MAASS sta lavorando a una versione a sei serbatoi della sua stampante 3D SHIMMY

MAASS porta il full color nella stampa 3D a resina: SHIMMY potrebbe passare da due a sei vasche

Il produttore del New Hampshire vuole combinare l’elevata risoluzione della fotopolimerizzazione con più colori e materiali, ma velocità, contaminazione e controllo cromatico rimangono le sfide decisive

Il produttore statunitense MAASS sta sviluppando una nuova evoluzione della propria stampante 3D a resina SHIMMY, basata su un’architettura insolita nella quale il componente può essere trasferito automaticamente fra più vasche contenenti fotopolimeri differenti. L’attuale macchina commerciale utilizza due materiali, mentre l’azienda ha dichiarato di stare lavorando a una seconda configurazione con sei vasche destinata alla produzione di oggetti full color. La composizione prospettata prevede tre resine cromatiche Cyan, Magenta e Yellow, una resina bianca utilizzata anche per la parte interna dell’oggetto, una nera per ombre e tonalità scure e una sesta resina trasparente oppure solubile destinata a protezione o supporti. L’obiettivo è ottenere all’interno della vat photopolymerization qualcosa che normalmente viene associato a tecnologie material jetting come Stratasys PolyJet o Mimaki 3DUJ: un componente nel quale colore, trasparenza e potenzialmente proprietà differenti vengano creati direttamente durante la costruzione, evitando la successiva verniciatura.

La notizia richiede però alcune precisazioni. Il sito MAASS mostra già una SHIMMY Quad a quattro vasche CMYK, descritta come piattaforma capace di ottenere full color mediante una tecnica proprietaria di deposizione stratificata. La dichiarazione più recente ripresa da Fabbaloo e successivamente da 3Druck parla invece di una macchina a sei vasche con una diversa suddivisione CMY + bianco + nero + clear/support. MAASS non ha ancora pubblicato una scheda tecnica completa della configurazione a sei vasche, un prezzo, una data di commercializzazione o dati indipendenti sul gamut cromatico. Per questo è più corretto descriverla come sistema in sviluppo e non come una stampante full color già disponibile. Anche l’affermazione dell’azienda secondo cui la configurazione permetterebbe di riprodurre “ogni colore della palette” deve essere considerata un claim del produttore: ottenere una vera riproduzione cromatica controllata richiede non soltanto disporre dei pigmenti primari, ma anche calibrazione, controllo dell’opacità, profondità di polimerizzazione, distribuzione spaziale dei differenti materiali e un modello colore capace di prevedere ciò che l’occhio vedrà nel pezzo finale.

SHIMMY nasce per risolvere uno dei problemi storici della fotopolimerizzazione: cambiare resina durante la stampa

Una normale stampante SLA, DLP o MSLA lavora quasi sempre con una sola resina alla volta. Il materiale liquido occupa la vasca e il componente cresce mentre rimane costantemente bagnato dallo stesso fotopolimero. Cambiare materiale durante il job è molto più difficile che cambiare filamento su una FFF, perché il pezzo appena estratto dalla vasca porta sulla propria superficie una pellicola di resina non polimerizzata. Se venisse immediatamente immerso in una seconda vasca, una parte del primo materiale finirebbe nel secondo contaminandolo e alterandone progressivamente composizione, colore e comportamento alla luce.

SHIMMY affronta il problema separando fisicamente le resine e introducendo fra un materiale e l’altro una vera stazione di pulizia e asciugatura. L’architettura commerciale utilizza due vasche con silicone wiper. Dopo l’esposizione del materiale necessario per una determinata sezione, la piattaforma viene trasferita verso un bagno ultrasonico che rimuove la resina liquida aderente al componente. Un air knife, cioè un getto d’aria ad alta velocità distribuito lungo una linea, asciuga successivamente la superficie. Il liquido di lavaggio viene inoltre trattato attraverso una pompa, un filtro e una sorgente UV per estrarre o solidificare la resina contaminante. Soltanto quando la parte è sufficientemente pulita può entrare nella seconda vasca.

