La TU Wien Controlla le Proprietà dei Materiali con Precisione Millimetrica Tramite Luce e Temperatura
Superare l’Uniformità dei Materiali nella Stampa 3D
Un limite intrinseco della stampa 3D tradizionale è che le proprietà del materiale sono generalmente uniformi in tutta la parte stampata. Sebbene la topologia e la geometria possano essere complesse, la rigidità o la resistenza di un componente rimangono costanti. Questo impedisce la creazione di oggetti con transizioni graduali o differenziazioni mirate delle proprietà meccaniche, come un’area più flessibile per l’assorbimento degli urti e un’area adiacente più rigida per il supporto strutturale.
I ricercatori del Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien), in collaborazione con la Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston, hanno sviluppato un metodo innovativo che supera questa limitazione. Utilizzando una combinazione altamente precisa di luce e temperatura, è ora possibile controllare e variare le proprietà di un polimero in modo puntuale e tridimensionale durante il processo di stampa.
La Tecnologia: Fotopolimerizzazione e Transizione Vetrosa
La nuova metodologia si basa su una sofisticata forma di stereolitografia (SLA) o di altre tecniche di fotopolimerizzazione, ma con un meccanismo di controllo aggiuntivo:
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Polimeri a Rete Sensibili: I ricercatori utilizzano resine polimeriche (monomeri liquidi) che reagiscono alla luce ultravioletta (UV) per polimerizzare, trasformandosi in un solido. La chiave è che questi polimeri contengono gruppi chimici che possono essere attivati e controllati.
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Il Doppio Meccanismo di Polimerizzazione:
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Luce (UV): Il fascio luminoso, controllato con precisione (ad esempio tramite un Digital Light Processing – DLP o scanner laser), definisce la geometria dell’oggetto strato per strato. La luce avvia una prima reazione di polimerizzazione.
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Temperatura: Dopo l’irradiazione con la luce, i ricercatori sfruttano una seconda reazione chimica, che non viene attivata dalla luce, ma è fortemente dipendente dalla temperatura. Riscaldando o raffreddando la piattaforma di costruzione in modo controllato, è possibile regolare la velocità e l’entità di questa seconda reazione, modificando la densità dei legami incrociati nel materiale.
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Questo controllo termico agisce sulla temperatura di transizione vetrosa ($T_g$) del polimero: una $T_g$ più alta corrisponde a un materiale più rigido e resistente. Variando il grado di reazione termica in diverse regioni del componente, i ricercatori possono letteralmente stampare parti che sono più rigide in alcuni punti e più morbide in altri, con transizioni graduali tra le proprietà.
Applicazioni e Potenziale Industriale e Medico
La possibilità di controllare le proprietà del materiale in modo volumetrico e puntuale apre nuove frontiere di design e funzionalità in diversi settori, rendendo la stampa 3D un processo di produzione ancora più potente:
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Medicina e Bioingegneria: Si possono creare impianti medici o protesi che presentano diverse rigidità: un punto flessibile per adattarsi meglio a un tessuto morbido del corpo e una parte rigida per garantire l’integrità strutturale. Il team della TU Wien ha menzionato in particolare l’applicazione in ortopedia e in materiali biocompatibili.
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Robotica e Materiali Funzionali: Lo sviluppo di Soft Robotics, dove i robot sono costituiti da materiali flessibili e deformabili, può beneficiare enormemente. È possibile creare giunti o attuatori senza parti mobili separate, dove la funzione di movimento o di snodo è incorporata nella variazione di rigidità del materiale stesso.
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Ingegneria Strutturale: Nella produzione di componenti complessi come supporti o ammortizzatori, si possono progettare transizioni di rigidità per ottimizzare l’assorbimento degli urti in determinate direzioni o per distribuire meglio le sollecitazioni.
Il lavoro, condotto principalmente dal team del professor Robert Liska e del dottor Christian Gorsche della TU Wien, rappresenta una significativa evoluzione nella chimica dei materiali per l’AM, trasformando il processo di stampa da pura creazione di forma alla creazione simultanea di forma e funzione materiale.
