografica presuppone che il materiale ruoti in modo sincronizzato con il contenitore. In condizioni ideali, resina e pareti si muovono come un unico corpo, mantenendo stabile la posizione dei voxel rispetto alle proiezioni.
La realtà dipende dalla viscosità, dall’accelerazione, dalla velocità angolare e dal tempo trascorso dall’avvio della rotazione.
Una resina molto viscosa può impiegare tempo per raggiungere la stessa velocità del contenitore. Possono formarsi gradienti di velocità tra il materiale vicino alla parete e quello situato verso l’asse.
Una resina poco viscosa può invece generare onde, oscillazioni o vortici in seguito a partenze e arresti. Se la superficie libera si muove, anche il percorso ottico cambia.
La regione che ha ricevuto una determinata dose può quindi spostarsi prima delle proiezioni successive. L’energia destinata allo stesso voxel geometrico viene depositata in porzioni diverse di materiale, riducendo definizione e accuratezza.
La viscosità elevata viene spesso utilizzata per stabilizzare il pezzo durante e dopo la stampa. Una parte appena gelificata non deve sedimentare, galleggiare o ruotare nel contenitore. L’aumento della viscosità, però, rende più complesso il raggiungimento di una rotazione uniforme e può intrappolare bolle d’aria.
Alcuni studi stanno sviluppando metodi per stampare materiali a bassa viscosità attraverso supporti reologici, gel termoreversibili o condizioni di rotazione controllate. Ogni soluzione introduce nuovi parametri e può influire sulla fase di estrazione.
Nella biostampa il problema si estende alla distribuzione delle cellule. Se il materiale è troppo fluido, le cellule possono sedimentare prima o durante l’esposizione. Se è troppo viscoso, la preparazione del bioinchiostro e la rimozione delle bolle diventano più difficili.
10. La parte appena stampata può essere debole e difficile da estrarre
Al termine dell’esposizione, il componente si trova sospeso nella resina non polimerizzata. Non è necessariamente un oggetto completamente consolidato.
La cosiddetta parte verde può avere una conversione incompleta, una superficie morbida e proprietà meccaniche inferiori a quelle finali. Deve essere separata dal liquido, lavata e sottoposta a una seconda esposizione luminosa o a un trattamento termico.
L’assenza di supporti rappresenta un vantaggio della stampa volumetrica. Durante la costruzione, la resina circostante sostiene pareti, canali, sporgenze e strutture interne. Questo permette di produrre forme che richiederebbero supporti complessi in una stampante a strati.
Il sostegno scompare però nel momento in cui il componente viene rimosso dal contenitore. Una parete molto sottile può piegarsi sotto il proprio peso. Una struttura reticolare può rompersi durante il lavaggio. Un componente con densità inferiore alla resina può salire verso la superficie; uno più pesante può sedimentare.
L’estrazione può richiedere pinzette, cestelli, strumenti dedicati o elementi integrati nella geometria. Readily3D SA, per esempio, include tra gli accessori del sistema Tomolite uno strumento per l’estrazione dai contenitori sigillati.
Nel caso dei bioinchiostri, la procedura deve evitare danni alle cellule e contaminazioni. Il contenitore, il liquido di lavaggio e gli strumenti devono essere compatibili con le condizioni sterili richieste dall’esperimento.
La post-polimerizzazione deve essere controllata. Una dose secondaria troppo bassa lascia residui e proprietà insufficienti; una dose eccessiva può aumentare il ritiro, rendere il materiale fragile o danneggiare componenti biologici.
La progettazione dovrebbe quindi considerare non soltanto la stampabilità, ma anche la manipolazione della parte verde. Un oggetto che può essere formato otticamente ma non può essere estratto senza rompersi non costituisce un risultato produttivo utile.
11. La scelta dei materiali resta limitata
La velocità della stampa volumetrica non compensa automaticamente i limiti dei fotopolimeri.
Molte resine fotosensibili formano materiali termoindurenti. Dopo la polimerizzazione non possono essere rifusi e rimodellati come i comuni termoplastici. Possono presentare fragilità, invecchiamento alla luce, ingiallimento, assorbimento d’acqua e proprietà meccaniche inferiori a quelle dei polimeri tecnici stampati con altri processi.
La produzione volumetrica aggiunge requisiti più restrittivi. Il materiale deve essere abbastanza trasparente da permettere la propagazione della luce e deve possedere una soglia di reazione controllabile.
Additivi utilizzati per migliorare la resistenza al calore, la rigidità, la conducibilità elettrica, il colore o il comportamento al fuoco tendono ad assorbire o diffondere la luce. Una formulazione adatta a una stereolitografia a strati può quindi risultare inutilizzabile in un sistema tomografico.
Le resine di xolo GmbH sono progettate per funzionare con fotoiniziatori a due colori. xolo GmbH propone materiali destinati ad applicazioni tecniche, biologiche e ottiche, compresa una formulazione trasparente per lenti e guide d’onda. Il legame tra macchina e materiale resta però stretto: la chimica deve essere compatibile con le lunghezze d’onda e con il meccanismo di attivazione della xolografia.
Readily3D SA dichiara la compatibilità del sistema Tomolite con idrogel, acrilici e siliconi. Nel campo biologico, la resina deve soddisfare anche requisiti di citocompatibilità, sterilità, diffusione dei nutrienti e degradazione controllata.
La stampa di vetro e ceramica è possibile utilizzando nanocompositi fotosensibili, ma richiede operazioni successive di rimozione della componente organica e sinterizzazione. Durante questi passaggi il pezzo subisce un ritiro considerevole, che deve essere previsto nella geometria iniziale.