Il ciclo permette quindi di alternare materiali differenti sullo stesso oggetto. La prima vasca può contenere una resina rigida e la seconda una più elastica, oppure una resina strutturale e una solubile per i supporti. MAASS indica anche applicazioni legate all’elettronica, nelle quali una resina standard viene combinata con una formulazione successivamente metallizzabile per creare percorsi conduttivi integrati. È proprio questa capacità multimateriale, più che il colore in sé, il principio sul quale è nata SHIMMY.

Il passaggio a sei vasche amplifica contemporaneamente possibilità e problemi

Portare lo stesso principio da due a sei materiali non richiede semplicemente aggiungere quattro contenitori. Ogni ulteriore resina introduce una combinazione di problemi legati a temperatura, esposizione, viscosità, contaminazione e adesione all’interfaccia con le altre formulazioni. Il materiale A deve aderire correttamente al materiale B già parzialmente polimerizzato; entrambi devono rispondere in modo sufficientemente compatibile alla sorgente DLP a 405 nm; la pulizia fra i due non deve lasciare solvente o liquido capace di interferire con la successiva fotopolimerizzazione. Se vengono utilizzati sei materiali, il numero delle possibili interfacce cresce rapidamente.

È per questo che la letteratura scientifica considera ancora il material switching uno dei principali ostacoli della multi-material vat photopolymerization. Una review pubblicata su npj Advanced Manufacturing nel 2024 divide gli approcci principalmente in tre categorie: sistemi a più vasche, sistemi a vasca unica con distribuzione dinamica dei fluidi e processi “vat-less”. Nel primo gruppo, al quale appartiene concettualmente SHIMMY, il cambio materiale è composto da tre fasi altrettanto importanti: spostamento verso il materiale successivo, rimozione della resina residua e asciugatura. I primi sistemi sperimentali potevano richiedere diversi minuti per una sola transizione; progetti più recenti hanno ridotto pulizia e asciugatura fino a circa 15-30 secondi attraverso spray, getti d’aria o centrifugazione. MAASS afferma di avere lavorato precisamente su questa parte del problema e il CEO JF Brandon ha raccontato pubblicamente che una delle iterazioni del sistema di air knife avrebbe ridotto il ciclo di cleaning da circa 90 a 15 secondi.

Sei vasche non significano necessariamente sei passaggi per ogni layer

È qui che occorre correggere una possibile semplificazione presente nelle prime notizie. Una stampante a sei materiali non deve necessariamente utilizzare tutti e sei in ogni singolo layer. Se una determinata sezione del modello contiene soltanto il core bianco, la macchina può teoricamente utilizzare soltanto quella resina. Se contiene bianco e nero, saranno necessari più passaggi. Una superficie con una texture cromatica complessa potrebbe invece richiedere l’impiego sequenziale di più colori nella stessa quota Z.

Il tempo totale dipenderà quindi non soltanto dall’altezza dell’oggetto, ma anche dalla frequenza dei cambi di materiale. È la stessa ragione per cui una stampante FFF multicolore può realizzare rapidamente un oggetto composto da quattro grandi bande colorate ma rallentare enormemente quando deve cambiare filamento decine di volte a ogni layer. Nel caso SHIMMY la penalizzazione è potenzialmente maggiore perché il cambio non consiste soltanto nello spostamento verso una nuova vasca: la superficie deve essere sufficientemente pulita e asciutta da non trasferire pigmenti e resina liquida nel recipiente successivo.

È quindi plausibile aspettarsi una velocità inferiore rispetto all’attuale SHIMMY quando vengono prodotti oggetti realmente full color, ma non è possibile ricavare una velocità corretta semplicemente dividendo quella della versione dual-vat per sei. MAASS non ha ancora pubblicato un benchmark rappresentativo della macchina a sei vasche.

