Il brevetto LLNL usa due lunghezze d’onda per rendere multimateriale la stampa 2PP senza cambiare vasca

La nuova domanda di brevetto del Lawrence Livermore National Laboratory combina un fascio fisso a 1045 nm con un secondo laser sintonizzabile e una resina contenente due chimiche differenti. La selezione del materiale diventa così ottica: modificando la lunghezza d’onda si può decidere quali reazioni attivare nello stesso volume di resina

Il Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL sta sviluppando un approccio alla Two-Photon Polymerization, 2PP, nel quale il passaggio da una proprietà del materiale a un’altra non richiede di sostituire la resina, lavare il componente o spostarlo da una vasca all’altra. La scelta viene invece effettuata cambiando la lunghezza d’onda della luce utilizzata per polimerizzare il materiale. Il concetto è descritto nella domanda di brevetto statunitense US20260249547A1, pubblicata il 27 agosto 2026 e assegnata a Lawrence Livermore National Security LLC, società che gestisce LLNL per il Department of Energy. Gli inventori indicati sono Magi Mettry Yassa, James Spencer Oakdale, Yoonsoo Rho e Xiaoxing Xia. L’applicazione, depositata il 27 febbraio 2025 con numero US19/065702, riguarda un sistema di stampa 2PP a doppia lunghezza d’onda nel quale due fasci vengono allineati coassialmente e focalizzati praticamente nello stesso punto all’interno di una miscela fotopolimerizzabile contenente due sistemi chimici distinti. L’obiettivo finale è produrre strutture microscopiche nelle quali proprietà come densità, porosità, modulo elastico, indice di rifrazione o bagnabilità possano essere modificate localmente senza interrompere la stampa.

La formulazione “multi-materiale” richiede però una precisazione importante. Non bisogna immaginare due resine separate, per esempio una morbida e una rigida, selezionate alternativamente come avviene con due estrusori FFF. Nell’esempio sperimentale pubblicato da LLNL, entrambe le chimiche sono mescolate nello stesso vat. Una componente è un sistema epossidico, mentre l’altra è un sistema acrilico. La selettività deriva dal fatto che reagiscono in modo differente alle due lunghezze d’onda. Intorno a 1045 nm viene attivata essenzialmente la sola chimica acrilica; intorno a 700 nm vengono invece attivati sia il sistema acrilico sia quello epossidico. Dopo la stampa, l’epossidico non reagito può essere rimosso durante il post-processing. In questo modo la regione esposta a 700 nm rimane più piena e densa, mentre quella prodotta soltanto a 1045 nm può conservare una maggiore porosità. È quindi una forma di multi-materialità ottenuta attraverso fotochemistry selectivity, non attraverso il cambio fisico del materiale.

La tecnologia LLNL in sintesi

La 2PP tradizionale utilizza la non linearità della luce per confinare la polimerizzazione

Per comprendere perché l’approccio LLNL sia interessante bisogna distinguere la 2PP dalla normale stereolitografia. In una stampante SLA o DLP convenzionale un fotoiniziatore assorbe normalmente un singolo fotone della lunghezza d’onda appropriata e genera la specie chimica che avvia la polimerizzazione. Nella Two-Photon Polymerization, invece, la reazione può essere avviata quando una molecola assorbe quasi simultaneamente due fotoni di energia inferiore. La probabilità che questo avvenga è estremamente bassa tranne nella regione dove un laser a impulsi ultracorti viene focalizzato con intensità elevatissima.

La reazione si concentra quindi in un piccolissimo volume tridimensionale intorno al fuoco, normalmente definito voxel. Muovendo il voxel nello spazio è possibile disegnare direttamente strutture tridimensionali con feature submicrometriche.

Le piattaforme commerciali 2PP utilizzano normalmente un’unica sorgente laser a lunghezza d’onda fissa o in una fascia definita. Il sistema viene ottimizzato per una determinata resina e il materiale risponde in maniera sostanzialmente uniforme ovunque venga esposto.

Se si vuole creare una struttura realmente multi-materiale, il problema diventa molto più complesso.

Il multi-materiale tradizionale richiede di sostituire fisicamente la resina

Uno degli approcci utilizzati nella vat photopolymerization multimateriale consiste nel disporre di più vasche. Si stampa la prima regione, si sposta il componente, si elimina la resina residua, lo si lava e asciuga e si introduce la seconda formulazione.

Il principio è semplice, ma a scala micrometrica diventa problematico. Ogni film residuo della prima resina può contaminare la seconda e modificare la composizione in corrispondenza dell’interfaccia. Il solvente usato per il lavaggio può a sua volta penetrare nella struttura. Soprattutto, ogni cambio materiale introduce un tempo morto.