La stampa volumetrica multimateriale rimane complessa perché l’intero volume è normalmente riempito con una sola formulazione. Per inserire più materiali sono stati proposti processi ibridi, bagni di supporto, esposizioni selettive e combinazioni con estrusione. Questi approcci aumentano però il numero delle fasi e riducono parte della semplicità associata alla stampa in un’unica esposizione.
Non tutti gli undici problemi hanno lo stesso peso
L’elenco dei limiti non implica che la stampa volumetrica sia inadatta alla produzione. Indica che il processo deve essere valutato in relazione a geometria, materiale, dimensioni e prestazioni richieste.
Per componenti piccoli, trasparenti e geometricamente complessi, la stampa volumetrica può offrire tempi molto inferiori rispetto alle tecnologie a strati. La riduzione o eliminazione dei supporti può semplificare la produzione di canali interni, reticoli e superfici curve.
La biostampa rappresenta uno dei campi nei quali la velocità può produrre un vantaggio concreto. Una stampa più breve riduce il tempo durante il quale le cellule rimangono fuori dall’incubatore e, nei sistemi senza ugelli, evita le sollecitazioni di taglio generate dall’estrusione.
Readily3D SA dichiara per Tomolite tempi indicativi compresi tra 30 e 120 secondi, variabili in funzione del materiale. La società riporta inoltre esempi di costrutti biologici prodotti in tempi inferiori, con dimensioni e concentrazioni cellulari dipendenti dalla specifica applicazione.
La xolografia di xolo GmbH può essere adatta alla produzione di componenti ottici e biomedicali nei quali superfici prive delle tipiche linee di strato e controllo locale della polimerizzazione assumono un valore maggiore delle dimensioni complessive del pezzo.
Per oggetti di grandi dimensioni, materiali opachi, compositi altamente caricati o componenti strutturali con requisiti severi, le difficoltà aumentano. In questi casi, processi a strati, stampaggio, lavorazione meccanica o soluzioni ibride possono restare più appropriati.
Le possibili soluzioni richiedono hardware, software e materiali coordinati
Nessuno degli undici problemi può essere risolto intervenendo su un solo elemento.
Una sorgente più potente può ridurre il tempo di esposizione, ma rischia di aumentare la dose di fondo. Una resina più trasparente migliora la penetrazione, ma può ridurre l’efficienza della polimerizzazione. Una viscosità più alta sostiene il pezzo, ma rende più difficile la rotazione uniforme.
Il miglioramento richiede una progettazione coordinata di macchina, ottica, algoritmo e chimica.
I sistemi di retroazione possono misurare la formazione del componente e correggere il tempo di esposizione. Gli algoritmi di deconvoluzione compensano l’allargamento dei dettagli. Il ray tracing considera la geometria reale del contenitore. I modelli ondulatori possono rappresentare fenomeni che l’ottica geometrica trascura.
I fotoiniziatori a più lunghezze d’onda permettono di rendere la risposta chimica più selettiva. Le tecniche olografiche e i modulatori di fase cercano di aumentare l’efficienza con cui la luce viene concentrata nel volume. I processi acustici vengono studiati per operare in materiali nei quali la luce non riesce a penetrare.
La stampa volumetrica può quindi evolvere in una famiglia di processi specializzati, anziché trasformarsi in un’unica tecnologia universale.
Dalla dimostrazione scientifica alla produzione ripetibile
La possibilità di stampare un oggetto in pochi secondi non coincide con la capacità di produrre migliaia di componenti conformi.
Un processo industriale deve controllare la variabilità delle resine, la temperatura, l’invecchiamento del fotoiniziatore, le tolleranze dei contenitori, la calibrazione del proiettore e la qualità delle operazioni successive.
Devono essere definiti metodi per verificare la conversione del materiale, le dimensioni, le proprietà meccaniche e la presenza di residui non polimerizzati. La tracciabilità dei parametri è particolarmente importante nelle applicazioni mediche, biologiche e ottiche.
La velocità della sola esposizione può inoltre rappresentare una parte ridotta del tempo totale. Preparazione della resina, caricamento, degasaggio, calcolo delle proiezioni, estrazione, lavaggio e post-polimerizzazione possono richiedere più tempo della stampa.
Per valutare la produttività è quindi necessario misurare l’intero ciclo e non soltanto i secondi durante i quali il proiettore è acceso.
Una tecnologia adatta a problemi specifici, non a ogni componente
La stampa 3D volumetrica mette in discussione l’idea che un oggetto additivo debba essere costruito strato dopo strato. La sua velocità deriva dalla capacità di distribuire energia nell’intero volume, ma la stessa caratteristica rende il processo sensibile a ogni fenomeno che modifica il percorso della luce o la risposta della resina.
Assorbimento, diffusione, dose di fondo, cinetica di polimerizzazione, rifrazione, viscosità e ritiro non sono problemi indipendenti. Una modifica introdotta per correggerne uno può peggiorarne un altro.
Le applicazioni più adatte saranno quelle nelle quali le dimensioni contenute, la complessità geometrica e il valore della velocità compensano la maggiore rigidità nella scelta dei materiali.
Readily3D SA e xolo GmbH mostrano due percorsi commerciali differenti. Readily3D SA concentra la tecnologia tomografica sulla biofabbricazione e sui costrutti contenenti cellule. xolo GmbH sviluppa la xolografia per ricerca, biostampa, dispositivi medicali e componenti ottici.
Il futuro della stampa volumetrica dipenderà meno dalla capacità di mostrare un oggetto che appare in pochi secondi e più dalla possibilità di controllare in modo ripetibile ciò che accade dentro il materiale durante quegli stessi secondi.