Anche le specifiche dell’attuale SHIMMY richiedono prudenza perché il sito MAASS riporta due serie di dati

La pagina prodotto ufficiale indica un prezzo di 18.000 dollari, due vasche, un volume di costruzione di 78 × 51 × 141 mm, velocità di 6 mm/h e un intervallo definito dall’azienda come “voxel size” da 50 a 0,5 µm. Più in basso, sulla stessa pagina e nella sezione “How it Works”, MAASS pubblica però valori differenti: 60 × 120 × 150 mm di volume, risoluzione di 40 µm e velocità fino a 10 mm/h con due materiali. Non è indicato chiaramente se questi dati appartengano a revisioni hardware differenti oppure se una parte del sito non sia stata aggiornata.

Il dato più affidabile per comprendere il principio di funzionamento è invece la presenza di un proiettore DLP a 405 nm, delle due vasche riscaldate, del bagno ultrasonico e dell’air knife. MAASS afferma inoltre che SHIMMY possa lavorare con qualsiasi fotopolimero sensibile a 405 nm e promuove la compatibilità anche con formulazioni caricate con particelle ceramiche o metalliche e resine ad alta viscosità. Anche questa dichiarazione va interpretata come indicazione di ampia compatibilità e non come garanzia che qualsiasi resina commerciale possa essere caricata e stampata senza caratterizzazione: esposizione, cure depth, viscosità, filler e temperatura modificano significativamente il comportamento della fotopolimerizzazione.

Il colore viene costruito in modo completamente diverso rispetto a Mimaki e Stratasys

Il confronto più interessante riguarda le tecnologie full color già consolidate. Una Mimaki 3DUJ-2207 utilizza material jetting UV: testine piezoelettriche depositano piccolissime quantità di inchiostro fotopolimerizzabile Cyan, Magenta, Yellow, Black, White e Clear, che vengono immediatamente polimerizzate con LED UV. Mimaki dichiara oltre 10 milioni di colori, risoluzione di stampa fino a 1200 dpi e layer da 28 µm sul modello 2207. La più grande 3DUJ-553 lavora con la stessa logica su un volume da 508 × 508 × 305 mm e scende a layer da 20 µm. Il vantaggio del jetting è che materiali e colori possono essere distribuiti direttamente nelle coordinate desiderate senza immergere il componente in sei bagni diversi.

Stratasys J850 Prime segue una filosofia simile attraverso PolyJet e può caricare fino a sette materiali contemporaneamente. La società dichiara centinaia di migliaia di combinazioni cromatiche, colori PANTONE validati e la possibilità di combinare materiale rigido, flessibile, trasparente e supporto nello stesso job. Il volume di costruzione è 490 × 390 × 200 mm e lo spessore dei layer può scendere a 14 µm in modalità High Quality.

SHIMMY compie invece la separazione dei materiali nel tempo, trasferendo la parte da una resina all’altra e utilizzando la proiezione DLP per decidere quali zone di quella determinata sezione devono essere polimerizzate. È un’architettura più lenta nei cambi, ma potenzialmente capace di utilizzare formulazioni di resina più vicine a quelle normalmente impiegate in VPP, comprese resine con proprietà meccaniche o funzionali specifiche che sarebbero difficili da eiettare attraverso gli ugelli microscopici di una testina inkjet.

È proprio la possibilità di usare resine funzionali il vero argomento di MAASS

MAASS contrappone il proprio approccio a due estremi. Le stampanti FFF multimateriale possono utilizzare un’ampia gamma di polimeri termoplastici e produrre parti robuste, ma la dimensione del filamento estruso limita la risoluzione cromatica e la capacità di riprodurre texture fotografiche. Le piattaforme material jetting full color raggiungono invece livelli di dettaglio e controllo cromatico molto elevati, ma lavorano con una libreria di materiali sviluppati appositamente per essere eiettati e fotopolimerizzati dal sistema.

SHIMMY vuole occupare lo spazio fra le due categorie: alta risoluzione DLP e possibilità di scegliere resine con proprietà differenti. In teoria una singola parte potrebbe quindi contenere regioni rigide e morbide, zone colorate, elementi trasparenti, supporti dissolvibili o aree predisposte alla metallizzazione.

