Feniqx: il più semplice sistema di calibrazione universale per stampanti a resina

Le principali tecnologie presenti nelle stampanti 3D usate nel settore odontoiatrico e odontotecnico utilizzano delle resine fotosensibili, ossia che si induriscono quando vengono colpite selettivamente da sorgenti luminose UV. Il modo in cui questo spettro luminoso viene generato è la discriminante per identificare il tipo di tecnologia usata per la stampa 3d dentale:

  • se la sorgente luminosa è fornita modulando un raggio laser si parla di stampanti a tecnologia Laser SLA
  • se la sorgente luminosa è fornita con un videoproiettore si parla di tecnologia DLP
  • se la sorgente luminosa è fornita da un pannello LCD retroilluminato si parla di tecnologia LCD

Regole generali di calibrazione della resina

Le stampanti DLP e LCD condividono molte più caratteristiche rispetto alle stampanti SLA, ma per tutte le regole generali per calibrare correttamente una resina sono:

  1. la polimerizzazione deve rimanere confinata esattamente nelle aree definite durante il processo di slicing, ossia quella fase che permette di convertire il modello 3D in istruzioni per la stampante 3D, impostando tutti i parametri di stampa;
  2. levono essere opportunamente compensate dal software le deviazioni dimensionali dovute al post-curing, ossia il processo con cui si completa la polimerizzazione stabilizzando il modello in resina dopo la stampa.

Esempio applicativo:

Immagine1L’area illuminata sul fondo della vaschetta è un quadrato avente lato 50×50. Questo quadrato viene rappresentato dal sistema luminoso sul fondo della vaschetta, con una precisione che deriva dalla taratura del produttore della stampante e che fa parte delle caratteristiche tecniche del dispositivo. Il compito dell’utilizzatore della stampante dentale è quello di riuscire, con i mezzi a disposizione, a controllare con precisione tutto quello che avviene sopra il fondo della vaschetta e che porta la resina ad indurirsi correttamente confinata nell’area 50×50.

Panoramica delle resine in commercio

In commercio esistono moltissime resine di marche diverse ( Pro3dure, Nexdent, Detax, Dentona, Applylabwork…). Alcuni produttori propongono per lo stesso tipo di applicazione resine già diversificate per la tecnologia specifica della stampante (SLA , LDP o LCD). Altri produttori distribuiscono resine che, stando alle caratteristiche tecniche fornite, sono compatibili con tutte le tecnologie. Si trovano sul mercato anche resine che reagiscono solo se colpite da luce ad una determinata frequenza. Esistono inoltre resine molto reattive alla luce visibile, capaci anche di indurire al contatto con la luce di uno schermo LCD, chiamate resine daylight.

Non tutte le stampanti riescono a lavorare bene con resine di terze parti, ad esempio quelle che utilizzano una fonte luminosa a frequenza attorno i 460 nm.
Pertanto da questo articolo si escludono le Stampanti Daylight su cui non è possibile tarare le resine a 385 nm e 405 nm, che sono gli standard su cui si concentrano i maggiori produttori di resine biocompatibili e non. Si considerano invece le stampanti DLP ed LCD di cui si riportano le procedure applicative di calibrazione della resina ideate e sperimentate dall’azienda FeniQX, uno dei principali distributori di stampanti DLP in Europa.

Metodo FeniQX di Calibrazione di una resina di terze parti sulla stampante a tecnologia SLA, DLP e LCD

Per avere la sicurezza di stampare i file correttamente sia dal punto di vista dell’esposizione che dal punto di vista dimensionale, FeniQX ha individuato 2 possibili calibrazioni per le stampanti che devono essere eseguite correttamente una dopo l’altra:

  • Calbrazione dell’esposizione
  • Calibrazione dimensionale

Di seguito il dettaglio delle calibrazioni proposte.

Calibrazione dell’esposizione

Un’esposizione corretta permette di avere un indurimento degli strati esattamente confinati nell’area, o nelle aree, elaborate durante il processo di “Slicing” (affettamento). In questo processo il software taglia a strati gli oggetti predisposti nell’area di stampa e ricava le aree che devono essere proiettate ( nel caso di DLP o LCD ) o percorse ( nel caso di laser SLA ).

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Questo procedimento, che a volte viene illustrato con sistemi molto complicati e difficili da capire, FeniQX lo ha reso molto semplice grazie ad un file “STL” (fornito da FeniQX su richiesta) che contiene le istruzioni per realizzare due blocchetti, uno maschio e uno femmina, che una volta stampati e trattati con un adeguato post-curing (lavaggio e polimerizzazione in box UV idoneo) dovranno essere inseriti l’uno nell’altro.

