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Stampanti 3D SLA-DLP,conosciamole!



In questo articolo ci concentreremo sulla stereolitografia (SLA) e sull’elaborazione digitale della luce (DLP), ovvero, sui due processi più comuni per la stampa 3D basata sull'utilizzo di resina allo stato liquido.

Le basi: significato di fotopolimerizzazione

La fotopolimerizzazione è una tecnica che utilizza una sorgente luminosa (visibile o ultravioletta,UV) al fine di avviare una reazione chimica. Tale reazione causa la solidificazione di un materiale liquido, termoindurente e reattivo alla luce chiamato, resina, attraverso un meccanismo detto “processo di indurimeto” (curing).

Questo è ciò che avviene quando stampiamo in 3D a resina. I parametri che variano durante questo processo sono la fonte di luce utilizzata per l’illuminazione e il modo in cui la sorgente luminosa viene guidata sulla resina liquida da solidificare.

Stereolitografia (SLA)

La stereolitografia, sviluppata nel 1986 da Chuck Hull, fondatore di ''3D Systems'', è la prima tecnica di prototipazione rapida creata. In questa tecnologia di stampa, un raggio laser viene utilizzato per ottenere la fotopolimerizzazione di una resina liquida in maniera selettiva, in modo da formare strati solidi sottili sovrapposti (layer) fino alla realizzazione finale dell’oggetto.

I pezzi realizzati con questo procedimento sono caratterizzati da un’elevata precisione, isotropia e rifinitura superficiale liscia.

Principio funzionamento stampante SLA

Una resina fotosensibile non polimerizzata viene versata in una vasca e successivamente colpita da un raggio laser. Il processo di stampa ha inizio solo quando la piattaforma di stampa viene immersa nella vasca contenente la resina liquida. Un raggio laser viene quindi diretto su due specchi mobili (galvanometri), che orientano la luce verso le coordinate XY apposite. Il polimero liquido, essendo sensibile ai raggi UV, nel momento in cui viene colpito andrà incontro a solidificazione. Il raggio laser, controllato dal computer, andrà a riprodurre sulla resina liquida i contorni della stampa che si vuole realizzare. Le parti colpite dalla luce andranno quindi incontro a polimerizzazione, al contrario delle altre che rimarranno liquide. Una volta finito il primo strato, la piastra di costruzione si muoverà infinitesimamente verso l’alto, lungo l’asse Z, per far filtrare la resina liquida tra lo strato neo indurito e il fondo della vasca. Il ciclo sarà quindi ripetuto fino alla realizzazione dell’intero oggetto, (Figura 1).


Figura 1. Illustrazione componenti stampante SLA (https://www.superficilab.com/stampa-3d--- sla.html).

Dopo aver completato il processo di stampa, l’oggetto viene rimosso dal serbatoio contenente la resina e il liquido in eccesso viene utilizzato per stampe future. Successivamente, le parti realizzate vengono private delle strutture di supporto, levigate e rifinite. È importante precisare che la risoluzione di una stampante 3D lungo l’asse Z è determinata dall’accuratezza del sistema meccanico dell’asse stesso, dal firmware e dal software implicati nel controllo del movimento. Invece, la risoluzione sull’asse XY, dipende dal diametro del raggio laser.

DLP

La tecnologia DLP a differenza della SLA utilizza come sorgente luminosa uno schermo di proiezione digitale (LCD) per proiettare l’intero fascio luminoso sullo strato di resina da polimerizzare. Quindi la particolarità di questa tecnica di stampa è che il fascio di luce proveniente dal proiettore indurisce contemporaneamente tutti i punti appartenenti allo stesso strato.

Principio funzionamento stampante DLP

Come le stampanti SLA, anche le DLP sono costruite attorno ad una vasca contenente resina con fondo trasparente ed un piatto di stampa che viene immerso nel serbatoio di resina per creare i vari strati che costituiscono l’oggetto. Il principio di funzionamento è quindi lo stesso spiegato in precedenza per le stampanti SLA.

Quello che cambia è il fascio di luce utilizzato.