Questa è una prospettiva più interessante del semplice “stampare una statuetta a colori”, perché il valore della multi-material VPP è soprattutto la capacità di creare componenti funzionalmente eterogenei. La letteratura scientifica ha già dimostrato applicazioni multimateriale in soft robotics, attuatori, metamateriali, bioprinting, sensori e strutture con proprietà meccaniche localmente differenti. Il problema rimane trasformare queste dimostrazioni in un processo abbastanza veloce e affidabile per l’uso industriale.

Il bianco ha un ruolo molto più importante di quanto sembri

Nella configurazione a sei vasche descritta da MAASS il bianco non serve soltanto come un altro colore. L’azienda lo indica esplicitamente come materiale per il core, cioè per l’interno dell’oggetto. È una scelta logica. Stampare tutto il volume con costose resine cromatiche sarebbe inefficiente e la presenza di un nucleo neutro permette di concentrare le informazioni cromatiche prevalentemente nelle regioni superficiali.

Il bianco può inoltre funzionare come fondo ottico. La percezione di un pigmento dipende dalla quantità di luce assorbita, diffusa e riflessa dagli strati sottostanti. Uno strato colorato semitrasparente depositato sopra un nucleo bianco può apparire molto più brillante e controllabile rispetto allo stesso strato sopra una massa scura o trasparente. Il nero può invece aumentare densità delle ombre e contrasto senza richiedere combinazioni molto spesse di CMY.

È quindi interessante che la configurazione annunciata non sia una semplice estensione CMYK con altri due colori. Solo cinque delle sei vasche parteciperebbero direttamente alla costruzione cromatica, mentre la sesta avrebbe funzione trasparente, protettiva oppure di supporto dissolvibile.

“Riprodurre tutti i colori” è però molto più difficile che disporre di cyan, magenta e yellow

Nei sistemi di stampa 2D il modello CMYK funziona perché sottilissimi strati di pigmento vengono depositati con densità e distribuzioni estremamente controllate su un substrato. In una struttura tridimensionale fotopolimerizzata entrano in gioco altre variabili: ogni resina possiede un proprio indice di rifrazione, una profondità di cura, una concentrazione di pigmento e un comportamento di scattering. Gli strati hanno inoltre spessore fisico molto maggiore rispetto alle normali gocce di inchiostro su carta.

Per generare gradazioni sarà quindi necessario controllare quanto di ciascun colore viene incorporato localmente. Il sito MAASS parla di “proprietary layered printing technique”, ma non pubblica il dettaglio dell’algoritmo. Una possibilità è l’utilizzo di pattern spaziali o stratificati di materiali differenti che l’occhio percepisce come un colore intermedio, concettualmente simile al dithering o alla sintesi ottica. Non sappiamo però se la macchina utilizzi esclusivamente questo principio, sovrapposizioni di resine semitrasparenti oppure una combinazione di strategie.

Senza dati colorimetrici, valori ΔE, gamut misurato e benchmark standardizzati non è quindi possibile confrontare l’affermazione “full color” con le oltre 10 milioni di combinazioni dichiarate da Mimaki o con i colori PANTONE validati da Stratasys. La nuova SHIMMY potrebbe produrre un risultato visivamente molto interessante pur avendo un gamut differente.

La contaminazione cromatica diventa molto più evidente con il full color

Una piccola quantità di resina strutturale contaminata da un secondo materiale può essere tollerabile in alcune applicazioni meccaniche. Nel full color la stessa quantità può diventare visivamente evidente. Una traccia di pigmento magenta nella vasca gialla modifica il colore di tutte le parti successive; una piccola quantità di nero è ancora più problematica.

La stazione ultrasonica e l’air knife assumono quindi un ruolo centrale. Non devono necessariamente rendere il componente perfettamente pulito nel senso del normale post-processing finale, ma devono ridurre il film residuo abbastanza da impedire un progressivo cross-contamination delle vasche. Più aumentano i colori e più severo diventa il requisito.

La review scientifica del 2024 sottolinea proprio che pulizia e asciugatura sono altrettanto importanti dello scambio fisico della vasca nel determinare throughput e qualità della multi-material VPP. Un residuo di solvente può inoltre diluire la nuova resina o modificare la polimerizzazione nell’interfaccia, motivo per cui alcuni gruppi di ricerca stanno sperimentando pulizia centrifuga o ad aria senza solvente.