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Dopo aver incastrato i pezzi l’utente dovrà leggere nel blocchetto dotato di finestra il valore numerico raggiunto che va da 1 a 5.
In pratica se i due blocchetti non si incastrano o se si incastrano appena vuol dire che l’esposizione della resina è stata eccessiva e l’indurimento si è propagato oltre i perimetri delle immagini proiettate causando un ingrossamento dei pezzi stampati.

Se invece i pezzi di incastrano fino in fondo alla scala, significa che l’esposizione non è stata sufficiente e le aree illuminate non si sono indurite correttamente lungo i perimetri causando un effettivo sottodimensionamento dei pezzi stampati.
Tarando l’esposizione (o cambiando i profili di stampa nelle stampanti che non permettono di intervenire nei parametri) si ripete la prova di stampa finché i due blocchetti non si incastrano fino a 3 – 3,5

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Nella figura a sinistra, un tipico esempio di parametri da impostare per ottenere la corretta esposizione nelle stampanti LCD o DLP:

A – Spessore “Slicing” (Altezza degli strati). Maggiore è l’altezza dello “Slicing” maggiore è il volume da indurire e maggiore sarà il tempo dell’esposizione.
B – Tempo di esposizione standard per ogni strato
C – Generalmente il tempo di pausa che intercorre tra il momento in cui il piatto di stampa raggiunge l’altezza corretta dentro la vaschetta e il momento in cui inizia l’esposizione.
D – Tempo di esposizione per i primi strati.
E – Si sovraespone la resina per aumentare l’adesione dei primi strati al piatto di stampa.

In generale si può seguire questa regola :

I blochetti non si incastrano: Diminuire esposizione 30%
I blochetti si incastrano a 1 : Diminuire esposizione 10%
I blochetti si incastrano a 2 : Diminuire esposizione 5%
I blochetti si incastrano a 3 : Esposizione corretta
I blochetti si incastrano a 4 : Aumentare esposizione 5%
I blochetti si incastrano a 5 : Aumentare esposizione 10%

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Calibrazione dimensionale

Nella calibrazione dimensionale lo scopo è quello di scalare precedentemente l’oggetto in X ed Y (coordinate cartesiane) in modo da compensare l’effetto di espansione o contrazione della polimerizzazione che avviene nel processo di curing durante la stampa o all’interno del box di polimerizzazione.
Questa scalatura è in genere permessa nel software della stampante ma eventualmente può essere fatta in un software esterno come Meshmixer liberamente scaricabile da internet (http://www.meshmixer.com/download.html)

Per controllare questa deformazione naturale di ogni elemento termoplastico durante la fase di stampaggio, FeniQX ha escogitato un metodo sicuro per avere la certezza delle corrette dimensioni dell’oggetto 3D alla fine del processo di stampa, assicurando anche il corretto fitting tipico degli elementi dentali.
Si tratta di confrontare tramite accoppiamento un calibro stampato con la stampante e un pezzo in alluminio fresato da una fresatrice a controllo numerico di precisione che garantisce scostamenti di tolleranza molto al di sotto delle nostre necessità ( la dima di controllo e il file STL del calibro sono acquistabili contattando il personale commerciale di FeniQX )
Di seguito sono rappresentati il calibro stampato e la relativa dima di controllo:

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Le immagini seguenti invece rappresentano il relativo accoppiamento che ci mostra la bontà della nostra stampa :

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Inoltre per facilitare il tutto, attorno al calibro sono state previste una serie di battute dove con un calibro digitale si possono verificare tutte le misure più importanti per tarare correttamente la scalatura preventiva del pezzo nei due assi XY.

Esempio:
Se nel calibro stampato e opportunamente trattato nel post-curing, dove teoricamente si dovrebbe misurare 54 si misura invece 54.2, allora la scalatura da attuare in quell’ asse è pari a 54/54.2=0.996

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Comunque il riferimento più importante a disposizione è senza dubbio il corretto accoppiamento tra i due pezzi, facendo attenzione che il calibro stampato arrivi fino in battuta sulla base della dima.

Conclusione

Se vengono portati a termine con successo i due processi di calibrazione sopra descritti significa che la stampante è pronta per produrre dei modelli opportunamente “curati” e dimensionalmente corretti.