Figura2. Illustrazione componenti stampante DLP (www.pcube.it). In questa tecnologia di stampa il fascio di luce viene riflesso su un Digital Micromirror Device (DMD), ovvero una maschera dinamica, costituita da una serie di specchi di dimensioni microscopiche disposti in una matrice su un chip semiconduttore. La resina liquida viene polimerizzata seguendo le coordinate stabilite dalla rapida commutazione dei minuscoli specchi che dirigono la luce verso il fondo della vasca contenete la resina. Dal momento che il proiettore è uno schermo digitale, l’immagine di ogni strato è composta da pixel quadrati. Questo implica la formazione di uno strato 3D formato da piccoli cubetti rettangolari chiamati voxel. Nel caso di queste stampanti, ciò che determina la risoluzione sull’asse XY è la dimensione dei pixel quadrati. Di conseguenza, maggiore è la risoluzione nativa del proiettore, maggiore è la risoluzione di ogni livello proiettato. Determinante è anche la distanza focale tra la lampada del proiettore e l’area di stampa. Infatti, più ci si allontana, più l’area di stampa aumenta di dimensione e di conseguenza anche i suoi pixel. Questa è la ragione per cui nelle stampanti DLP possiamo avere risoluzioni diverse che corrispondono ad aree di stampa inversamente proporzionali.


SLA-DLP: workflow per la creazione dell’oggetto

Per entrambe le tecnologie di stampa descritte, i passaggi da seguire per la realizzazione degli oggetti sono i seguenti (Figura 3):

  1. Progettazione: costruzione tridimensionale dell’oggetto tramite CAD 3D e conseguente esportazione del modello nel formato STL.

  2. Stampa: dopo la conferma delle impostazioni corrette ha inizio il processo di stampa vero e proprio, le stampanti in questione possono lavorare senza supervisione fino alla fine della stampa.

  3. Cura post-stampa: a stampa ultimata, segue il lavaggio delle parti in alcool isopropilico (IPA) per rimuovere l’eventuale eccesso di resina non polimerizzata dalla superficie. Dopo il lavaggio e l’asciugatura, alcuni materiali funzionali come quelli per l’ingegneria o le parti biocompatibili, necessitano di un ulteriore fotopolimerizzazione post-stampa per consentire un ulteriore indurimento al fine di ottenere una maggiore durezza e stabilità.

  4. Rimozione dei supporti: l’utente rimuove il materiale di supporto e leviga i segni rilasciati dagli stessi al fine di ottenere una finitura pulita.

Figura 3. Schematizzazione passaggi da seguire per la realizzazione degli oggetti.

Materiali e applicazioni

Uno dei principali vantaggi della stampa 3D basata su resina è la larga varietà di polimeri termoplastici fotosensibili reperibili in commercio per la creazione di parti destinate a diverse applicazioni. Infatti, in funzione dell’oggetto che si vuole realizzare, si sceglieranno: materiali morbidi o duri, con rinforzi secondari come vetro o ceramica, oppure dotati di proprietà meccaniche specifiche che garantiscono un’elevata temperatura di distorsione termica o resistenza all’impatto.

Grazie alla considerevole varietà di materiali disponibili per la stampa 3D basata su resina i campi di applicazione di questa tecnologia comprendono diversi settori che hanno lo scopo di raggiungere un’estrema precisione e piccoli dettagli, tra cui:

  • Odontoiatria ed odontotecnica: per la produzione di svariati modelli 3D in protesica ed ortodonzia, in modo preciso, pratico ed efficace.

  • Gioielleria: per la prototipazione rapida di oggetti, per far fronte ai problemi di instabilità presente con il tradizionale intaglio a cera, ottenendo quindi parti regolari e dettagliate.

  • Medicina: per la creazione di modelli di training in campo chirurgico e di dispositivi su misura per il singolo individuo, consentendo alle strutture un notevole risparmio di tempo e costi.


Qui di seguito sono elencate le tre principali categorie di resine utilizzate in campo odontoiatrico ed odontotecnico:


  • Resine SG: per la creazione di guide chirurgiche.