La letteratura sul multi-material vat photopolymerization mostra che i primi sistemi potevano richiedere 2–5 minuti per ogni sequenza di cambio, lavaggio e asciugatura. Sistemi sperimentali più evoluti hanno ridotto questa fase fino a circa 15–30 secondi in specifiche configurazioni, ma il problema non scompare.

Su una parte che cambia materiale soltanto tre volte può essere accettabile. Se invece la microstruttura contiene migliaia di transizioni nello stesso volume, il cambio fisico di vasca diventa rapidamente impraticabile.

Tre modi differenti di ottenere il multi-materiale

Il concetto LLNL cerca quindi di spostare la difficoltà dalla meccanica del cambio materiale alla fotochemistry. La vasca non cambia. Quello che cambia è l’interazione tra luce e formulazione.

Una singola miscela contiene due sistemi chimici differenti

La formulazione illustrata dal laboratorio è particolarmente interessante perché utilizza due meccanismi di polimerizzazione chimicamente distinti.

Il primo è un sistema epossidico liquido e otticamente trasparente che utilizza un photoacid generator, PAG, insieme a un assorbitore progettato per l’attivazione intorno a 700 nm. Il PAG produce una specie acida che avvia una polimerizzazione cationica dell’epossidico.

Il secondo è un sistema acrilico che utilizza un fotoiniziatore sviluppato per possedere un’elevata cross-section di assorbimento sia intorno a 700 nm sia a 1045 nm.

Il risultato è deliberatamente asimmetrico.

A circa 1045 nm:
viene attivata principalmente la polimerizzazione dell’acrilico.

A circa 700 nm:
vengono attivati sia l’acrilico sia la componente epossidica.

Questa differenza permette di ottenere due composizioni solide differenti partendo dalla medesima miscela liquida.

Come funziona la selezione chimica LLNL

Questo significa anche che la descrizione semplificata “laser A stampa materiale A, laser B stampa materiale B” non racconta completamente ciò che LLNL ha dimostrato.

Nella formulazione pubblicamente descritta, il laser a 700 nm non produce esclusivamente un secondo materiale indipendente: produce una combinazione dei due network polimerici.

Dal punto di vista funzionale il risultato può comunque comportarsi come un materiale differente, perché composizione, densità e microarchitettura cambiano localmente.

Le pareti piene e il reticolo interno costituiscono il primo esempio concreto

LLNL descrive una struttura sperimentale nella quale le pareti esterne vengono prodotte intorno a 700 nm. In quelle zone reagiscono sia acrilico sia epossidico e si forma una regione relativamente piena.

Una struttura interna a reticolo di tipo octet viene invece esposta con il fascio fisso a 1045 nm. Qui viene polimerizzata principalmente la componente acrilica. Quando la parte viene sviluppata e lavata, la componente epossidica non reagita può essere rimossa.

Il risultato è un oggetto nel quale parete e interno non differiscono soltanto per geometria: differiscono anche per composizione effettivamente polimerizzata.

È proprio questa combinazione fra architecture e chemistry a rendere interessante l’approccio.

Con una normale stampante 2PP si potrebbe già costruire una parete solida e un lattice molto leggero cambiando semplicemente il percorso del laser. Ma entrambe le regioni sarebbero costituite dallo stesso polimero.

Con il sistema LLNL possono invece cambiare contemporaneamente:

• geometria;
• quantità di materiale;
• composizione del network;
• densità;
• rigidità;
• potenzialmente proprietà ottiche e superficiali.

Geometria programmabile e chimica programmabile diventano due variabili indipendenti

Il secondo laser è sintonizzabile su una gamma molto più ampia dei soli 700 nm

L’architettura descritta nel brevetto comprende un fascio fisso a 1045 nm e un secondo fascio sintonizzabile fra circa 680 e 1300 nm.

L’esempio a 700 nm rappresenta quindi una particolare combinazione fra laser e formulazione, non il limite intrinseco della macchina.

In teoria, nuovi fotoiniziatori e nuovi photoabsorber potrebbero utilizzare altre coppie di lunghezze d’onda all’interno del range disponibile. Questo è probabilmente uno dei punti più importanti dal punto di vista della proprietà intellettuale: LLNL non sta cercando di proteggere soltanto una resina 700/1045 nm, ma un’architettura nella quale differenti lunghezze d’onda controllano selettivamente differenti photochemistries.

La macchina diventa quindi una piattaforma sulla quale la chimica può essere sviluppata successivamente.

