L’accessibilità della stampa 3D migliora con le nuove tecniche a due laser, pronte a ridurre i costi

Un gruppo di ricercatori innovativi ha scoperto un modo per ridurre i costi della stampa 3D e migliorare le prestazioni grazie a un nuovo metodo di stampa a due laser. Il team dell’Università di Purdue ha pubblicato uno studio dei loro risultati nella rivista scientifica Optics Express. Lo studio approfondisce i dettagli di una tecnica avanzata di manifattura additiva a laser a doppio colore che potenzia il modello attuale di polimerizzazione a due fotoni. Ecco tutto quello che c’è da sapere.

Processi di manifattura additiva di oggi

Per comprendere appieno l’importanza di questo studio, è utile dare un rapido sguardo all’evoluzione del processo di manifattura additiva. Il concetto di stampa 3D è stato un viaggio entusiasmante che a volte ricorda la fantascienza. Questi dispositivi sono passati dai fumetti a diventare tra i più popolari, e spesso l’unico modo per creare determinati oggetti.

Estrusione di materiale

Le prime stampanti 3D utilizzavano un metodo chiamato estrusione di materiale. Un ugello riscaldato riceveva un lungo rotolo di filamento termoplastico. Il filamento veniva riscaldato fino a diventare malleabile e poi depositato a strati per formare la forma desiderata. Questo tipo di stampante 3D è l’opzione più economica e più diffusa oggi.

Letto di polvere

Le stampanti 3D a letto di polvere sono utilizzate per creare oggetti in metallo e ceramica. Questo metodo di stampa 3D integra un letto riscaldato e una stampante a getto d’inchiostro che spruzza un materiale legante. Questo materiale costruisce l’oggetto strato per strato ed è in grado di realizzare design 3D complessi. Sviluppi recenti in questo approccio hanno reso possibile la stampa di più materiali e persino di componenti elettronici.

Deposizione fusa

La deposizione fusa utilizza un filamento termoplastico depositato mediante metodi di estrusione di materiale. Da lì, i laser vengono impiegati per modellare e fissare la forma dell’oggetto con grande precisione. È importante notare che l’uso dei laser nel settore della manifattura additiva è comune, con il primo utilizzo della stereolitografia (SLA) avvenuto nel 1984.

Polimerizzazione a due fotoni (TPP)

Oggi il metodo di polimerizzazione a due fotoni (TPP) è il più comunemente usato per stampe industriali su scala micron. Questo metodo si basa su due laser femtosecondi che possono modellare, indurire e solidificare compositi progettati su misura. Offre alta precisione ed è un metodo collaudato per creare microstrutture e altri piccoli dispositivi dettagliati che sarebbero impossibili con altri metodi.

Problemi di questo approccio

Vari problemi del metodo TPP hanno spinto i ricercatori a esplorare alternative. Innanzitutto, i laser femtosecondi sono molto costosi, sensibili e richiedono alta precisione. La più piccola variazione può far sì che questi dispositivi necessitino di una manutenzione intensiva.

Ricercatori

Riconoscendo queste inefficienze, i ricercatori guidati dall’ingegnere dell’Università di Purdue Xianfan Xu hanno ideato un nuovo approccio a più strati che promette di ridurre i costi. Per realizzare questo compito, il team ha dovuto superare una varietà di ostacoli, dalla interferenza laser alla sintonizzazione. Ecco come sono riusciti a superare le difficoltà e a creare un processo di produzione completamente nuovo con il potenziale di rivoluzionare il mercato.

Studio a due laser

Lo studio “Two-color 3D printing for reduction in femtosecond laser printing power” esamina l’uso di un laser a bassa potenza per gestire alcune delle attività che in precedenza richiedevano unità femtosecondi doppie. Per realizzare questo compito, il team ha creato un impianto di litografia a due fotoni costruito su misura. Questa configurazione include un percorso laser secondario verso il piano di stampa, consentendo ai ricercatori di raccogliere preziosi dati in tempo reale sugli effetti del laser.

Passo 1 – Preparare il materiale

Il primo passo compiuto dai ricercatori è stato far passare il materiale attraverso un processo fotochimico. Questo processo aiuta a ridurre le specie inibenti nel materiale, rendendolo più malleabile ai laser utilizzati per la modellazione e la polimerizzazione. In tal modo, questo passaggio aggiuntivo ha permesso ai ricercatori di eliminare l’uso di laser femtosecondi doppi.

Laser a basso costo

Il nuovo processo ha consentito ai ricercatori di sfruttare un’opzione meno costosa per le prime interazioni laser. Il team ha eliminato un’unità femtosecondi e l’ha sostituita con un’opzione a luce visibile che ha lavorato in collaborazione con il dispositivo ad alta potenza. Questo laser a basso costo è stato sintonizzato per completare il laser femtosecondi senza introdurre interferenze.