MAASS recupera parte della resina rimossa durante il lavaggio

Un elemento poco evidente ma interessante dell’attuale SHIMMY è il sistema di trattamento del bagno. MAASS utilizza una pompa, filtrazione e UV per separare dal liquido di pulizia parte della resina estratta dal componente. Brandon ha sottolineato questa funzione commentando proprio la review sulla multi-material VPP e sostenendo che il recupero riduce la contaminazione del bagno e mantiene più efficiente la pulizia.

Il recupero è particolarmente importante quando la macchina lavora con formulazioni speciali o costose. In un sistema multi-vat, eliminare completamente ogni residuo sotto forma di rifiuto a ogni cambio materiale può incidere significativamente sul costo operativo. Con sei resine il problema cresce ulteriormente.

Non esistono però dati pubblici sufficienti per quantificare la percentuale effettivamente recuperata o il numero di cicli per i quali il liquido di lavaggio può essere mantenuto prima della sostituzione.

I supporti solubili potrebbero essere una delle applicazioni più pratiche della tecnologia

Prima ancora di arrivare al full color, la possibilità di utilizzare due vasche permette a SHIMMY di risolvere un problema molto concreto delle normali stampanti a resina: i supporti. Nella SLA tradizionale supporto e componente vengono prodotti con lo stesso materiale e devono essere separati meccanicamente. Questo può lasciare segni, danneggiare dettagli sottili e rendere difficili alcune strutture interne.

MAASS propone di utilizzare una seconda resina dissolvibile per i supporti. Dopo la costruzione, la struttura temporanea può quindi essere rimossa chimicamente anziché spezzata. È un principio comune nella FFF multimateriale, dove PVA o altri polimeri solubili vengono usati da anni, ma è molto meno diffuso nella vat photopolymerization commerciale.

La configurazione a sei vasche mantiene questa possibilità riservando l’ultima posizione a una resina clear o dissolvibile. In un oggetto a colori complesso la sesta vasca potrebbe quindi non aggiungere alcun pigmento e avere un ruolo prevalentemente produttivo.

La stessa piattaforma viene sviluppata anche per circuiti tridimensionali

MAASS considera inoltre la stampa a più resine come base per realizzare elettronica integrata. La società ha sviluppato una strategia Selectively Plateable nella quale alcune zone vengono stampate con una resina specifica predisposta alla metallizzazione. Dopo la stampa, un processo di plating deposita metallo soltanto sulle regioni desiderate, trasformandole in percorsi conduttivi.

L’azienda dichiara trace width/spacing nell’ordine di 40 µm per circuiti planari o tridimensionali. Anche in questo caso si tratta di dati del produttore, ma l’applicazione aiuta a capire perché MAASS attribuisca tanta importanza alla possibilità di utilizzare resine differenti nello stesso oggetto. Il colore può attirare più attenzione visiva, ma circuiti, supporti solubili e zone con proprietà meccaniche differenti rappresentano probabilmente applicazioni industriali economicamente più interessanti.

Il vero limite può essere proprio la produttività

La configurazione dual-vat viene pubblicizzata con una velocità fino a 10 mm/h nella sezione tecnica del sito, mentre la scheda commerciale riporta 6 mm/h. Anche prendendo il valore più alto, una versione full color che richiede numerosi cambi durante ogni livello può allungare notevolmente i job.

Questo è il principale vantaggio competitivo dei sistemi material jetting: più materiali vengono eiettati nello stesso passaggio della testina e successivamente polimerizzati, senza dover lavare l’intero componente fra un colore e l’altro. La loro complessità è elevata, ma la gestione del colore è intrinseca al processo.

SHIMMY sceglie un compromesso differente: il prezzo della flessibilità dei materiali è il tempo necessario per cambiare bagno senza contaminarlo. La tecnologia può quindi risultare molto più interessante per piccoli oggetti ad alto valore o per R&D multimateriale che per produzioni nelle quali throughput e dimensioni diventano prioritari.