Lo specchio dicroico permette ai due laser di condividere praticamente lo stesso percorso

Il problema ottico è molto più complicato di quanto possa sembrare. Avere due laser non basta: i due voxel devono comparire nella posizione corretta con precisione compatibile con una tecnologia submicrometrica.

Il sistema LLNL utilizza uno specchio dicroico che riflette una delle lunghezze d’onda e trasmette l’altra, combinando i fasci su un percorso coassiale.

Vengono poi utilizzati:

• mirror mount con regolazione tip/tilt;
• pinhole di allineamento;
• scanner galvanometrici;
• sistema ottico 4f;
• scan lens;
• tube lens;
• objective ad alta apertura numerica;
• stage XYZ;
• sistemi di controllo della posizione.

I pinhole descritti in alcuni esempi sono inferiori a circa 500 µm, e servono a controllare il corretto allineamento dei due fasci prima che questi raggiungano il sistema di scansione.

Il problema non consiste soltanto nel farli passare attraverso lo stesso punto quando la macchina è ferma. Devono mantenere il corretto overlap mentre i galvo li spostano all’interno dell’intero field of view.

Il campo ottico è piccolo, ma il pezzo può essere molto più grande grazie allo stitching

Il brevetto descrive come esempio un field of view di circa 500 × 500 µm per l’obiettivo.

Mezzo millimetro può sembrare estremamente piccolo, ma è coerente con una piattaforma che privilegia risoluzione e numerical aperture.

Per produrre un componente più largo, il sistema utilizza uno stage XY che sposta il campione e permette di stitchare più regioni di stampa.

Il principio è simile alla realizzazione di un’immagine panoramica:

1. il galvo produce con elevata velocità il piccolo campo locale;
2. lo stage sposta il campione;
3. viene prodotta la regione successiva;
4. le regioni vengono sovrapposte e allineate.

La qualità delle zone di stitching diventa naturalmente critica. Un errore di posizione di qualche micrometro può essere enorme quando la struttura contiene feature submicrometriche.

L’altro obiettivo del brevetto è aumentare fortemente l’altezza stampabile

La multi-materialità è soltanto una parte della domanda di brevetto. LLNL cerca anche di superare una limitazione tipica della 2PP: la working distance dell’obiettivo.

Un objective ad alta numerical aperture permette di focalizzare il fascio in modo molto preciso, ma tende ad avere una distanza di lavoro ridotta. Il brevetto indica che in configurazioni tradizionali questa distanza può essere inferiore a circa 300 µm.

Se la struttura diventa più alta, la lente può avvicinarsi pericolosamente alla parte o non riuscire più a posizionare correttamente il fuoco.

LLNL propone quindi una configurazione long-working-distance con:

• contenitore dedicato;
• cover glass;
• mezzo con indice di rifrazione opportunamente abbinato;
• objective long-working-distance.

Nell’implementazione descritta viene utilizzata una guarnizione capace di contenere fino a circa 8 mm di resina e un cover glass spesso circa 160 µm, mentre sopra il vetro viene disposto un refractive-index-matched medium, per esempio una miscela appropriata a base di glicerina/acqua oppure silicone oil.

Da meno di 300 µm a circa 8 mm significa cambiare completamente la scala possibile

Otto millimetri rimangono minuscoli rispetto alla normale stampa 3D, ma nel contesto della 2PP rappresentano un salto enorme.

Non bisogna però confondere altezza del volume accessibile con dimensione di feature o velocità. Una struttura alta 8 mm costruita interamente con voxel submicrometrici può richiedere tempi molto lunghi se il volume solido è elevato.

Il vantaggio è soprattutto rendere possibili architetture gerarchiche nelle quali regioni molto fini convivono con dimensioni complessive molto maggiori.

LLNL parla di scale centimetriche, ma questo richiede stitching e strategie di throughput

L’ufficio per il trasferimento tecnologico del laboratorio descrive la nuova architettura come capace di aprire la strada a componenti vicini alla scala centimetica.

È plausibile dal punto di vista geometrico usando long-working-distance objective e movimento dello stage, ma non significa che il processo abbia eliminato il tradizionale problema della produttività della 2PP.

Il voxel rimane estremamente piccolo. Costruire un centimetro cubo pieno a risoluzione nanometrica sarebbe economicamente e temporalmente poco realistico.

Le applicazioni sensate sono quindi quelle nelle quali:

• gran parte del volume è vuoto;
• vengono utilizzati reticoli;
• soltanto alcune regioni richiedono massima risoluzione;
• la funzione deriva dalla microarchitettura.

