Un nuovo approccio alla stampa 3D del vetro

Un gruppo di ricercatori della Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (Kiel University) ha messo a punto un metodo di manifattura additiva che permette di stampare e fondere direttamente il vetro durante il processo, usando impulsi laser ad alta energia. L’approccio prende il nome di Laser-Assisted Melt Printing (LAMP) e combina la scrittura a inchiostro diretto (Direct Ink Writing, DIW) con una fusione locale indotta dal laser.  

Perché stampare il vetro è così complicato

La stampa 3D del vetro al biossido di silicio è un tema di ricerca molto attivo: il materiale è chimicamente stabile, trasparente, resistente alle alte temperature e quindi strategico per ottica, fotonica, microfluidica e sensori. Tuttavia, trasformare il vetro in oggetti tridimensionali con geometrie complesse non è affatto banale.

• I processi diretti (che fondono il vetro in corso d’opera con laser o sorgenti termiche ad alta intensità) richiedono impianti complessi, spesso specifici per un solo tipo di materiale.

• I processi indiretti (ad esempio stampa di preforme polimeriche o vetro in forma di “green body”) richiedono quasi sempre un trattamento di sinterizzazione in forno ben oltre i 1.000 °C, con tempi lunghi, consumo energetico rilevante e rischio di deformazioni o crepe 

In questo scenario il metodo LAMP prova a collegare i punti forti di entrambe le famiglie di processi: la versatilità delle paste per DIW e la densificazione diretta tipica dei processi laser. 

Come funziona il Laser-Assisted Melt Printing (LAMP)

Nel processo LAMP, il team di Kiel utilizza una “particle ink” a base di silice: un inchiostro composto da una miscela di nanoparticelle e microparticelle di vetro disperse in un legante. Questa pasta viene depositata strato su strato mediante Direct Ink Writing, formando la geometria dell’oggetto in modo simile alla stampa di ceramiche o materiali pastosi.  

La differenza rispetto ad altri approcci è che la consolidazione del materiale non viene affidata a un forno, ma avviene in tempo reale tramite il laser:

1. l’inchiostro viene estruso sul substrato secondo il percorso definito dal modello 3D;

2. un laser ad impulsi ad alta energia colpisce selettivamente le regioni di interesse, fondendo il materiale a base di silice in modo localizzato;

3. la zona fusa solidifica subito dopo, dando origine a regioni dense e trasparenti di vetro.

La regolazione congiunta di potenza del laser, velocità di scansione e parametri della pasta permette di controllare densità, rugosità superficiale e trasparenza già durante il processo di stampa. Analisi tramite microscopia elettronica e spettroscopia riportate dal team mostrano aree completamente densificate, con assenza di porosità rilevante e quindi adatte a impieghi ottici.  

Controllo delle proprietà ottiche con nanoparticelle metalliche

Oltre alla densificazione del vetro, il metodo LAMP integra un secondo livello di progettazione: il controllo delle proprietà ottiche tramite nanoparticelle metalliche generate in situ.

Nel lavoro descritto su Materials & Design, i ricercatori di Kiel mostrano che, introducendo ioni metallici (ad esempio oro o argento) nell’inchiostro di partenza, durante la fusione laser si formano nanoparticelle metalliche all’interno della matrice vetrosa. La dimensione e la distribuzione di queste nanoparticelle determinano il colore e lo spettro di trasmissione del vetro, fungendo di fatto da filtri ottici integrati.  

La potenza del laser diventa quindi un vero e proprio “controllo di sintesi”: variando l’energia depositata è possibile creare zone con diversa densità di nanoparticelle, passaggi netti tra regioni otticamente differenti o gradienti continui di colore e trasparenza all’interno dello stesso componente.  

Questo approccio apre la strada a microottiche personalizzate, guide d’onda, filtri e componenti per fotonica integrata, in cui geometria e risposta spettrale sono progettati insieme fin dalla fase di stampa.

Applicazioni possibili: dalla fotonica agli impianti personalizzati

Nell’articolo originale su 3Druck.com viene sottolineato come il metodo LAMP sia pensato non solo per componenti fotonici, ma anche per ceramiche biomediche e impianti personalizzati, che richiedono sia geometrie complesse sia controllo sul comportamento meccanico e ottico. Per il campo biomedico, i ricercatori evidenziano in particolare:

• la possibilità di produrre impianti dentali e ossei in materiali ceramici ad alte prestazioni, riducendo passaggi e vincoli legati alla sinterizzazione in forno;

• la prospettiva di strutture porose o con gradienti, che potrebbero essere ottimizzate per integrazione ossea, fissaggio meccanico o veicolazione di farmaci;

• l’uso di ceramiche bioattive stampate con una strategia simile, sempre con fusione laser mirata, per ridurre le tensioni termiche e il rischio di difetti.  