  • Resine Model: resine utilizzate per la stampa di modelli.

  • Resine trasparenti: per la realizzazione di bite ortodontici.

Breve riassunto : SLA vs DLP

Nella ''Tabella 1'' segue un breve riassunto delle caratteristiche principali presentate dalle due tecnologie di stampa descritte nell’articolo.

Tabella 1. Sommario delle principali proprietà presentate dalle tecnologie di stampa 3D a resina.


Conclusioni

Questo articolo non vuole essere scientifico e spiegare nel dettaglio tutti i possibili aspetti della stampa 3D a resina, ma vuole dare un’idea più chiara di cosa sia.

Se la stampante utilizzata è costruita correttamente, non esiste una tecnologia migliore dell’altra. Tutto dipende sempre da cosa si vuole stampare e da cosa si adatta meglio alle singole esigenze.


Nel prossimo articolo andremo a trattare alcune stampanti SLA-DLP interessanti nel settore Odontoiatrico ed Odontotecnico.


PER MAGGIORI INFORMAZIONI O CHIARIMENTI:

Dott.ssa Giada Violo, Ingegnere Biomedico. Laureata in Ingegneria Biomedica presso il Politecnico di Torino e specializzata in Rehabilitation engineering and Biomaterials presso l’Università degli studi Genova. Il confronto costruttivo e multidisciplinare mi ha spinta ad intraprendere percorsi importanti durante la mia carriera universitaria, ovvero il tirocinio della laurea triennale presso il Centro traumatologico Ortopedico di Torino (CTO) e successivamente il tirocinio della laurea specialistica presso l’Università Tecnica della Danimarca, DTU, della durata di sei mesi. Attualmente sono coinvolta in una collaborazione di ricerca presso l’Università Sigma Clermont, in Clermont Ferrand (Francia), dove mi occupo dell’ottimizzazione dal punto di vista ingegneristico di un fotoreattore utilizzato per la produzione di Idrogeno.

Contatti: giada.violo@gmail.com - +39 320 9286988



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Risorse utili per la stesura dell’articolo:


  • https://formlabs.com/it/blog/guida-definitiva-stampa-3d-stereolitografia- sla/#Ambiti%20di%20applicazione%20della%20stampa%203D%20SLA

  • https://formlabs.com/it/blog/confronto-tecnologie-stampa-3d-sla- dlp/#Come%20funzionano%20le%20stampanti%203D%20DLP%3F

  • https://www.lumindustries.com/blog-it/2019/11/8/guida-definitiva-alle-tecnologie-di-stampa-3d

  • https://www.punto-informatico.it/sla-e-dlp-massima-espressione-della-stampa-3d/

  • https://prototek.it/stereolitografia-sla/

  • https://www.ralph-dte.eu/2017/01/28/stampa-3d-stereolitografia-sla-parte-1-tecnica/

  • http://www.stamparein3d.it/come-funziona-una-stampante-3d-dlp-meglio-stampanti-3d-sla-o- dlp24394-2/

  • https://www.pcube.it/it/carima-tm200

  • https://www.3de-shop.com/it/come-funziona-la-stampa-3d-con-tecnologia-dlp/

  • https://formlabs.com/blog/resin-3d-printer-comparison-sla-vs-dlp/#Surface%20Finish

  • Chee Meng Benjamin Ho, Sum Huan Ng†, King Ho Holden Li and Yong-Jin Yoon†, 3D Printed Microfluidics for Biological Applications. DOI: 10.1039/x0xx00000x.This journal is The Royal Society of Chemistry 20xx.

  • Finnes, Tyler (2015) "High Definition 3D Printing – Comparing SLA and FDM Printing Technologies", The Journal of Undergraduate.Research: Vol. 13, Article 3.

  • Ksawery Szykiedans, Wojciech Credo (2015), “Mechanical properties of FDM and SLA low-cost 3-D prints”, Faculty Of Mechatronics, Warsaw University of Technology, ul. Boboli 8, 02-525 Warszawa, Poland.

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