Stampa 3D DLP: comprendere la fotopolimerizzazione per prevenire le problematiche di produzione

Le stampanti 3D dentali a tecnologia DLP (Digital Light Processing) utilizzano la fotopolimerizzazione per creare gli oggetti tridimensionali: comprendere il processo di fotopolimerizzazione è quindi una buona base per poter affrontare le tipiche problematiche che possono portare ad errori di stampa o alla bassa qualità degli stampati.

Le stampanti 3D basate sulla tecnologia DLP convertono in oggetto solido una resina liquida contenente fotomeri, monomeri o oligomeri. Questo processo sfrutta la chimica dei polimeri sensibili alla luce, per creare oggetti complessi con proprietà ottiche, chimiche o meccaniche programmabili. Sebbene questo sistema sia estremamente versatile e ricco di potenzialità, richiede tuttavia di seguire specifiche minime, in particolare relativamente alla durata del materiale e agli agenti atmosferici. Per ottenere la riproducibilità su vasta scala, i metodi di produzione additiva si basano sulla sincronia di funzionamento tra hardware, software e processo chimico. Se si imparano a conoscere i fondamenti della polimerizzazione, è possibile evitare le insidie ​​più comuni che contribuiscono a produrre difetti delle parti, distacchi, problemi di post-elaborazione o problemi causati dagli agenti atmosferici.

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Fotopolimerizzazione: un processo dinamico

Un fotopolimero è un polimero le cui proprietà si alterano con l’esposizione alla luce. Si tratta di una miscela liquida contenente monomeri e oligomeri, che possono essere manipolati per ottenere proprietà fisiche specifiche. Il processo di fotopolimerizzazione (noto anche come foto reticolatura) porta alla reticolazione di monomeri/oligomeri all’interno della resina liquida e viene mediato dall’aggiunta di fotoiniziatori, particolari molecole capaci di innescare la reazione chimica se sottoposte alla luce.

La fotopolimerizzazione è un processo complesso e sensibile a tutta una serie di fattori, come ad esempio la lunghezza d’onda della sorgente luminosa, la temperatura ambiente e l’umidità.

Il comportamento del fotopolimero in determinate condizioni di esposizione alla luce (lunghezza d’onda, potenza, tempo di esposizione e velocità) influenza il processo di stampa. Sono disponibili numerosi fotopolimeri che rispondono alle lunghezze d’onda nei range UV (190-400 nm), visibile (400-700 nm) e IR (700-1000 nm): si tratta di una caratteristica importante perchè la luce di diversa lunghezza d’onda penetra nei materiali in modo differente, dando luogo a una diversa profondità di polimerizzazione.

Le proprietà del materiale indurito finale dipendono fortemente dall’estensione e dall’omogeneità della reticolatura polimerizzata .

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Fotopolimerizzazione e stampa DLP

Nella stampa DLP, la luce viene proiettata nella resina polimerica formando un’immagine 2D. Ciò espone contemporaneamente tutte le regioni designate all’interno di uno strato polimerico ed il tempo di stampa complessivo risulta ridotto rispetto alla stereolitografia LSA. L’immagine 2D proiettata è composta da pixel, che diventano voxel quando tradotti in tre dimensioni. I voxel contengono fotopolimeri che passano dallo stato liquido iniziale al punto di gel e poi verso la piena densità di reticolazione.

Ciò può influenzare il processo di stampa 3D in diversi modi. Innanzitutto, la velocità di stampa deve essere calibrata per tenere conto della cinetica della fotopolimerizzazione. In caso contrario, i voxel possono espandersi oltre il loro spazio fisico definito digitalmente, riducendo la risoluzione. Inoltre, la fotopolimerizzazione può causare il restringimento nel polimero indurito. Il restringimento accoppiato a cicli di dilatazione termica e contrazione sperimentati durante il processo di stampa, può indurre stress meccanico sulla parte. Nell’oggetto finito, queste sollecitazioni possono manifestarsi nella deformazione o nella separazione degli strati .

Le strategie per mitigare questi effetti comprendono l’ottimizzazione di software e hardware per selezionare i protocolli di esposizione appropriati e per controllare le influenze ambientali (temperatura e umidità).

Infine, la profondità di polimerizzazione è un parametro importante quando si implementa un protocollo di stampa DLP perché influisce direttamente sulle impostazioni dell’asse z della stampante e può anche influenzare la selezione di parametri di stampa come ad esempio la velocità.

La fase di distacco

Gli oggetti 3D si producono attraverso l’indurimento sequenziale degli strati di un fotopolimero a partire da una base rigida nota come piastra di costruzione. Un passaggio essenziale in qualsiasi processo di stampa 3D è il distacco della parte finita dalla piastra di costruzione. Questo passaggio può rivelarsi problematico a causa della forza adesiva che fissa la parte stampata alla piastra di costruzione. Esistono vari sistemi per staccare i pezzi stampati dalla base di costruzione ma un metodo comune è prevedere alla base dell’oggetto da stampare una base sottile a cui può essere applicata una pressione per distaccare lo stampato finale senza rovinarlo. Tuttavia, questo sistema è adatto solo per fotopolimeri come acrilati e metacrilati mentre una strategia alternativa è quella di modificare la viscosità della resina fotopolimerica liquida. Le soluzioni a bassa viscosità consentono velocità di stampa più elevate e la riduzione delle forze adesive responsabili dell’adesione del materiale indurito alla base di costruzione.

Tutto questo evidenzia un aspetto importante della stampa 3D ossia la relazione tra i materiali fotopolimerici e il design della stampante.

Fotopolimerizzazione e post produzione

Gli stampati 3D da matriale fotopolimerico richiedono una post-elaborazione, necessaria a:

  • rimuovere la struttura di supporto su cui è costruita la parte
  • pulire le parti per rimuovere detriti e materiali residui.
  • effettuare il post-indurimento (solitamente termico o ottico) per indurire completamente determinati materiali.
  • rimuovere la caratteristica di finitura superficiale “squadrata” della stampa DLP.

I requisiti di post-elaborazione dipendono fortemente dalle caratteristiche del fotopolimero, con alcuni materiali che richiedono una modifica più ampia di altri. Le strategie per razionalizzare le operazioni dovrebbero includere la selezione di materiali con requisiti di post-elaborazione limitati ma che resistano ai processi di alterazione per mantenere la durabilità.

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Conclusioni

La resistenza agli agenti atmosferici dei polimeri induriti è un fattore determinante per la durabilità delle parti, in particolare la capacità di mantenere nel tempo la resistenza all’urto. La comprensione della cinetica della fotopolimerizzazione e delle proprietà termodinamiche delle reti polimeriche risultanti, permettono agli sviluppatori di selezionare materiali adatti a minimizzare le problematiche comuni e ottenere i risultati ottimali per le applicazioni dentali. Per tale motivo FeniQX offre il massimo supporto ai professionisti che vogliano essere indirizzati alle resine più performanti. Non solo, FeniQX ha selezionato i materiali migliori in stretta collaborazione con i produttori sia di stampanti 3D che di resine per la stampa 3d dentale.