La nuova tecnica migliora la precisione del metodo di stampa 3D volumetrico lineare.
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La stampa 3D sta entrando nella sua quarta decade . La tecnologia è cresciuta ultimamente: centinaia di milioni di dollari vengono investiti nella stampa 3D industriale, con aziende che esplorano applicazioni che vanno dalle calzature e impianti ai motori a razzo .
Esistono diversi tipi di stampa 3D. Il più diffuso è attualmente la modellazione a deposizione fusa (FDM), nota anche come fabbricazione di filamenti fusi (FFF), un metodo rapido ed economico per la produzione di modelli fisici.
FFF utilizza il principio strato per strato, che si traduce in parti con finiture superficiali relativamente ruvide e prive di resistenza. Questo è anche il caso della sinterizzazione laser selettiva (SLS), della stereolitografia (SLA) e di altri processi.
Stampa 3D volumetrica
Inserisci la stampa 3D volumetrica , nota anche come stampa 3D olografica o tomografica, che è stata introdotta per la prima volta dai ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Invece di un approccio strato per strato, la stampa 3D volumetrica funziona proiettando ripetutamente un motivo in una vasca di liquido fotopolimerico trasparente da varie angolazioni; questo metodo è noto come litografia assiale calcolata (CAL). È come una TAC al contrario e il modello viene proiettato per formare l’oggetto anziché scansionare l’oggetto.
Un altro attore del mercato è xolo , una startup sviluppata da scienziati in Germania. Hanno chiamato la loro nuova procedura “xolografia”, come descritto in dettaglio nella ricerca pubblicata su Nature .
Xolografia
I ricercatori introducono la xolografia come “una tecnica a due colori che utilizza fotoiniziatori fotosensibili per indurre la polimerizzazione locale all’interno di un volume di monomero limitato su eccitazione lineare, intersecando fasci di luce di diverse lunghezze d’onda”. Il concetto viene dimostrato utilizzando una stampante volumetrica progettata per generare oggetti 3D con caratteristiche strutturali complesse, nonché funzioni meccaniche e ottiche.
In altre parole, due diversi tipi di energia luminosa vengono applicati su una vasca di resina fotopolimerica che reagisce in modo diverso all’energia luminosa. Questo spiega anche il nome dell’azienda e il processo di stampa, poiché i fasci di luce incrociati (X) generano oggetti interi (ologrammi).
Illustrazione resa della zona di stampa e dei percorsi di reazione fotoindotti associati del fotoiniziatore a due colori (DCPI). (Immagine per gentile concessione di Nature.)
L’approccio è proiettare un “foglio” di luce nella vasca della resina. Sebbene i fogli possano sembrare molto simili agli strati utilizzati in altre stampe 3D, ci sono molti angoli diversi in questo approccio. I fogli non sono impilati uno sopra l’altro per costruire un oggetto. Come si può vedere nella figura sopra, un foglio leggero di una certa lunghezza d’onda (λ 1 ) attiva un sottile strato di molecole fotoiniziatori. Un altro proiettore disposto ortogonalmente genera luce di diversa lunghezza d’onda (λ 2) e concentra le immagini in sezione del modello 3D da produrre nel piano del foglio luminoso. Solo le molecole iniziatori allo stato latente assorbono la luce del proiettore e fanno sì che la resina attivata si solidifichi mentre polimerizza. Il setup ottico è fisso, mentre la vasca di resina viene spostata per presentare diverse visuali. Inoltre, poiché il resto della resina non è attivato, la lunghezza d’onda intersecante inibisce la polimerizzazione. In questo modo, l’oggetto desiderato viene continuamente fabbricato.
Poiché questo approccio di utilizzo di due luci intersecanti incoraggia e inibisce la polimerizzazione, la xolografia può produrre solidi ad altissima risoluzione. Inoltre, l’approccio del foglio garantisce che qualsiasi voxel specifico sia esposto alla lampada fotopolimerizzatrice solo una volta durante l’intero processo.
Rappresentazione schematica del setup ottico. L1, obiettivo Powell; L2, L3, lenti cilindriche; S, divisore di fascio; M, specchietti; A, asse lineare; e C, cuvetta. (Immagine per gentile concessione di Nature.)
Fotoiniziatore a doppio colore (DCPI)
Il DCPI è fondamentale per la xolografia ed è realizzato integrando un fotoiniziatore benzofenone di tipo II (molecole che reagiscono alle radiazioni) e un fotoswitch spiropirano (composti chimici organici con proprietà fotocromatiche). Il polimero risultante combina efficacemente le proprietà fotoswitching e fotoinizianti con caratteristiche spettrali e termiche favorevoli. Lo stato spiropirano iniziale assorbe la prima lunghezza d’onda di 375 nm, che è completamente trasparente. La polimerizzazione viene quindi avviata quando l’assorbimento della seconda lunghezza d’onda visibile (da 450 a 700 nm) eccita il benzofenone in combinazione con il co-iniziatore. Se non viene colpito dalla luce visibile, torna allo stato di resina iniziale. Il risultato è una polimerizzazione molto rapida del modello 3D da produrre.
