Sviluppi del MIT: una stampante 3D più veloce e una cellulosa antibatterica stampata in 3d
I ricercatori del MIT hanno sviluppato una nuova testina di stampa 3D in grado di depositare il materiale ad altissima velocità, creando oggetti in pochi minuti anziché ore. A. John Hart, professore di ingegneria meccanica e direttore del laboratorio per la produzione e la produttività e il Mechanosynthesis Group al MIT, è un esperto di stampa 3D e sta lavorando per far progredire lo sviluppo e l’adozione della tecnologia. Una cosa che la stampa 3D deve essere, secondo lui, è più veloce.
Hart ha lavorato con il dottorando Adam Stevens e il laureato Jamison Go, che ora lavora come ingegnere meccanico presso Desktop Metal , per studiare diverse stampanti 3D desktop FFF commerciali. Il team ha concluso che le percentuali di costruzione volumetrica delle stampanti 3D erano limitate da tre fattori: quanta forza poteva esercitare la testina di stampa mentre spingeva il materiale attraverso l’ugello; quanto velocemente potrebbe trasferire calore al materiale per farlo sciogliere; e quanto velocemente la stampante potrebbe spostare la testina di stampa.
Hanno quindi sviluppato una stampante 3D che elude tutti e tre questi limiti. Il design prevede un filamento con una superficie filettata che va nella parte superiore della testina di stampa tra due rulli che lo impediscono di ruotare. Entra quindi nel centro di un dado rotante, che viene girato da una cinghia a motore e ha filettature interne che si intrecciano con le filettature esterne sul filamento. Mentre il dado gira, spinge il filamento in una camera di quarzo circondata da una lamina d’oro. Un laser quindi entra dal lato e viene riflesso più volte dalla lamina d’oro, passando attraverso il filamento e riscaldandolo.
Il filamento entra quindi in un blocco di metallo caldo dove viene riscaldato ad una temperatura superiore al suo punto di fusione. Continua a sciogliersi e restringersi mentre discende e alla fine viene estruso.
Sembra complicato, ma è molto più veloce delle stampanti 3D standard, in cui il filamento è spinto da due piccole ruote rotanti. Se si tenta di accelerare le cose aggiungendo più forza, le ruote perdono trazione e il filamento si ferma. Questo non è un problema con il design del MIT; i fili corrispondenti sul filamento e sul dado assicurano il massimo contatto tra loro e il sistema può trasferire una forza elevata al filamento senza perdere aderenza.
Tipiche stampanti 3D si basano anche sulla conduzione termica tra il filamento in movimento e un blocco riscaldato. Una velocità di avanzamento maggiore potrebbe non fondere completamente il filamento, ma il preriscaldamento del filamento con un laser garantisce che venga completamente fuso dal momento in cui raggiunge l’ugello. I test hanno dimostrato che la testina di stampa dei ricercatori può fornire almeno due volte e mezzo più forza al filamento rispetto alle stampanti desktop 3D standard, raggiungendo una velocità di estrusione 14 volte maggiore.
Poiché la velocità di estrusione era così elevata, i ricercatori dovevano trovare un modo per spostare la testina di stampa abbastanza velocemente da tenere il passo. Hanno progettato un cavalletto a sospensione in metallo a forma di H che ha una cinghia continua che viaggia attorno a pulegge azionate da due motori montati sul telaio fisso. La testina di stampa si trova sopra un palco collegato alla cintura e viene trasportato rapidamente e senza problemi attraverso le posizioni prescritte all’interno di ciascun piano.
I ricercatori hanno stampato in 3D una serie di oggetti di prova, tra cui un paio di montature per occhiali, che hanno impiegato 3,6 minuti; una piccola tazza a spirale, che impiegava poco più di sei minuti; e un ingranaggio conico elicoidale in poco più di 10 minuti. Gli strati stampati erano altamente uniformi e le parti si dimostrarono forti e robuste nei test delle loro proprietà meccaniche. I ricercatori hanno anche stampato in 3D lo stesso oggetto con la loro stampante e diversi modelli commerciali: un prisma triangolare alto 20 mm. Per una risoluzione comparabile, la stampante ha raggiunto una velocità di costruzione volumetrica media fino a 10 volte superiore rispetto alle altre stampanti.
La stampante non era priva di problemi; ad esempio, le alte percentuali di costruzione hanno portato a strati che non aderivano bene, oltre a distorsioni. Questi problemi sono stati risolti, tuttavia, dirigendo un flusso controllato di aria di raffreddamento sul nuovo materiale estruso. I ricercatori stanno anche lavorando per migliorare l’accuratezza della stampante coordinando la velocità di estrusione e la velocità della testina di stampa, nonché implementando nuovi algoritmi di controllo.
Il prototipo di stampante 3D del MIT costava circa $ 15.000, il che lo rende un candidato improbabile per sostituire la maggior parte dei modelli desktop. Tuttavia, potrebbe essere competitivo con alcune stampanti 3D professionali di fascia più alta.
Hart e il suo team stanno anche lavorando allo sviluppo di nuovi materiali di stampa 3D che siano ecologici e facili da utilizzare, come la cellulosa. La cellulosa ha molti vantaggi: è economica, biodegradabile, rinnovabile, robusta e chimicamente versatile. È difficile stampare in 3D, tuttavia, perché tende a decomporsi quando riscaldato.
Hart e l’ex postdoc Sebastian Pattinson hanno lavorato con l’acetato di cellulosa, una forma di cellulosa trattata chimicamente che ha meno legami idrogeno e quindi rende meno incline alla decomposizione. In primo luogo, l’acetato di cellulosa è stato sciolto in un solvente di acetone per formare un materiale viscoso che scorre facilmente attraverso un ugello di stampa a temperatura ambiente. Mentre la miscela si diffonde attraverso il cordone di stampa, il solvente acetonico evapora rapidamente lasciando dietro di sé l’acetato di cellulosa. Immergendo l’oggetto stampato in idrossido di sodio rimuove l’acetato e ripristina l’intera rete di legami a idrogeno che conferiscono alla cellulosa la sua forza.
I ricercatori sono stati in grado di stampare in 3D oggetti complessi con buone proprietà meccaniche dal materiale. La loro forza e rigidità erano persino superiori agli oggetti stampati con materiali di stampa 3D comuni. I ricercatori hanno quindi iniziato a sperimentare ulteriormente.
“È possibile modificare la cellulosa in diversi modi, ad esempio, per aumentare le sue proprietà meccaniche o per aggiungere colore”, ha affermato Hart.
I ricercatori hanno modificato l’acetato di cellulosa aggiungendo proprietà antimicrobiche. Hanno stampato in 3D una serie di dischi, alcuni di acetato di cellulosa normale e alcuni con colorante antimicrobico aggiunto e hanno depositato una soluzione contenente batteri di E. coli su ciascuno di essi. Lasciarono alcuni dei dischi nell’oscurità e esposero gli altri alla luce da una lampadina fluorescente. Dopo 20 ore, l’analisi ha mostrato che i dischi prodotti con colorante ed esposti alla luce avevano il 95% di batteri in meno rispetto agli altri. Hanno poi stampato in 3D pinzette chirurgiche come un esempio di uno strumento che potrebbe essere fatto con le preziose proprietà antimicrobiche.
Hart crede che ci sia un potenziale commerciale per il loro processo di stampa 3D di cellulosa. La cellulosa è economica e ampiamente disponibile e può essere stampata a temperatura ambiente, eliminando la necessità di una fonte di calore costosa. Finché l’acetone viene catturato e riciclato, è anche un processo rispettoso dell’ambiente.