Lo stesso sito MAASS è sorprendentemente chiaro su questo punto. Nelle FAQ afferma che la società vende oggi SHIMMY soprattutto a clienti interessati a multi-polymer printing a bassi volumi e alla domanda se il sistema possa produrre parti in mass production risponde sostanzialmente che, per ora, non è realmente possibile. La finalità dichiarata è mettere la piattaforma nelle mani di industria, università e ricercatori affinché sviluppino nuove applicazioni multimateriale. È una descrizione molto più prudente di alcune frasi commerciali della stessa pagina che parlano di produzione “at scale”.

La SHIMMY a sei vasche potrebbe comunque occupare uno spazio interessante fra desktop SLA e sistemi full color da centinaia di migliaia di euro

Il prezzo dell’attuale versione dual-vat è indicato in 18.000 dollari. Non esiste ancora un prezzo ufficiale per il sistema a quattro o sei vasche e non sarebbe corretto semplicemente moltiplicare il valore per il numero dei contenitori. Proiettore, Z-stage, enclosure, elettronica e parte della meccanica possono essere condivisi. Crescono però dimensioni, movimentazione, sistemi di pulizia, controllo e quantità di resina necessaria.

Anche se una futura versione dovesse costare sensibilmente più dell’attuale SHIMMY, potrebbe comunque rimanere in una fascia molto diversa rispetto ai sistemi professionali full-color PolyJet e Mimaki. Il confronto economico avrebbe però senso soltanto considerando anche volume di costruzione, produttività, qualità cromatica e post-processing: una macchina più economica che richiede molte ore per un piccolo modello non è automaticamente più conveniente per ogni applicazione.

Il progetto mostra soprattutto quanto la stampa a resina stia cercando di superare il paradigma del singolo materiale

Per quasi tutta la storia commerciale di SLA e DLP, l’elevata risoluzione è stata ottenuta accettando un limite sostanziale: un job, una vasca, un materiale. I processi FFF e material jetting hanno invece sviluppato molto prima architetture multimateriale. La ricerca degli ultimi anni mostra che questa divisione non è inevitabile.

Sistemi a vasche multiple, distribuzione dinamica dei fluidi, tecniche vat-less e processi ibridi stanno cercando di rendere la fotopolimerizzazione realmente multimateriale. La review pubblicata su npj Advanced Manufacturing rilevava ancora nel 2024 una presenza commerciale estremamente limitata, soprattutto per sistemi destinati a slurry ceramici o metallici. SHIMMY prova a portare la stessa logica verso fotopolimeri più convenzionali e a costruire una macchina accessibile a laboratori e imprese interessate a sperimentare.

La futura versione full color rappresenta quindi quasi un test estremo di questa filosofia. Se una macchina riesce a passare ripetutamente fra cyan, magenta, yellow, white, black e una sesta resina funzionale senza contaminazioni visibili e senza tempi proibitivi, lo stesso meccanismo può essere utilizzato per combinazioni di materiali molto più utili dal punto di vista funzionale.

Per ora rimangono diverse domande aperte: MAASS non ha comunicato prezzo o disponibilità della versione a sei vasche, il sito mostra contemporaneamente una SHIMMY Quad a quattro vasche CMYK, non sono pubblicati benchmark indipendenti sulla fedeltà cromatica e mancano dati che permettano di stimare il throughput di un vero oggetto full color. Esiste però già una macchina dual-materiale commerciale e il principio di pulizia, asciugatura e cambio resina non è soltanto un rendering.

È probabilmente questa la parte più interessante del progetto: MAASS non sta cercando di trasformare una stampante inkjet in una SLA a colori, ma di conservare la logica della vat photopolymerization e renderla progressivamente capace di gestire più materiali. Il full color potrebbe diventare la dimostrazione più visibile della tecnologia, mentre il valore industriale maggiore potrebbe arrivare proprio dalle combinazioni che l’occhio non vede immediatamente: supporti dissolvibili, zone rigide e flessibili, materiali funzionali e circuiti incorporati nello stesso oggetto.

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