Medicina

Le strutture di supporto creeranno o spezzeranno questi cuori stampati in 3D?

Per Per questo San Valentino, concentriamo la nostra attenzione sui cuori, la medicina e il ruolo della produzione additiva

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La stampa 3D è stata di interesse nel settore medico sin dall’inizio ed è oggi utilizzata per una miriade di applicazioni, dalle guide chirurgiche e modelli anatomici (come nel caso del cuore) agli impianti e agli strumenti. Recentemente, la tecnologia è diventata particolarmente importante, fornendo supporto ai medici locali nei momenti di grande bisogno. La sinterizzazione laser selettiva (SLS), in particolare, è stata uno strumento importante nel mondo dell’AM medica, supportando interventi chirurgici e procedure complessi sotto forma di strumenti e ausili visivi.

Sebbene la stampa 3D SLS abbia molti vantaggi, tra cui la scelta dei materiali e l’accuratezza di stampa, uno dei maggiori vantaggi che offre è la stampa senza supporto. Utilizzando altri metodi di stampa 3D, come FDM e SLA, vengono generate strutture aggiuntive per supportare la geometria della parte mentre viene stampata. Queste strutture di supporto devono quindi essere rimosse utilizzando processi meccanici o chimici, il che aggiunge tempo considerevole alla produzione complessiva e può influenzare la qualità delle parti.

In SLS, al contrario, è la polvere che supporta ogni strato di costruzione, rendendo possibile la produzione di modelli complessi con varie geometrie e piccoli dettagli. Questa capacità è particolarmente utile nell’industria medica, dove sono necessari modelli anatomici altamente complessi basati sulla tomografia e altri metodi di imaging specializzati.

C’è qualche tecnologia adatta per la stampa di modelli medici?

Uno dei vantaggi più noti della stampa 3D è la sua capacità di stampare geometrie incredibilmente complesse, limitate non da circostanze tecniche ma dall’immaginazione. Le tecnologie di stampa, tuttavia, differiscono notevolmente l’una dall’altra a causa di materiali, sistemi, metodi di progettazione e approcci di stratificazione diversi. In considerazione di ciò, ogni applicazione e modello 3D devono essere considerati singolarmente, analizzati in termini di requisiti di superficie, tolleranza dimensionale e proprietà meccaniche.

Un fattore vitale quando si decide quale tecnologia utilizzare per un modello 3D è se richiede strutture di supporto e se il processo di rimozione ostacolerà le proprietà estetiche o la funzione della parte. Molti modelli medici sono caratterizzati da strutture anatomiche complesse e caratteristiche interne. In questi casi, la scelta della tecnologia di stampa 3D può creare o distruggere l’applicazione. Confrontando i modelli anatomici di cuore stampati in 3D utilizzando varie tecnologie, dimostreremo quanto impatto possono avere i supporti sulla qualità e l’usabilità del modello finale.

Influenza delle strutture di supporto sulla geometria del pezzo in SLA, FDM e SLS

Nell’immagine sopra ci sono quattro modelli di cuore stampati in 3D realizzati in resina (SLA), ABS (FDM), PLA (FDM) e PA12 (SLS). Nel caso dei modelli FDM, le strutture di supporto sono piuttosto fitte e, a causa della geometria del modello, numerose. Anche le strutture di supporto solubili, pur essendo più facili da rimuovere, interferiscono con la superficie del pezzo, lasciando tracce. Inoltre, alcuni dettagli sul lato non sono stati stampati correttamente a causa delle loro piccole dimensioni e gli strati stampati sono chiaramente visibili, oscurando i dettagli nel modello che potrebbero essere stati importanti per ragioni mediche. Infine, l’uso della post-elaborazione per appianare gli strati stampati può comportare la perdita di dettagli e la definizione della parte.

Guardando il modello di cuore stampato in 3D SLA, sia la superficie che la mappatura degli elementi sono molto più ordinate. Tuttavia, alcune delle strutture di supporto erano troppo grandi per essere rimosse senza danneggiare il modello – questo è particolarmente vero attorno ai piccoli elementi sporgenti. La rimozione dei supporti SLA dal modello del cuore ha provocato segni e tracce in aree difficili da raggiungere senza rischiare danni.

Il modello stampato in 3D SLS, al contrario, è stato stampato come un pezzo unico senza la necessità di alcuna struttura di supporto. Questo grazie al letto di polvere, che supporta la geometria del modello durante la sinterizzazione. La polvere di supporto viene successivamente rimossa dalla parte nella sabbiatrice. Nel complesso, il processo SLS ha creato un modello con dettagli superiori ai modelli FDM e in resina.