Laser femtosecondi

Il laser femtosecondi scelto per il test era un laser a fibra pulsata da 532 nm nanosecondi (ns) prodotto da MPB Communications Inc. Il dispositivo offre alta sintonizzabilità, consentendo al team di provare diverse frequenze di ripetizione. Il team ha infine optato per una frequenza di ripetizione di 80 MHz con una larghezza d’impulso di 1,2 ns.

Specchi a due laser

Gli impulsi sono stati ulteriormente concentrati tramite un obiettivo a immersione d’olio Nikon, NA = 1,49 100X. Questo approccio ha integrato specchi ultraveloci altamente dispersivi di Edmund Optics per avviare la dispersione di precompensazione. Inoltre, è stato utilizzato un laser elio-neon (HeNe) per garantire la precisione. In particolare, questo fascio ha assicurato che il percorso laser fosse ripetibile.

Un atto di equilibrio con due laser

La precisione necessaria per creare questo nuovo processo di produzione ha richiesto agli ingegneri di sviluppare un nuovo modello matematico. Questo modello ha reso possibile mappare le reazioni di fotopolimerizzazione attraverso gli stati. In passato, modelli separati venivano usati per calcolare lo stato eccitato e la successiva cinetica di polimerizzazione del laser.
Il modello aggiornato ha permesso ai ricercatori di misurare con precisione l’effetto combinato dei processi di eccitazione a due fotoni e a fotone singolo in tempo reale. Questa capacità ha consentito al team di determinare i requisiti minimi di consumo energetico per il laser femtosecondi affinché svolgesse le sue funzioni senza perdere prestazioni.

Test a due laser

I ricercatori hanno quindi iniziato a testare la loro creazione su più progetti. Queste varie strutture 2D e 3D sono state scelte per la loro complessità e dimensione. Il team voleva assicurarsi che il loro dispositivo potesse essere realizzato su scala micron. Pertanto, i primi oggetti stampati sono stati cumuli di legno dettagliati di dimensioni 25 × 25 × 10 μm.

Il team non si è fermato ai cumuli di legno. Ha anche stampato un buckyball microscopico, una struttura chirale e un nodo trifoglio. Queste forme sono state scelte perché hanno permesso al team di dimostrare molteplici aspetti della loro ricerca. Ecco cosa dicono i risultati dei test sul loro lavoro.

Risultati

I risultati dei test hanno mostrato un notevole miglioramento nell’unità. Il dispositivo è stato in grado di stampare tutte le unità utilizzando il 50 % in meno di energia. La riduzione del consumo è stata ottenuta in diversi modi. Prima, i ricercatori hanno ridotto i laser femtosecondi da un dispositivo da 800 nm a un laser da 530 nm. Questo cambiamento ha aumentato l’efficienza senza compromettere le prestazioni grazie al nuovo metodo.
Inoltre, il nuovo processo è stato in grado di produrre risultati simili allo standard industriale utilizzando meno materiale e tempo. In particolare, l’assorbimento a fotone singolo da un laser a lunghezza d’onda visibile ha ridotto la concentrazione di inibitori fornendo risultati comparabili.

Integrazione facile

Uno dei maggiori vantaggi di questo studio è che il nuovo metodo può essere facilmente integrato nei metodi attuali a costi minimi. Questo approccio aiuterebbe a ridurre i costi eliminando la necessità per i produttori di acquistare nuovi dispositivi. Invece, le loro configurazioni attuali possono essere retrofittate per utilizzare il nuovo metodo a basso costo.

Applicazioni a due laser

Esistono diverse applicazioni immediate per questa tecnologia. La manifattura additiva è più popolare che mai, e qualsiasi modo per ridurre i costi e migliorare le prestazioni riceverà sicuramente il supporto del settore. Ecco alcune altre applicazioni di questa tecnologia.

Microelettronica/Robotica

La scala miniaturizzata con cui questi dispositivi possono stampare li rende ideali per l’uso nella microelettronica e nella robotica. Queste unità sono notoriamente difficili da costruire e sono diventate una parte vitale di molte industrie. Pertanto, questo nuovo processo di produzione faciliterebbe la creazione e la prototipazione di nuove strutture da utilizzare in questi dispositivi.

Biomedicina

L’assistenza sanitaria è un altro settore in cui queste microstrutture e dispositivi sono impiegati. Piccole strutture e scaffold sono ora utilizzati per ingegnerizzare tessuti e altri dispositivi bio-robotici. Queste unità aiutano le persone a recuperare più rapidamente dalle lesioni e a godere di una migliore qualità della vita.

Aziende che potrebbero beneficiare di questa ricerca oggi

Molte aziende diverse potrebbero trarre beneficio da questa ricerca nei prossimi anni. Dalla biomedicina all’uso militare e industriale, i sistemi di manifattura additiva micro potrebbero vedere prestazioni migliorate grazie al nuovo metodo di stampa laser multicolore. Ecco alcune aziende che potrebbero integrare subito questa tecnologia e vedere risultati.