È precisamente il caso di metamateriali, capsule, strutture fotoniche ed elettrodi porosi.

La seconda possibilità del dual-wavelength è aumentare ulteriormente la risoluzione

Il brevetto non si limita alla scelta chimica. I due fasci possono anche essere utilizzati per controllare dimensione e forma del voxel.

Una possibilità descritta consiste nell’utilizzare voxel parzialmente sovrapposti prodotti a lunghezze d’onda differenti. La regione nella quale avviene la reazione può essere definita dalla combinazione non lineare delle esposizioni.

Un’altra possibilità richiama il principio della Stimulated Emission Depletion, STED, noto soprattutto nella microscopia super-resolution.

Nel concetto descritto da LLNL:

• un fascio principale avvia la reazione;
• un secondo fascio può essere sagomato come un anello;
• la reazione viene soppressa nella zona periferica;
• resta attiva soltanto una regione centrale più piccola.

Il risultato teorico è un volume polimerizzato più stretto di quello ottenibile attraverso il semplice focus.

È importante però separare il contenuto della domanda di brevetto dal risultato sperimentale dimostrato. La presenza di un’architettura STED-style nel brevetto significa che LLNL contempla e protegge questa possibilità, non necessariamente che ogni configurazione sia già stata caratterizzata con una risoluzione commerciale specifica.

Il brevetto protegge un ventaglio di scenari chimici più ampio del dimostratore

Le rivendicazioni comprendono più modalità.

Una possibilità è:

Lunghezza d’onda 1 → Materiale A

Lunghezza d’onda 2 → Materiali A + B

che corrisponde bene all’esempio acrilico/epossidico descritto da LLNL.

Un’altra possibilità è:

Lunghezza d’onda 1 → Materiale A

Lunghezza d’onda 2 → Materiale B

Questa sarebbe una vera selezione ortogonale dei due network, molto simile concettualmente ad avere due resine indipendenti nella stessa vasca.

La differenza è importante perché la seconda configurazione è chimicamente più difficile. Per funzionare bene, il fotoiniziatore A deve rimanere praticamente inattivo quando si stampa B e viceversa. Qualsiasi sovrapposizione degli spettri di assorbimento può causare cross-talk.

La fotochemistry è quindi probabilmente la parte più difficile dell’intero sistema

L’ottica contiene due laser, galvo, mirror, stage e sistemi di allineamento sofisticati, ma molti di questi elementi utilizzano tecnologie già consolidate nella fotonica.

Creare due sistemi chimici che possano convivere per ore nella stessa bottiglia e reagire soltanto come previsto è forse ancora più difficile.

La formulazione deve garantire contemporaneamente:

• miscibilità;
• stabilità;
• trasparenza ottica;
• bassa scattering;
• reattività sufficiente;
• assorbimento selettivo;
• viscosità compatibile;
• sviluppo post-print;
• limitata diffusione delle specie reattive.

Il sistema epossidico cationico presenta poi una criticità particolare: una volta generato l’acido, la reazione può continuare anche dopo che il laser si è spostato. Questo fenomeno può ampliare la regione polimerizzata e ridurre la risoluzione.

LLNL ha infatti sviluppato anche formulazioni epossidiche liquide specifiche con inibitori e viscosità controllata per limitare acid diffusion.

Radical polymerization e cationic polymerization sono una combinazione strategica

Le due reazioni hanno caratteristiche abbastanza differenti da rendere possibile una selezione ottica, ma devono anche rimanere compatibili fisicamente nella stessa formulazione.

Questo è più vicino a un “material voxel” che a un cambio di resina

La parte più interessante della tecnologia è quindi concettuale. Nella normale produzione multimateriale il materiale viene scelto prima di arrivare alla zona di costruzione.

Una stampante FFF seleziona il filamento.

Un sistema PolyJet seleziona l’ink.

Un multi-vat SLA seleziona la vasca.

LLNL cerca invece di mantenere la stessa miscela ovunque e decidere al momento dell’esposizione quale fra le sue componenti diventerà parte del solido.

Il voxel non contiene quindi soltanto un’informazione geometrica — “pieno o vuoto” — ma potenzialmente anche un’informazione sul materiale.

In linea teorica il file potrebbe indicare:

• voxel A;
• voxel A+B;
• nessuna polimerizzazione.

Con chimiche ancora più ortogonali, future evoluzioni potrebbero estendere il numero delle proprietà controllabili.

