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La corsa verso la stampa 3D volumetrica accelera

Gli ultimi sforzi di Harvard, Stanford, Berkeley e LLNL si concentrano su vetro e... gelatina

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3D Printing Business Media sta seguendo da tempo gli sforzi per portare sul mercato la tecnologia di stampa 3D volumetrica. Sembra che ci troviamo in un periodo molto eccitante: stiamo assistendo a molti progressi tecnologici all’interno di questa nuova tecnica. La produzione additiva volumetrica (VAM), presentata come una “tecnica di stampa 3D quasi istantanea”, elimina la necessità delle strutture di supporto tipicamente richieste per la creazione di progetti complessi con metodi di stampa più standard e potrebbe semplificare la stampa di progetti sempre più complessi risparmiando tempo e materiale.

Stampa 3D volumetrica con vetro

Tra gli ultimi sforzi Utilizzando un nuovo approccio VAM basato su laser, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e dell’Università della California, Berkeley hanno dimostrato la capacità di stampare in 3D oggetti microscopici in vetro di silice, parte di uno sforzo per produrre un’ottica delicata e senza strati che può essere costruito in secondi o minuti. I risultati sono riportati nell’ultimo numero della rivista Science.

Soprannominata “The Replicator”, dal nome del dispositivo immaginario di Star Trek in grado di fabbricare istantaneamente quasi qualsiasi oggetto, la tecnologia di litografia assiale computerizzata (CAL) sviluppata da LLNL e UC Berkeley si ispira ai metodi di imaging della tomografia computerizzata (TC). CAL funziona calcolando le proiezioni da molte angolazioni attraverso un modello digitale di un oggetto target, ottimizzando queste proiezioni dal punto di vista computazionale e quindi consegnandole in un volume rotante di resina fotosensibile utilizzando un proiettore di luce digitale. Nel tempo, i modelli di luce proiettati ricostruiscono o accumulano una distribuzione 3D della dose di luce nel materiale, polimerizzando l’oggetto in punti che superano una soglia di luce mentre la vasca di resina gira. In una configurazione di stampa 3D volumetrica ideale.

Combinando una nuova tecnica VAM su microscala chiamata micro-CAL, che utilizza un laser invece di una sorgente LED, con una resina di vetro nanocomposita sviluppata dall’azienda tedesca Glassomer e dall’Università di Friburgo, i ricercatori della UC Berkeley hanno riportato la produzione di robusti , oggetti di vetro a microstruttura complessa con una rugosità superficiale di soli sei nanometri con caratteristiche fino a un minimo di 50 micron.

Hayden Taylor, professore associato di ingegneria meccanica della UC Berkeley, ricercatore principale del progetto, ha affermato che il processo micro-CAL, che produce una dose maggiore di luce e polimerizza oggetti 3D più velocemente e con una risoluzione più elevata, combinato con le resine nano-composite caratterizzate da LLNL si sono rivelati una “corrispondenza perfetta l’uno per l’altro”, creando “risultati sorprendenti nella forza degli oggetti stampati”.

“Gli oggetti di vetro tendono a rompersi più facilmente quando contengono più difetti o crepe o hanno una superficie ruvida”, ha detto Taylor. “La capacità di CAL di realizzare oggetti con superfici più lisce rispetto ad altri processi di stampa 3D è, quindi, un grande potenziale vantaggio”.

“Puoi immaginare di provare a creare queste piccole micro-ottiche e complesse microarchitetture usando tecniche di fabbricazione standard; non è davvero possibile”, ha affermato Caitlyn Krikorian Cook, coautrice di LLNL, leader del gruppo e ingegnere dei polimeri nella divisione di ingegneria dei materiali del laboratorio, “E essere in grado di stamparle pronte per l’uso senza dover eseguire tecniche di lucidatura consente di risparmiare un notevole quantità di tempo. Se è possibile eliminare le fasi di lucidatura dopo aver formato l’ottica, con una rugosità ridotta, è possibile stampare una parte pronta per l’uso”.

Le applicazioni del mondo reale potrebbero includere la micro-ottica in fotocamere di alta qualità, elettronica di consumo, imaging biomedico, sensori chimici, cuffie per realtà virtuale, microscopi avanzati e microfluidica con geometrie 3D impegnative come le applicazioni “lab on a chip”, dove i canali microscopici sono necessari per la diagnostica medica, gli studi scientifici fondamentali, la produzione di nanomateriali e lo screening dei farmaci. Inoltre, le proprietà benigne del vetro si prestano bene ai biomateriali, o in caso di alta temperatura o resistenza chimica, ha aggiunto Cook. La dottoressa e i ricercatori della UC Berkeley hanno affermato che il vetro stampato con VAM potrebbe avere un impatto sui dispositivi in ​​vetro solido con caratteristiche microscopiche, produrre componenti ottici con maggiore libertà geometrica e a velocità più elevate e potrebbe potenzialmente abilitare nuove funzioni o prodotti a basso costo.

