Stampa 3D più accurata con gli ologrammi

Gli scienziati hanno utilizzato proiezioni olografiche per conferire una risoluzione senza precedenti a una tecnica di stampa 3D basata sulla luce. Il metodo consente la fabbricazione di oggetti in scala millimetrica in pochi secondi utilizzando molta meno energia rispetto agli approcci precedenti

Mentre le stampanti 3D tradizionali funzionano depositando strati di materiale, la produzione additiva volumetrica tomografica (TVAM) prevede di puntare la luce laser su una fiala rotante di resina finché non si indurisce, dove l'energia accumulata supera una certa soglia. Un vantaggio della TVAM è che può produrre oggetti in pochi secondi (1), rispetto ai circa 10 minuti della stampa 3D basata su strati. Ma uno svantaggio è che è molto inefficiente, perché solo circa l'1% della luce codificata raggiunge la resina per produrre la forma desiderata.

I ricercatori del Laboratory of Applied Photonic Devices dell'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) (2), guidato dal dottor Christophe Moser (3), e del Centre for Photonics Engineering dell'University of Southern Denmark, guidato dal dottor Jesper Glückstad (4), hanno segnalato un metodo TVAM su Nature Communications (5) che riduce significativamente la quantità di energia richiesta per fabbricare oggetti, aumentando al contempo la risoluzione. La tecnica prevede la proiezione di un ologramma tridimensionale di una forma sulla fiala rotante di resina. A differenza del TVAM tradizionale, che codifica le informazioni nell'ampiezza (altezza) delle onde luminose proiettate, il metodo olografico sfrutta la loro fase o posizione.

Questo piccolo cambiamento ha un grande impatto. «Tutti gli input pixel contribuiscono all'immagine olografica su tutti i piani, il che ci offre una maggiore efficienza luminosa e una migliore risoluzione spaziale nell'oggetto 3D finale, poiché i pattern proiettati possono essere controllati nella profondità di proiezione», riassume Moser.

Nel lavoro pubblicato di recente, il team ha stampato oggetti 3D complessi, come barche in miniatura, sfere, cilindri e opere d'arte, in meno di 60 secondi con una precisione eccezionale, utilizzando una potenza ottica 25 volte inferiore rispetto agli studi precedenti.

«L'aggiunta olografica alla tecnologia TVAM getta le basi per la prossima generazione di sistemi di produzione additiva volumetrica efficienti, precisi e rapidi». Sostiene il dottor Cristoforo Moser.

Imitazione di strutture biologiche complesse

Gli ologrammi vengono generati utilizzando una tecnica chiamata HoloTile, inventata da Glückstad. HoloTile prevede la sovrapposizione di più ologrammi di un pattern di proiezione desiderato ed elimina l'interferenza luminosa casuale chiamata speckle noise che altrimenti creerebbe immagini granulose. Sebbene la produzione additiva volumetrica olografica sia stata segnalata in precedenza, l'approccio del team congiunto EPFL-SDU è il primo a produrre oggetti stampati in 3D ad alta fedeltà, in gran parte grazie all'uso di HoloTile.

La dottoressa Maria Isabel Alvarez-Castano (6), studentessa dell'EPFL e autrice principale, spiega che un altro aspetto unico dell'approccio olografico è che i fasci olografici possono essere resi “auto-riparanti”, ovvero possono diffondersi attraverso una resina senza essere deviati da piccole particelle. Questa proprietà di auto-riparazione è essenziale per la stampa 3D con bio-resine e idrogel caricati con cellule, rendendo il metodo ideale per applicazioni biomediche.

«Siamo interessati a utilizzare il nostro approccio per costruire forme complesse 3D di strutture biologiche, permettendoci di bio-stampa, ad esempio, modelli di tessuti o organi a livello di vita», afferma Alvarez-Castaño.

Andando avanti, il team mira a migliorare l'efficienza del loro metodo. Moser afferma che con alcuni miglioramenti computazionali, l'obiettivo finale è quello di utilizzare la produzione di additivi volumetrici olografici per fabbricare oggetti semplicemente proiettando un ologramma su una resina, senza aver bisogno di ruotarlo. Ciò potrebbe semplificare ulteriormente la produzione di additivi volumetrici e aumentare il potenziale per processi di fabbricazione ad alto volume ed efficienti dal punto di vista energetico. Aggiunge che il fatto che gli ologrammi possano essere codificati utilizzando apparecchiature commerciali standard aumenta la praticità dell'approccio.

«L'aggiunta olografica alla tecnologia TVAM pone le basi per la prossima generazione di sistemi di produzione additivi volumetrici efficienti, precisi e rapidi», riassume.

Riferimenti:

(1) Objects can now be 3D-printed in opaque resin

(2) Laboratory of Applied Photonics Devices ‐ EPFL

(3) Christophe Moser

(4) Jesper Glückstad

(5) Holographic tomographic volumetric additive manufacturing

(6) Maria Isabel Alvarez-Castano

Descrizione foto: Il metodo consente la fabbricazione di oggetti su scala millimetrica in pochi secondi. - Credit: LAPD EPFL.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Holograms boost 3D printing efficiency and resolution