Non significa però che bastino tre laser per ottenere automaticamente tre materiali

Ogni nuova lunghezza d’onda richiederebbe:

• nuovo fotoiniziatore;
• spettro sufficientemente distinto;
• compatibilità chimica con gli altri monomeri;
• optical transparency;
• nuovo sistema di calibrazione;
• controllo del cross-talk.

Con l’aumento delle chimiche aumenta anche la probabilità che gli spettri si sovrappongano.

La scalabilità “materiale” non è quindi lineare come aggiungere un altro spool a una stampante FFF.

Il vantaggio di LLNL è proprio lavorare in un campo nel quale due differenti reazioni sono già sufficienti per creare un numero molto maggiore di comportamenti funzionali combinando composizione e geometria.

Porosità e densità potrebbero essere particolarmente importanti per la fusione inerziale

L’origine della ricerca aiuta a capire perché LLNL abbia investito su questo problema. Un progetto Laboratory Directed Research and Development guidato da James Oakdale e Xiaoxing Xia sta lavorando alla produzione additiva di componenti destinati ai target dell’Inertial Confinement Fusion, ICF, compresi concetti per future fuel capsule.

Questi componenti sono un caso ideale per la 2PP:

• dimensioni relativamente piccole;
• geometrie estremamente precise;
• necessità di controllare microstruttura e densità;
• elevato valore per pezzo;
• produzione in volumi limitati.

LLNL sta studiando in particolare capsule di tipo wetted-foam, nelle quali una microstruttura interna porosa svolge una funzione fisica specifica.

La possibilità di creare nello stesso componente una parete relativamente densa e una regione interna con differente porosità è quindi direttamente coerente con questa esigenza.

Questo spiega anche perché una tecnologia apparentemente molto sofisticata per produrre un normale microcomponente possa essere razionale in un programma NIF: il costo della stampa non è necessariamente il vincolo principale; lo è la capacità di creare una struttura altrimenti molto difficile da fabbricare.

Il NIF è l’origine della ricerca, non l’unica applicazione possibile

LLNL elenca una gamma molto più ampia di possibili utilizzi:

• target per inertial confinement fusion;
• battery electrodes;
• fuel-cell electrodes;
• electrolyzer electrodes;
• photonic crystals;
• phononic crystals;
• mechanical metamaterials;
• MEMS;
• integrated circuit structures;
• quantum information processors;
• microfluidic devices;
• precision medical devices.

Queste applicazioni condividono una caratteristica: il valore deriva spesso dalla combinazione fra microarchitettura e proprietà del materiale.

Applicazioni e proprietà potenzialmente regolabili

Queste restano applicazioni potenziali indicate dal laboratorio, non mercati nei quali il nuovo processo sia già commercialmente qualificato.

La fotonica potrebbe essere uno dei campi più naturali

Nelle strutture fotoniche la differenza di indice di rifrazione fra due regioni è spesso altrettanto importante della geometria.

Con una normale 2PP monomateriale, l’indice rimane sostanzialmente determinato dal polimero scelto. Si può creare una struttura periodica, ma non modificare facilmente anche il materiale voxel per voxel.

Una chimica multi-network potrebbe invece permettere di cambiare localmente composizione e quindi indice.

Si apre così la possibilità teorica di produrre:

• waveguide;
• photonic crystals;
• micro-optics;
• gradient-index structures;
• metamateriali ottici.

La parola chiave è però “potenzialmente”: LLNL elenca l’indice di rifrazione fra le proprietà controllabili, ma non pubblica nel materiale commerciale del brevetto una libreria completa di valori Δn o una precisione cromatico-ottica equivalente a un prodotto industriale.

Anche gli elettrodi potrebbero beneficiare più della porosità che del “secondo materiale” in senso classico

Per batterie, fuel cell ed electrolyzer, la performance dipende fortemente da:

• superficie specifica;
• tortuosità;
• porosità;
• trasporto ionico;
• diffusione del gas;
• bagnabilità.

Una struttura ottimizzata geometricamente può già offrire vantaggi importanti. Se il processo permette anche di modificare la densità chimica o la superficie in regioni differenti, diventa possibile separare funzioni che normalmente devono essere ottenute con più processi.

LLNL cita inoltre la prospettiva di polymer/metal printing, ma questa deve essere interpretata con particolare prudenza. Il brevetto non dimostra che il sistema attuale stampi direttamente una traccia metallica bulk completa nello stesso modo in cui stampa l’acrilico. Può riferirsi a formulazioni contenenti precursori o a ulteriori sviluppi chimici. Non è quindi corretto presentare la macchina come una piattaforma polimero-metallo già pronta.