Gelatina volumetrica

In altre notizie dell’Università, Dan Congreve, un assistente professore di ingegneria elettrica a Stanford ed ex Rowland Fellow al Rowland Institute dell’Università di Harvard, e i suoi colleghi hanno sviluppato un modo per stampare oggetti 3D all’interno di un volume stazionario di resina. L’oggetto stampato è completamente supportato dalla resina spessa (immagina una action figure che galleggia al centro di un blocco di gelatina) in modo che possa essere aggiunto da qualsiasi angolazione, eliminando la necessità di strutture di supporto. Il rapporto su questo tipo di sistema di stampa 3D volumetrico è stato pubblicato sulla rivista Nature.

L’approccio del contenitore di gelatina non è del tutto nuovo, con il MIT e la BMW che lavorano su un’altra tecnologia simile per la produzione di parti in uretano. Il componente chiave nel nuovo design della stampa 3D volumetrica dei ricercatori di Harvard sta trasformando la luce rossa in luce blu aggiungendo quello che è noto come un processo di conversione verso l’alto alla resina, il liquido reattivo alla luce utilizzato nelle stampanti 3D che si indurisce in plastica.

Il laboratorio di Congreve è specializzato nella conversione di una lunghezza d’onda della luce in un’altra utilizzando l’upconversion per fusione di triplette. Con le giuste molecole in stretta vicinanza l’una all’altra, i ricercatori possono creare una catena di trasferimenti di energia che, ad esempio, trasformano fotoni rossi a bassa energia in fotoni blu ad alta energia.

“Mi sono interessato a questa tecnica di upconversion ai tempi della scuola di specializzazione”, ha detto Congreve. “Ha tutti i tipi di applicazioni interessanti nel solare, nel bio e ora in questa stampa 3D. La nostra vera specialità sono i nanomateriali stessi: progettarli per emettere la giusta lunghezza d’onda della luce, per emetterla in modo efficiente e per essere dispersi nella resina”.

Attraverso una serie di passaggi (che includevano l’invio di alcuni dei loro materiali per un giro in un frullatore Vitamix), Congreve e i suoi colleghi sono stati in grado di formare le necessarie molecole di conversione in goccioline distinte su nanoscala e rivestirle in un guscio protettivo di silice. Quindi hanno distribuito le nanocapsule risultanti, ciascuna delle quali è 1000 volte più piccola della larghezza di un capello umano, in tutta la resina.

“Capire come rendere robuste le nanocapsule non è stato banale: una resina per stampa 3D è in realtà piuttosto dura”, ha affermato Tracy Schloemer, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Congreve e uno degli autori principali dell’articolo. “E se quelle nanocapsule iniziano a sgretolarsi, la tua capacità di eseguire l’upconversion scompare. Tutti i tuoi contenuti fuoriescono e non puoi ottenere quelle collisioni molecolari di cui hai bisogno.

“Quello che ci chiedevamo è, potremmo effettivamente stampare interi volumi senza dover eseguire tutti questi passaggi complicati?” disse Congreve. “Il nostro obiettivo era quello di utilizzare semplicemente un laser che si muovesse per creare un vero modello in tre dimensioni e non essere limitato da questo tipo di natura strato per strato delle cose”.

Nella stampa 3D, la resina si indurisce in una linea piatta e retta lungo il percorso della luce. Qui, i ricercatori usano nanocapsule per aggiungere sostanze chimiche in modo che reagisca solo a un certo tipo di luce: una luce blu nel punto focale del laser che viene creata dal processo di upconversion. Questo raggio viene scansionato in tre dimensioni, quindi viene stampato in questo modo senza che sia necessario sovrapporlo a qualcosa. La resina risultante ha una viscosità maggiore rispetto al metodo tradizionale, quindi può resistere senza supporto una volta stampata.

“Abbiamo progettato la resina, abbiamo progettato il sistema in modo che la luce rossa non faccia nulla”, ha detto Congreve. “Ma quel puntino di luce blu innesca una reazione chimica che fa indurire la resina e trasformarsi in plastica. Fondamentalmente, ciò significa che hai questo laser che passa attraverso tutto il sistema e solo in quel piccolo blu ottieni la polimerizzazione, [solo lì] fai in modo che la stampa avvenga. Scansioniamo semplicemente quel punto blu in tre dimensioni e ovunque quel punto blu lo colpisce polimerizza e ottieni la tua stampa 3D.

I ricercatori, che includevano Christopher Stokes del Rowland Institute, hanno in programma di continuare a sviluppare il sistema per la velocità e di perfezionarlo per stampare dettagli ancora più fini. Il potenziale della stampa 3D volumetrica è visto come un punto di svolta perché eliminerà la necessità di strutture di supporto complesse e accelererà notevolmente il processo quando raggiungerà il suo pieno potenziale.

“Stiamo davvero solo iniziando a scalfire la superficie di ciò che questa nuova tecnica potrebbe fare”, ha detto Congreve.

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