Sul fronte fotonico e optoelettronico, il controllo locale di trasparenza e colore nel vetro consente di immaginare:

• micro-lenti e micro-ottiche integrate direttamente su chip o su supporti ceramici;

• componenti per sensori ottici, dove il colore o la trasmissione spettrale sono legati alla concentrazione di un analita o alla deformazione meccanica;

• elementi per dispositivi laser compatti, dove il vetro funge da mezzo di trasmissione o modulazione del fascio luminoso. 

Vantaggi rispetto ai processi con forno ad alta temperatura

Uno dei punti centrali del lavoro del gruppo guidato da Leonard Siebert è la possibilità di evitare il passaggio in forno ad altissima temperatura per la sinterizzazione del vetro o delle ceramiche.

Nei metodi tradizionali, il materiale stampato viene portato per ore sopra i 1.000 °C in un forno dedicato. Questo:

• allunga notevolmente il ciclo di produzione;

• implica un consumo energetico elevato;

• introduce tensioni interne e possibili deformazioni, in particolare su strutture sottili o con geometrie complesse;

• rende più rischiosa la produzione di impianti su misura, che devono rispettare tolleranze strette e non tollerano crepe o distorsioni.  

Nel processo LAMP, la fusione e solidificazione avvengono in modo localizzato, direttamente durante la deposizione. In questo modo:

• il tempo complessivo di processo si riduce;

• la gestione termica è più mirata, con minori gradienti su larga scala nel pezzo;

• risulta più semplice progettare porosità e densità in funzione dell’applicazione, senza dover contare su un unico ciclo di forno per l’intero componente. 

Il gruppo di ricerca e il contesto a Kiel

Gli autori del lavoro – Philipp Schadte, Kolja Krohne, Anika Felis, Lukas Kleinow, Leonard Stock, Lola Schockemöhle, Jakob Offermann, Ole Groneberg, Jürgen Carstensen, Lorenz Kienle e Leonard Siebert – appartengono al Department of Materials Science della Faculty of Engineering della Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, in particolare alle cattedre di Functional Nanomaterials e Synthesis and Real Structure.  

Il lavoro si inserisce in una linea di ricerca più ampia del gruppo di Functional Nanomaterials, che da anni sviluppa:

• materiali porosi avanzati, come aerogel a base di nitruro di boro o tetrapodi di ossido di zinco;

• strategie di manifattura additiva e auto-organizzazione per dispositivi funzionali, tema al centro anche della tesi premiata di Leonard Siebert sulla “Additive and Self-Organised Manufacturing”.  

Lo stesso Siebert tiene divulgazioni e seminari sul tema del 3D printing di vetro e ceramiche con supporto laser, illustrando come sia possibile fondere paste ceramiche mediante laser ad alta potenza per costruire oggetti “strato su strato” da materiali che, per lungo tempo, sono stati considerati poco compatibili con la stampa 3D diretta. 

Prospettive e passi successivi

Secondo quanto riportato da 3Druck.com, il gruppo di Kiel sta lavorando a trasferire il concetto LAMP da sistemi vetrosi a ceramiche biomediche e ad approfondire la scalabilità del processo su componenti più grandi o su serie di pezzi. Le principali direttrici di sviluppo includono:

• l’ottimizzazione delle inchiostri a base di silice e ceramiche per ottenere viscosità e stabilità compatibili con la stampa ripetibile;

• lo studio della relazione fra parametri di processo (potenza, velocità, atmosfera di gas) e proprietà finali del vetro, inclusa la trasparenza e la risposta spettrale;

• la validazione del metodo in contesti regolati, come dispositivi medici e impianti personalizzati, dove i protocolli di qualità e tracciabilità sono essenziali.  

Se queste tappe daranno esito positivo, LAMP potrebbe diventare uno strumento importante per integrare funzionalità ottiche e strutturali nello stesso oggetto, riducendo passaggi di processo e lasciando più spazio a geometrie complesse e a funzioni distribuite nel volume del componente.