Il concetto dual-wavelength non nasce dal nulla

La selezione fotocromatica di diverse reazioni è un’area attiva della ricerca sulla vat photopolymerization.

Nel 2024, per esempio, un gruppo guidato da Andrew J. Boydston ha pubblicato su Nature Communications una tecnica di dual-wavelength vat photopolymerization capace di ottenere oggetti multicolore da una singola vasca attraverso il controllo spaziale dell’acidità.

Quella tecnologia non è la stessa architettura 2PP di LLNL, ma dimostra un principio generale importante: diverse lunghezze d’onda possono essere utilizzate come “comandi chimici” all’interno della stessa formulazione.

Anche la letteratura sulla photochemistry ortogonale descrive sistemi nei quali reazioni differenti possono essere cooperative, indipendenti oppure antagonistiche a seconda dello spettro.

La novità rivendicata da LLNL riguarda soprattutto l’applicazione di questa strategia alla 2PP ad altissima risoluzione, insieme all’allineamento multi-beam, al beam shaping e alla configurazione long-working-distance.

Dual-wavelength VPP e LLNL dual-wavelength 2PP

Il sistema non è ancora una piattaforma commerciale

LLNL attribuisce al progetto un Technology Readiness Level compreso fra 3 e 5.

Questo intervallo indica che la tecnologia ha superato il puro concetto teorico e dispone di dimostrazioni sperimentali, ma non è ancora equivalente a una macchina industriale qualificata.

Mancano ancora numerosi elementi necessari alla commercializzazione:

• stabilità della resina durante storage;
• shelf life;
• calibrazione automatizzata;
• ripetibilità fra build;
• precisione di overlap dei due laser;
• throughput;
• software;
• compensazione aberrazioni;
• controllo della temperatura;
• qualità dello stitching;
• manutenzione;
• costo delle sorgenti;
• characterization delle proprietà.

LLNL sta infatti presentando la tecnologia attraverso il proprio Innovation and Partnerships Office, cioè nell’ambito di possibili licensing e partnership industriali.

Non è stata annunciata una “LLNL dual-wavelength printer” commercialmente acquistabile.

La domanda di brevetto non equivale a un brevetto concesso

Anche sul piano legale è importante usare la terminologia corretta.

US20260249547A1 è una patent application pubblicata.

L’identificativo termina con A1, tipico delle domande statunitensi pubblicate, non con B1/B2, che normalmente identifica un brevetto concesso.

La domanda:

• è stata depositata il 27 febbraio 2025;
• è stata pubblicata il 27 agosto 2026;
• risulta pendente;
• è assegnata a Lawrence Livermore National Security LLC.

Il documento specifica inoltre che l’invenzione è stata sviluppata con supporto del governo statunitense attraverso il contratto DOE DE-AC52-07NA27344 e che il governo possiede determinati diritti sull’invenzione.

Il fatto che una domanda sia pubblicata non garantisce che tutte le rivendicazioni verranno concesse nella forma attuale.

Il sistema ottico è potente, ma anche molto più complesso di una 2PP convenzionale

Aggiungere un secondo laser significa moltiplicare i problemi di calibrazione.

Le due lunghezze d’onda attraversano materiali ottici con indici differenti e possono quindi subire:

• dispersione;
• focal shift;
• aberrazione cromatica;
• variazioni nel beam size;
• differenze di scansione.

Il sistema deve garantire che il voxel a 700 nm e quello a 1045 nm siano collocati esattamente dove il file li prevede.

Un errore di alcune centinaia di nanometri può essere irrilevante su una normale stampante FFF, ma può essere comparabile alla dimensione stessa di una feature 2PP.

Le principali difficoltà da risolvere

La parola “multi-materiale” va quindi utilizzata con precisione

Il sistema LLNL è realmente multimateriale nel senso che può generare nello stesso oggetto regioni con composizione e proprietà differenti.

Ma non è equivalente a una stampante che dispone di due vasche contenenti materiali completamente indipendenti.

Nella dimostrazione pubblicata:

• la miscela iniziale è una;
• le due chimiche coesistono;
• una lunghezza d’onda seleziona una reazione;
• l’altra ne attiva due;
• il post-processing elimina la componente non reticolata.

Questa distinzione non riduce l’importanza dell’invenzione. Al contrario, mostra che il valore risiede proprio nel fatto che il materiale finale viene deciso durante l’esposizione.

Potremmo descriverlo come un passaggio da:

single-material vat + binary voxel
a
multi-component vat + chemically programmable voxel.

È un cambiamento concettuale importante.

