Mentre le stampanti 3D tradizionali funzionano depositando strati di materiale, la fabbricazione additiva volumetrica tomografica (TVAM) prevede la proiezione di luce laser su una fiala rotante di resina fino a farla indurire quando l’energia accumulata supera una certa soglia. Uno dei vantaggi della TVAM è che può produrre oggetti in pochi secondi, rispetto ai circa 10 minuti della stampa 3D a strati. Ma lo svantaggio è che è altamente inefficiente, poiché solo circa l’1% della luce codificata raggiunge la resina per produrre la forma desiderata.
Gli scienziati dell’Applied Photonic Devices Laboratory dell’EPFL, guidati da Christophe Moser, e del Photonic Engineering Centre dell’Università della Danimarca meridionale, guidato da Jesper Glückstad, hanno presentato su Nature Communications un metodo TVAM che riduce considerevolmente la quantità di energia necessaria per fabbricare oggetti, migliorando al contempo la risoluzione. La tecnica prevede la proiezione di un ologramma tridimensionale di una forma su una fiala rotante di resina. A differenza della TVAM tradizionale, che codifica le informazioni in termini di 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 dei pixel contribuiscono all’immagine olografica in tutti i piani, il che ci permette di ottenere una migliore efficienza luminosa e una migliore risoluzione spaziale nell’oggetto 3D finale, poiché i modelli proiettati possono essere controllati nella profondità di proiezione", riassume Christophe Moser.
Nel lavoro recentemente pubblicato, 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.
Copiare strutture biologiche complesse
Gli ologrammi sono stati generati con una tecnica chiamata HoloTile, inventata da Jesper Glückstad. HoloTile prevede la sovrapposizione di diversi ologrammi di un modello di proiezione desiderato ed elimina l’interferenza casuale della luce, nota come rumore speckle, che altrimenti creerebbe immagini sgranate. Sebbene la fabbricazione volumetrica olografica sia già stata segnalata in passato, l’approccio del team congiunto EPFL-SDU è il primo a produrre oggetti stampati in 3D con una tale fedeltà, soprattutto grazie all’uso di HoloTile.Maria Isabel Alvarez-Castaño, studentessa dell’EPFL e autrice principale, spiega che un’altra caratteristica speciale dell’approccio olografico è che i fasci olografici possono essere "autoriparanti", ossia possono propagarsi attraverso una resina senza essere disturbati da piccole particelle. Questa proprietà di autoriparazione è essenziale per la stampa 3D con bioresine e idrogeli carichi di cellule, rendendolo un metodo ideale per le applicazioni biomediche.
"Vogliamo utilizzare il nostro approccio per costruire forme 3D complesse di strutture biologiche, consentendoci di biografare modelli a grandezza naturale di tessuti o organi, ad esempio", spiega Maria Isabel Alvarez-Castaño.
In futuro, il team mira a migliorare ulteriormente l’efficienza del metodo a due fasi. Christophe Moser spiega che, con alcuni miglioramenti informatici, l’obiettivo finale è quello di utilizzare la produzione volumetrica olografica per realizzare oggetti proiettando semplicemente un ologramma su una resina, senza doverlo ruotare. Questo potrebbe semplificare ulteriormente la produzione volumetrica additiva e aumentare il potenziale di processi produttivi ad alto volume ed efficienza energetica. Aggiunge che il fatto che gli ologrammi possano essere codificati utilizzando hardware commerciale standard rafforza la praticità dell’approccio.
"L’aggiunta olografica alla tecnologia TVAM apre la strada alla prossima generazione di sistemi di produzione volumetrica additiva efficienti, precisi e veloci", conclude.