Un altro vantaggio della metodologia è che elimina la necessità di strutture di supporto, a differenza di altre tecniche di stampa 3D. Questo perché la resina viscosa circostante supporta temporaneamente le parti sciolte. Come affermato nel documento Nature : “La reticolazione dei monomeri porta a cambiamenti di densità, che si traducono in differenti tassi di caduta delle parti sotto gravità. L’elevata velocità di stampa e la viscosità della resina riducono al minimo questo effetto, quindi l’affondamento diventa evidente solo dopo che la fabbricazione è stata completata. “
Gabbia sferica con una sfera fluttuante di 8 mm di diametro. un. Modello 3D, b. Fabbricazione, e c. Post produzione. (Immagine per gentile concessione di Nature.)
Velocità e precisione
Con l’attuale configurazione, la xolografia può stampare a una velocità di circa 55 millimetri cubi al secondo con strutture larghe fino a 25 micron. Un’altra tecnica volumetrica, la fotopolimerizzazione a due fotoni , è in grado di stampare oggetti con una risoluzione inferiore a 100 nanometri, sebbene il processo sia molto più lento. CAL è molto più veloce ma può raggiungere solo una risoluzione di 300 micron. A causa delle tecniche impiegate, la xolografia è da 10.000 a 100.000 volte più veloce.
L’uso di due diverse lunghezze d’onda della sezione trasversale della luce risolve il problema della solidificazione mal definita che affligge altre tecniche di stampa volumetrica, perché solo la resina attivata viene polimerizzata. Le risoluzioni risultanti sono circa 10 volte superiori rispetto agli oggetti stampati con CAL pur essendo altrettanto veloci, se non più veloci.
Il xube
La stampante volumetrica xolo 3D, nota anche come “xube”. (Immagine per gentile concessione di xolo.)
Xolo ha anche progettato quella che sembra essere la prima stampante 3D volumetrica acquistabile, che chiama “xube”. Il dispositivo non è stato ancora rilasciato ma può essere prenotato sul sito web dell’azienda. La stampante è attualmente disponibile solo per l’uso da parte di ricercatori in ambito accademico e non è orientata ad applicazioni commerciali.
Lo xube è una piccola macchina di soli 50 x 50 x 50 cm con una costruzione di 50 x 70 x 90 mm, quindi non è certamente ancora adeguata per la produzione additiva. Include doppi laser da 405 nm e DLP UHD per la proiezione di ciascuna immagine e ha una risoluzione ottica di 0,03 mm sugli assi x-y e di 0,05 mm sull’asse z. Un programma Python in esecuzione su un sistema Raspberry Pi 4 controlla il laser, l’asse lineare e il proiettore.
La caratteristica principale di xube è il tempo di stampa tipico elencato: da 20 secondi a 5 minuti! La stampa 3D tradizionale richiede solitamente un minimo di 30 minuti , quindi la xolografia è decisamente più veloce di molti ordini di grandezza.
Prospettive future
Gli scienziati ritengono che la velocità di stampa possa essere notevolmente aumentata se vengono utilizzati laser di maggiore potenza e fotoiniziatori con un tempo di rilassamento termico più rapido.
Inoltre, la dimensione del volume di stampa è limitata solo nell’asse x, quindi teoricamente è possibile produrre oggetti di grandi dimensioni in un volume stazionario o in combinazione con sistemi a flusso continuo di resina di dimensioni illimitate.
La xolografia può anche essere potenzialmente utilizzata per generare strutture biologiche complesse utilizzando fluidi carichi di cellule viventi, secondo il coautore dello studio Stefan Hecht, chimico e scienziato dei materiali presso l’Università di Aachen in Germania. Hecht osserva che le tecniche di bioprinting esistenti causano stress alle cellule quando vengono spruzzate dagli ugelli della bioprinter, il che potrebbe danneggiarle. Questo è qualcosa che verrebbe evitato quando si utilizza la xolografia.
“D’altra parte, possiamo anche stampare cose estremamente dure, possiamo stampare il vetro”, ha aggiunto Hecht. “Possiamo lavorare con una straordinaria versatilità di materiali.”
Inoltre, resine più complesse potrebbero essere utilizzate per stampare più tipi di materiali contemporaneamente per produrre dispositivi come sensori ed elettronica. La ricerca futura esplorerà come rimuovere la resina ancora rimasta all’interno degli articoli stampati. Hecht e il suo team stanno anche valutando se il liquido possa essere riutilizzato.
Lo slogan di Xolo è “Immediatamente, è lì” e la società sembra essere in grado di fornire. Indubbiamente, la tecnologia è ancora nelle fasi nascenti. Dovrà affrontare problemi iniziali come tutte le nuove tecnologie. Tuttavia, la xolografia ha sicuramente causato un ronzio nel mercato e sembra essere qui per restare.