Rispetto a sistemi come UpNano, il principio è differente

Le piattaforme commerciali 2PP disponibili oggi possono utilizzare differenti lunghezze d’onda a seconda della macchina. UpNano, per esempio, propone NanoOne Red a 780 nm e NanoOne Green a 515 nm.

La lunghezza d’onda differente viene scelta per modificare dimensione del voxel, compatibilità con i materiali e prestazioni ottiche.

Ma Red e Green sono piattaforme/configurazioni distinte: non costituiscono un sistema nel quale due fasci vengono utilizzati coassialmente durante la stessa build per selezionare alternativamente due photochemistries all’interno dello stesso vat.

È precisamente questo passaggio che distingue il concetto LLNL.

L’obiettivo non è quindi sostituire le normali stampanti 2PP

Per molte applicazioni la doppia lunghezza d’onda sarebbe inutile.

Se si deve stampare:

• una microlente monomateriale;
• uno scaffold uniforme;
• una semplice microstruttura;
• un master per microreplication;

un sistema single-laser è più semplice e probabilmente più economico.

La doppia sorgente assume valore quando la funzione richiede variazioni spaziali di:

• modulo;
• densità;
• indice;
• porosità;
• composizione.

Il costo e la complessità aggiuntivi devono essere giustificati dalla funzione.

Il vero salto sarebbe passare dalla “forma 3D” alle “proprietà 3D”

È forse questo il modo più utile di leggere il brevetto.

La prima rivoluzione della 2PP è stata poter controllare una geometria tridimensionale a scala submicrometrica.

La proposta LLNL cerca di aggiungere una seconda libertà: controllare anche la proprietà del materiale in tre dimensioni.

Un elemento potrebbe avere:

• una superficie rigida;
• un nucleo morbido;
• zone porose;
• zone dense;
• regioni con indice ottico differente;

senza essere assemblato da pezzi distinti.

È un concetto vicino ai functionally graded materials, ma realizzato a una scala estremamente piccola.

La multi-materialità potrebbe inoltre ridurre interfacce nette

Quando due materiali vengono prodotti separatamente e successivamente uniti, l’interfaccia può diventare il punto più debole.

Se due network vengono generati all’interno della stessa miscela, è teoricamente possibile ottenere transizioni più graduali nella composizione.

Questo potrebbe essere particolarmente interessante per:

• stress concentration;
• optical interfaces;
• wettability gradients;
• soft-hard transitions.

Il brevetto contempla questa possibilità, ma LLNL non pubblica ancora una caratterizzazione completa di gradienti continui di Young’s modulus o refractive index ottenuti voxel-by-voxel.

Per il momento è corretto parlare di potenziale controllo spaziale delle proprietà, non di una libreria industrialmente validata di gradienti.

Anche il post-processing diventa parte della programmazione del materiale

Nel dimostratore acrilico-epossidico la differenziazione finale emerge completamente soltanto quando il componente viene sviluppato.

La regione a 1045 nm contiene acrilico polimerizzato e epossidico non reagito. Durante il lavaggio quest’ultimo viene rimosso, generando la porosità finale.

Questo significa che il processo non termina quando si spegne il laser.

Il comportamento finale dipende anche da:

• solvente;
• durata del lavaggio;
• diffusione;
• drying;
• eventuale curing successivo.

È quindi una catena light → chemistry → development → final property.

Qualificare una parte richiederebbe controllare tutti questi passaggi.

Per applicazioni medicali la possibilità è interessante ma la strada regolatoria sarebbe lunga

LLNL cita anche dispositivi medicali di precisione. Una microstruttura con zone morbide e rigide o differente bagnabilità potrebbe essere utile per microfluidica, scaffold e dispositivi miniaturizzati.

Ma l’utilizzo medicale introdurrebbe ulteriori requisiti:

• biocompatibilità;
• residui di monomero;
• extractables/leachables;
• sterilizzazione;
• stabilità;
• degradazione;
• ripetibilità.

Il fatto che una struttura possa essere stampata con elevata precisione non rende automaticamente i due network adatti al contatto biologico.

Le formulazioni dimostrate dal laboratorio sono prima di tutto materiali sperimentali per mostrare il principio.

Il vero vantaggio rispetto al cambio di vasca aumenta con la frequenza delle transizioni

Se una parte contiene soltanto due macro-regioni di materiale, cambiare vasca una volta può essere perfettamente accettabile.

La situazione cambia se un metamateriale utilizza differenti proprietà in ogni cella.

Supponiamo che una struttura richieda migliaia di cambi A/B. Anche con un sistema molto efficiente da 20 secondi per cambio, il solo material switching potrebbe richiedere decine di ore.

