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.

Fonte – Optica