Addio stampa 3D a strati: il metodo che la fa sparire in appena 20 secondi

Un gruppo di ricercatori della University of Utah, afferenti al John and Marcia Price College of Engineering, ha messo a punto un nuovo approccio alla stampa 3D capace di superare uno dei limiti storici delle tecniche di stampa a strati: la formazione di giunture tra un layer e l'altro, spesso responsabili di perdite e punti di debolezza strutturale.

La tecnica, descritta in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications, sfrutta una maschera su scala nanometrica che diffrange la luce laser generando un pattern olografico corrispondente alla forma desiderata, permettendo di solidificare il materiale in un'unica esposizione. L'intero processo richiede circa 20 secondi, un tempo nettamente inferiore rispetto alle ore necessarie con altri metodi di stampa basati su laser.

Rajesh Menon, professore del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica

La ricerca è stata condotta da Rajesh Menon, professore del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, insieme al collaboratore di laboratorio Dajun Lin. Nel corso degli esperimenti, il team ha dimostrato la possibilità di stampare più forme in sequenza, con una modalità che ricorda il funzionamento di una linea a nastro trasportatore.

Il principio: dalla fotolitografia 2D alla terza dimensione

Il progetto trae ispirazione dalla fotolitografia, tecnica consolidata nella microfabbricazione, estendendone però i principi alla tridimensionalità. Il materiale utilizzato per le stampe è un substrato fotosensibile chiamato SU-8, ampiamente impiegato proprio in ambito fotolitografico. Si tratta di un polimero organizzato in catene molecolari filamentose che, quando esposte alla luce laser, si legano tra loro (crosslinking) e induriscono. Le porzioni di substrato non esposte alla luce restano invece prive di questo legame e possono essere rimosse tramite lavaggio, lasciando solo la forma voluta.

Nella fotolitografia bidimensionale tradizionale, la forma finale viene definita da una maschera opaca che impedisce alla luce di raggiungere le zone del substrato che non devono indurirsi. Questo approccio funziona bene in due dimensioni, perché la luce deve interagire solo con la superficie del materiale. Il salto verso la tridimensionalità introduce però una complicazione non banale: il laser deve attraversare l'intero volume del substrato per indurirlo in profondità, e poiché il materiale non è perfettamente trasparente, il fascio subisce deviazioni durante il tragitto, generando effetti di sfocatura che comprometterebbero la precisione della stampa.

Una lente nanostrutturata per compensare la diffrazione

Per risolvere questo problema, il gruppo di ricerca guidato da Menon ha progettato una maschera basata su una lente a struttura nanometrica, capace di compensare in anticipo la diffrazione introdotta dal substrato stesso. Posizionata davanti alla sorgente luminosa, questa maschera indirizza l'energia del laser esclusivamente verso il volume di materiale che dovrà costituire la forma finale, contrastando gli effetti di dispersione che altrimenti degraderebbero il risultato.

Grazie a questo accorgimento, i ricercatori sono riusciti a realizzare microstrutture complesse con rapporti dimensionali fino a 120:1. Lo stesso Menon ha descritto queste strutture come "2D estese" piuttosto che vere strutture tridimensionali: pur possedendo lunghezza, larghezza e altezza, il controllo diretto degli sperimentatori riguarda solo le prime due dimensioni. Per illustrare il concetto, Menon ha utilizzato una metafora culinaria: la maschera agirebbe come uno stampo per biscotti che ritaglia una forma complessa da un impasto spesso, mentre il laser "cuoce" contemporaneamente l'interno della struttura, conferendo al risultato finale una solidità meccanica adeguata.

Applicazioni su microtubuli e test di resistenza

Le caratteristiche intrinseche della tecnica la rendono particolarmente adatta alla realizzazione di pattern reticolari di microtubuli, strutture che presentano dettagli estremamente fini in due dimensioni estesi il più possibile lungo la terza. Utilizzando questo metodo, il team ha stampato assemblaggi di microtubuli con diametri individuali fino a 6 micrometri, sottoponendoli successivamente a una serie di test.

I ricercatori hanno illustrato diversi modelli reticolari per i loro array di microtubuli

Le verifiche hanno riguardato sia la resistenza meccanica delle strutture, tramite prove di compressione, sia la loro funzionalità come canali per il trasporto di liquidi sfruttando l'effetto capillare, con risultati positivi in entrambi i casi.

Prospettive future

Al momento, il gruppo di ricerca sta lavorando per superare il limite della "2D estesa" e sviluppare una versione della tecnica in grado di controllare la geometria lungo tutte e tre le dimensioni spaziali in modo indipendente, un passaggio che potrebbe ampliare ulteriormente il ventaglio di applicazioni pratiche del metodo, dalla microfluidica alla fabbricazione di componenti su microscala.