Post produzione

Oltre a influenzare potenzialmente la qualità del modello stampato, la rimozione delle strutture di supporto richiede tempo. Nel caso dei modelli con cuore in ABS e PLA, alcuni supporti sono stati rimossi facilmente mentre altri erano più impegnativi, anche nonostante un grande sforzo e l’uso di strumenti specializzati. La post-elaborazione del modello SLA è stata invece abbastanza semplice: le strutture nello spazio ristretto tra la superficie del modello e la base dovevano essere tagliate. Tuttavia, rimuovere i supporti senza danneggiare il modello complesso richiedeva tempo e alla fine sono rimaste tracce dei supporti. Questo non era un problema con il modello SLS: la polvere rimanente dal modello veniva semplicemente rimossa e raccolta. Da lì, potrebbe essere rinfrescato (cioè miscelato con nuova polvere) e riutilizzato, facilitando la post-elaborazione e riducendo al minimo gli sprechi.

Qualità della superficie

Guardando la qualità della superficie dei modelli finali di cuore, ci concentreremo sui modelli SLS e SLA. (Escluderemo i modelli FDM in questa sezione: sebbene la tecnologia possa creare modelli con un’eccellente qualità superficiale, non è stata ottenuta con una parte così complessa). A differenza di FDM, le tecnologie SLS e SLA hanno naturalmente una bassa visibilità dello strato. Guardando da vicino i modelli del cuore, tuttavia, vediamo dettagli più definiti sul modello SLS. Il modello in resina è molto liscio e molti dettagli sono fusi con le strutture di supporto.

Il modello SLS ha nel complesso fornito i migliori risultati superficiali: il cuore non è compromesso da tracce superficiali o strutture di supporto, e non presenta segni da intervento meccanico. Fondamentalmente, anche la geometria interna della parte è di alta qualità.

Nelle applicazioni mediche, sia per le indagini che per la preparazione chirurgica, la qualità della superficie delle cavità interne è critica tanto quanto le caratteristiche esterne. Guardando i modelli al microscopio, la parte FDM presenta grandi strati arrotondati visibili sulla superficie (questi infatti sono visibili senza il microscopio). Il processo SLA utilizza strati piatti molto sottili, che si traduce in una finitura superficiale liscia. Infine, il processo SLS si traduce in una superficie ruvida senza strati distinguibili. Ad occhio nudo, le parti SLS appaiono opache, lisce e senza strati.

Precisione geometrica

I supporti hanno anche influenzato l’accuratezza dei modelli di cuore stampati in 3D. A un livello, i resti delle strutture di supporto sui modelli del cuore hanno ridotto la precisione geometrica della stampa. Inoltre, c’era troppo materiale aggiuntivo in alcune delle cavità del modello di cuore, rendendo impossibile la misurazione. Nel caso del modello in resina, c’era anche un problema con la polimerizzazione: il materiale non era completamente indurito al centro del modello, il che ha portato alla sfocatura.

Il modello SLS era di gran lunga superiore in termini di precisione, in gran parte grazie alla mancanza di supporti. Le misurazioni sul cuore SLS erano comprese tra   +/- 0,1 mm, che è considerata un’elevata precisione (lo standard di produzione secondo gli hub 3D nella tecnol\ogia SLS è +/- 0,3 mm).

* Standard di 3D Hub

** Colori di deviazione: verde – fino a 0,1 mm, giallo – 0,1 – 1,0 mm, rosso – oltre 1 mm.

SLS, una soluzione perfetta per i modelli medici

SLS consente agli utenti di produrre geometrie dettagliate che sono difficili, se non impossibili, da ottenere con altri processi di stampa 3D. Questa è una capacità preziosa nel settore medico, dove i professionisti medici beneficiano di modelli anatomici estremamente accurati quando pianificano un intervento chirurgico o comunicano una procedura ai pazienti.

Il tempo è anche un fattore vitale nell’industria medica. Eliminando la necessità di post-elaborazione per la rimozione del supporto, la tecnologia SLS può fornire parti anatomiche in modo tempestivo, riducendo i tempi di attesa per le parti e mettendo più rapidamente i modelli nelle mani dei professionisti medici. Con Sinterit Lisa e la nuova gamma di accessori di stampa, è più facile ottenere parti di alta qualità e ad alta fedeltà con geometrie complesse al di fuori dell’ambito di altre tecnologie di stampa.

Articolo originale a cura di Adrianna Kania, pubblicato in collaborazione con Sinterit.

 

 

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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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