Con selezione ottica, il cambio teorico può avvenire semplicemente accendendo il fascio appropriato.

È in questo scenario che la complessità dei due laser diventa economicamente comprensibile.

Il confronto corretto non è due laser contro uno, ma due laser contro migliaia di cambi materiale

Questa è probabilmente la chiave industriale dell’invenzione.

Un’ottica più costosa può essere giustificata se elimina:

• sistemi multi-vat;
• washing intermedio;
• drying;
• manipolazione della parte;
• rischio di cross-contamination;
• tempi morti.

Il valore aumenta inoltre con la risoluzione. Più piccole sono le zone A/B, più difficile diventa sostituire fisicamente la resina.

Il progetto resta però molto lontano da una produzione industriale ad alto volume

Il TRL 3–5 dichiarato da LLNL è coerente con la fase di sviluppo.

Sono presenti:

• configurazione ottica;
• resin chemistry;
• dimostrazione sperimentale;
• SEM delle strutture;
• domanda di brevetto.

Non sono ancora presenti pubblicamente:

• prezzo;
• throughput commerciale;
• macchina standard;
• automatizzazione completa;
• MTBF;
• libreria materiali;
• processo certificato;
• dati statistici su grandi batch.

La tecnologia è quindi più vicina a una piattaforma di ricerca pronta per partnership e licensing che a un prodotto acquistabile.

La domanda di brevetto è comunque interessante perché unisce tre problemi normalmente separati

Il documento non riguarda soltanto la stampa multi-materiale. Integra tre direzioni di ricerca:

1. multi-wavelength photochemistry, per selezionare la composizione;
2. advanced beam shaping, per controllare la dimensione del voxel;
3. long-working-distance 2PP, per aumentare la scala del componente.

Separatamente, ognuna esiste come area di sviluppo. Combinarle in un’unica macchina produce una piattaforma nella quale si può tentare di espandere contemporaneamente:

• materiali;
• risoluzione;
• dimensioni.

Questa ambizione spiega anche la complessità del diagramma ottico pubblicato nel brevetto.

La vera sfida sarà rendere il sistema sufficientemente stabile da non richiedere un fisico ottico per ogni build

Una piattaforma commerciale deve trasformare una procedura di laboratorio in una macchina ripetibile.

L’utente non dovrebbe dover:

• riallineare manualmente due fasci;
• controllare pinhole;
• correggere aberrazioni;
• riformulare la resina;
• calibrare ogni volta il voxel.

Servono automazione, sensori, software e procedure di calibrazione.

È lo stesso percorso seguito dalla normale 2PP: tecniche che inizialmente richiedevano sofisticati laboratori di ottica sono state progressivamente trasformate in sistemi commerciali utilizzabili da ricercatori e aziende.

La dual-wavelength 2PP dovrà attraversare lo stesso processo, ma con un numero maggiore di variabili.

Il brevetto LLNL mostra comunque una possibile direzione futura della microstampa 3D

La domanda US20260249547A1 non annuncia una nuova stampante pronta per la vendita e non dimostra che tutti gli utilizzi elencati possano essere realizzati oggi. È una domanda di brevetto pendente associata a una tecnologia sperimentale che LLNL colloca a TRL 3–5.

Ma il principio affronta uno dei limiti più importanti della microfabbricazione 2PP: il fatto che una straordinaria libertà geometrica venga normalmente ottenuta all’interno di un unico materiale per volta.

La soluzione proposta è elegante proprio perché non cerca di muovere più rapidamente vasche e resine. Cerca di rendere la resina stessa selezionabile dalla luce.

Il fascio non comunica più soltanto:

“qui deve esserci materiale”.

Può iniziare a comunicare:

“qui deve esserci questo tipo di materiale”.

Nel dimostratore di LLNL la distinzione è ancora relativamente semplice: una lunghezza d’onda crea principalmente il network acrilico, l’altra crea acrilico ed epossidico insieme. Ma già questa combinazione permette di ottenere regioni dense e porose nella stessa microstruttura senza cambiare vasca.

Se futuri sistemi riusciranno a rendere le photochemistries ancora più ortogonali, aumentare la stabilità della formulazione e automatizzare l’allineamento ottico, la 2PP potrebbe evolvere da tecnologia che programma la geometria voxel per voxel a processo capace di programmare geometria e materiale voxel per voxel.

Per fotonica, metamateriali, microfluidica, elettrodi e soprattutto i complessi target di fusione studiati dal Lawrence Livermore National Laboratory, questa seconda libertà potrebbe risultare molto più importante dell’aumento puro della risoluzione.