Veloci o precisi:entrambi non possono essere raggiunti nella produzione delle strutture polimeriche più fini con il laser. O forse possono? La combinazione di stereolitografia e polimerizzazione multifotonica dovrebbe renderlo possibile:gli scienziati del Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT stanno sviluppando una macchina per l'alta precisione, tecnologie di costruzione 3D convenienti utilizzando entrambi i metodi. Il 1 novembre, 2018, Fraunhofer ILT e i suoi partner di progetto hanno lanciato il progetto "Alta produttività e dettaglio nella produzione additiva attraverso la combinazione di polimerizzazione UV e polimerizzazione multi-fotone - HoPro-3-D", finanziato dall'Unione europea e dallo stato del Nord Reno-Westfalia.

Insieme a LightFab GmbH di Aquisgrana, Bartels Mikrotechnik GmbH di Dortmund e Miltenyi Biotec GmbH di Bergisch Gladbach, gli esperti del Fraunhofer ILT stanno sviluppando una nuova macchina per la produzione di strutture polimeriche macroscopiche con una risoluzione fino al submicrometro. Finora, a questo scopo sono disponibili diversi processi separati:polimerizzazione UV basata su laser, come, Per esempio, stereolitografia (SLA) o array di microspecchi (DLP), e polimerizzazione multifotonica (MPP) su scala microscopica.

Nel processo SLA, un laser UV scrive una struttura bidimensionale in un bagno di resina, provocando la polimerizzazione del materiale fotosensibile. Il componente viene abbassato passo dopo passo e viene costruita una struttura 3D a strati. Per la maggior parte, la velocità di accumulo è ben al di sopra di 1 mm³ al secondo. La stampante 3D più recente utilizza motori a luce LED UV e un chip DLP (Digital Light Processor) al posto dello scanner. Ciò consente di parallelizzare l'esposizione, aumentando così la velocità di costruzione. Entrambi i metodi raggiungono una risoluzione massima superiore a 10 μm.

La polimerizzazione multifotone è adatta per la costruzione di strutture ancora più fini. In questo processo, l'energia fotonica necessaria è generata da intensi impulsi laser con lunghezze d'onda nel campo del visibile o dell'infrarosso, con diversi fotoni a bassa energia che si sommano virtualmente a un fotone UV. Il vantaggio è l'altissima precisione fino a 100 nm in tutte e tre le direzioni spaziali; però, la velocità di costruzione qui è solo di circa 10 μm³ al secondo.

Risparmiare tempo con due sistemi in una macchina

I partner del progetto stanno ora combinando il processo basato su DLP con il processo MPP e stanno sviluppando una macchina con due sistemi di esposizione selezionabili per alti tassi di costruzione o alta precisione. Utilizzano LED ad alte prestazioni che emettono a una lunghezza d'onda di 365 nm e un chip DLP con risoluzione HD per la litografia. Il modulo MPP utilizza un laser a femtosecondi con uno scanner veloce e un'ottica da microscopio.

"Il vantaggio risiede nell'interazione tra le due procedure:a seconda della necessità, intendiamo passare tra i sistemi di esposizione nel processo, " spiega il dottor Martin Wehner, Responsabile del progetto HoPro-3-D presso Fraunhofer ILT. "La sfida che affrontiamo è nel controllo di processo. Il concetto è stato sviluppato, attualmente si sta costruendo una macchina adeguata."

Inoltre, software di controllo è in fase di sviluppo, che deciderà autonomamente – sulla base dei dati CAD – quando ha senso un cambiamento tra le due fonti. La linea di fondo è che questa transizione funziona senza intoppi e le strutture possono essere costruite in una vasca di resina senza dover cambiare la fotoresina. Il team di progetto sta esaminando diversi materiali e ottimizzando in dettaglio la combinazione di processi.

Applicazioni non solo in biomedicina

Molti componenti hanno un corpo che può essere assemblato rapidamente, ma anche certe strutture che richiedono alta precisione. La combinazione di processi consente, Per esempio, elementi di funzione ottica come lenti o prismi da integrare direttamente in un componente più grande con grande precisione. Grazie a questo approccio, si può plausibilmente costruire ottiche collimatrici complete per la lettura di informazioni ottiche nella tecnologia di analisi.

I campi di applicazione sono molteplici, ma questa macchina dovrebbe rivelarsi molto interessante per la produzione di componenti utilizzati nella tecnologia delle analisi biomediche. Ponteggi di supporto per modelli di tessuto 3D, componenti micromeccanici o sistemi microfluidici completi sono tipici esempi di applicazione per questo.