1. Medtronic

MDT Grafico dei prezzi

Medtronic, con sede negli Stati Uniti, è un leader globale nel settore dei dispositivi medici. Il produttore è stato fondato nel 1949 come struttura di riparazione medica. Oggi, l’azienda detiene numerosi brevetti nella tecnologia medica ed è uno dei nomi più riconosciuti nel settore.

Medtronic è stata una pioniera nell’industria dei pacemaker ed è stata una delle prime a brevettare un dispositivo impiantabile. Da allora, è rimasta una forza dominante sul mercato, continuando a introdurre nuove tecnologie per migliorare la vita dei pazienti. L’integrazione di un metodo di stampa laser a due colori migliorerebbe significativamente le loro offerte, consentendo di ridurre le dimensioni dei loro dispositivi.

Medtronic è uno dei produttori di dispositivi medici più riusciti al mondo. Nel 2024, l’azienda ha registrato 32 miliardi di dollari di fatturato. Oggi, le sue continue innovazioni e il suo posizionamento la rendono un’aggiunta ideale a qualsiasi portafoglio.

2. Abbott Laboratories

ABT Grafico dei prezzi

Abbott Laboratories (ABT ) esiste dal 1888. È stata fondata in Illinois e si è rapidamente affermata come uno dei nomi più riconoscibili del settore. Abbott Laboratories offre una gamma di prodotti, tra cui farmaci, dispositivi medici, integratori alimentari e supplementi nutrizionali.

Abbott Laboratories ha prodotti che coprono molteplici settori dell’industria medica. In particolare, è riconosciuta per le sue offerte nel campo cardiovascolare, diagnostico, del diabete e della neuromodulazione. Inoltre, gestisce alcune filiali molto popolari, tra cui Pedialyte e Similac, leader nella produzione di formule per neonati.

Le performance azionarie di Abbott Laboratories sono rimaste in crescita. La combinazione di dispositivi medici e offerte nutrizionali rende l’azienda un solido “hold” per qualsiasi investitore. Il futuro appare promettente per questa impresa, che ora svolge un ruolo fondamentale nella fornitura globale di dispositivi per la salute cardiaca.

Futuro

Poche industrie hanno visto un’innovazione così significativa come il mercato della manifattura additiva. Questo ultimo sviluppo aiuterà a spingere l’uso di questi dispositivi nella robotica miniaturizzata e nei dispositivi elettronici come i wearables. In futuro, i micro-wearable e i dispositivi medici impiantabili avranno un ruolo più centrale nell’industria. Ecco alcuni altri recenti progressi nella stampa 3D che potrebbero favorire l’adozione.

Stampanti spaziali

Ci sono stati recenti sviluppi nel settore della stampa spaziale. Queste unità differiscono dalle controparti terrestri perché devono essere in grado di stampare strati senza l’aiuto della gravità. Questo compito non è facile da realizzare poiché tutti i metodi attuali richiedono un approccio a strati.
I ricercatori sono riusciti a superare questi problemi usando matematica complessa e racchiudendo il dispositivo. L’involucro serve a molteplici scopi, tra cui proteggere gli astronauti da fumi mortali o altri incidenti che potrebbero compromettere l’atmosfera altamente sensibile di un veicolo spaziale.

Stampanti AI

Le stampanti 3D AI stanno diventando più comuni. L’integrazione di algoritmi AI avanzati sta avendo un impatto notevole su quasi tutti i settori tecnologici. In futuro, sarà possibile richiedere stampe 3D semplicemente tramite chat o voce.
L’AI continua a fornire un modo semplificato per le persone di superare le barriere tecniche. Per questo motivo, è considerata da molti uno degli sviluppi più importanti del mercato. In futuro, le stazioni di stampa 3D AI e altri servizi saranno comuni. Per ora, questa tecnologia continua a semplificare le interazioni e a rimuovere gli ostacoli tecnici per i nuovi utenti.

Robot auto-riparanti

Un altro scenario da fantascienza che è diventato realtà sono i robot auto-riparanti. Non ci è voluto molto tempo perché i ricercatori creassero una stampante 3D in grado di stampare tutte le parti necessarie al suo funzionamento. Ora, lo stesso concetto sarà applicato alla robotica. I robot auto-riparanti e auto-guariti aiuteranno la società in futuro, svolgendo compiti difficili e lavori che la persona media non sarebbe in grado di gestire.

La stampa laser a due colori è un importante upgrade

Il lavoro svolto da questi ricercatori avrà un impatto significativo sull’industria della stampa 3D in futuro. Ci si può aspettare di vedere più micro-robotica e dispositivi elettronici che sfruttano questo metodo per ridurre i costi e migliorare i risultati. Pertanto, questo team ha posto le basi per una nuova era nella manifattura additiva micro.

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