Resine avanzate per stampa 3D

Una delle principali barriere che la stampa 3D a resina ha sempre affrontato nell'ambito industriale è stata la scarsa varietà di materiali disponibili. Inizialmente, gli unici materiali disponibili erano resine a base di oligomeri acrilici, generalmente a basso peso molecolare, che si caratterizzavano per la elevata fragilità e scarse proprietà meccaniche e termiche. A causa di ciò, la stampa 3D a resina è sempre stata relegata in secondo piano nella produzione di componenti e prototipi funzionali, a favore delle tecnologie di stampa 3D basate su termoplastici come FDM o SLS.

Tuttavia, negli ultimi anni questa situazione è drasticamente cambiata. L'emergere di nuove resine tecniche con proprietà avanzate sviluppate specificamente per determinate applicazioni professionali ha attirato l'attenzione di molti settori su questa tecnologia. Se a ciò si aggiunge l'introduzione di nuove tecnologie di stampa 3D a resina come LED-LCD, che hanno permesso di ridurre i costi e aumentare considerevolmente la velocità di stampa, ci troviamo di fronte a un'alternativa valida, che può persino superare FDM e SLS in alcuni campi di applicazione.

Queste resine tecniche possono essere classificate in tre gruppi a seconda del settore a cui sono destinate:

• Resine per gioielli
• Resine dentali
• Resine ingegneristiche

RESINE PER GIOIELLERIA

Il settore dei gioielli è stato storicamente uno dei primi ad adottare la stampa 3D a resina. Ciò è dovuto all'elevata risoluzione offerta da questa tecnologia, in grado di produrre piccoli modelli in scala 1:1 con alta qualità di finitura.

Immagine 1: Modello di gioielleria stampato in resina. Fonte: uniz.com

Sebbene le resine standard siano ampiamente utilizzate per la produzione di modelli, ciò che ha rappresentato una svolta è stata l'introduzione di resine calcinabili o "castable" di alta qualità. Queste resine si distinguono per il basso residuo durante la calcinazione, il che le rende un perfetto sostituto dei modelli di cera tradizionalmente utilizzati per la fusione.

Grazie a questo è possibile stampare direttamente l'albero di fusione, senza la necessità di realizzare stampi per produrre i master in cera o di assemblare manualmente gli alberi, riducendo le fasi manuali e automatizzando il processo.

Video 1: Preparazione tradizionale di un albero di cera. Fonte: greekerajewelry.com

In generale, questo tipo di resine possono includere un certo quantitativo di cera liquida nella loro composizione al fine di rimuovere eventuali residui di cenere, producendo uno stampo pulito adatto a una fusione di qualità. Un maggiore quantitativo di cera produrrà una calcificazione più pulita e con meno residui, tuttavia, potrebbe influire sulla precisione di stampa. Inoltre, queste resine di solito si caratterizzano per un basso coefficiente di espansione.

Attualmente, sul mercato esistono numerose opzioni di resine calcinabili di alta qualità, compatibili sia con SLA che con DLP o LED-LCD. Spiccano per la loro combinazione di bassi residui, bassa espansione termica e alta precisione le resine "Castable Wax" di Formlabs con il 20% di cera o ZWax Purple con il 10% di cera, compatibile con stampanti DLP e LED-LCD.

Immagine 2: Anello stampato con zWax Purple. Fonte: Uniz.com

RESINE DENTALI

Oltre alla gioielleria, il settore odontoiatrico è stato uno dei primi ad adottare la stampa 3D a resina, ed è attualmente il settore in maggior crescita e quello con il catalogo di materiali più ampio.

Le resine dentali possono essere generalmente raggruppate in quattro categorie in base all'applicazione:

• Resine per modelli dentali.
• Resine per dispositivi di ritenzione e dispositivi ortopedici.
• Resine per corone e ponti temporanei.
• Resine calcinabili.

Resine per modelli dentali

Si tratta di resine che non sono progettate per essere a contatto con il paziente. In generale, vengono utilizzate per la produzione di modelli di pazienti su cui il professionista odontoiatrico o medico può lavorare per pianificare interventi o testare elementi come corone o ponti. Sono simili in composizione alle resine standard e l'obiettivo principale è ottenere alta precisione e risoluzione, nonché bassi costi di produzione.

Immagine 3: Modello stampato in 3D con resina. Fonte: Uniz.com

È anche importante che queste resine abbiano determinate qualità estetiche, distinguendo due gruppi:

• Le resine con finitura opaca, che facilitano la visualizzazione e la fotografia dei modelli, evitando il più possibile la comparsa di riflessi. Tra queste resine spicca la resina Dental Model di Formlabs, con una finitura simile al gesso.
• Le resine che offrono un aspetto realistico, come la resina Dental Pink di Harzlabs.

Resine per dispositivi di ritenzione e apparecchi ortopedici

Queste resine sono destinate alla produzione di dispositivi di ritenzione e apparecchi ortopedici; pertanto, oltre a presentare una biocompatibilità di almeno classe IIa, devono avere una ottima resistenza all'usura e alla frattura.

Un'altra caratteristica comune è che di solito hanno una trasparenza elevata, principalmente per motivi estetici.

Video 2: Produzione di apparecchi ortopedici tramite stampa 3D a resina. Fonte: Formlabs.com

Oltre alla produzione di dispositivi di ritenzione e apparecchi ortopedici, sono molto utilizzate nella fabbricazione di guide chirurgiche grazie alla loro buona compatibilità e alle loro eccellenti proprietà meccaniche. Alcuni produttori, come Formlabs, includono una resina specifica per questa applicazione, come la resina Dental Surgical Guide, che offre una maggiore flessibilità.

Immagine 4: Guide chirurgiche stampate in SLA. Fonte: Formlabs.com

È possibile trovare resine sviluppate per la produzione di dispositivi di ritenzione e apparecchi ortopedici compatibili sia con SLA che con DLP o LED-LCD, come ad esempio Dental LT di Formlabs o Dental Clear di Harzlabs.

Resine per corone e ponti temporanei

Queste resine sono destinate a produrre ponti, corone, restauri e faccette temporanee. Devono essere biocompatibili e fornire una finitura simile ai denti originali.

Per ottenere questa finitura, di solito si utilizzano componenti ceramici e coloranti che forniscono tonalità all'interno della scala VITA.

Immagine 5: Campionario colori VITA. Fonte: vita-zahnfabrik

Dopo la stampa, queste resine possono essere levigate e modellate con rivestimenti fotosensibili per ottenere la finitura ideale per ogni paziente.

Si distinguono la resina Temporary CB di Formlabs, disponibile in quattro tonalità VITA (A2, A3, B1 e C2), e la resina Dental Sand di Harzlabs, disponibile nelle tonalità A1 e A2.

Resine calcinabili

Resine simili a quelle utilizzate nella gioielleria. In questo caso, la necessità di produrre la minima quantità possibile di residui è ancora più critica.

Sono principalmente impiegate nella produzione di modelli per la fabbricazione di impianti dentali mediante fusione. Si distingue la resina Dental Cast di Harzlabs, con un residuo inferiore allo 0,1%.

RESINE PER L'INGEGNERIA

Il settore industriale e dell'ingegneria è sempre stato il più restio ad adottare la stampa 3D a resina. Ciò è principalmente dovuto al fatto che, a livello meccanico e termico, le resine non possono competere con i materiali ingegneristici disponibili per la FDM o con le poliammidi utilizzate nella SLS.

Anche se ciò rimane vero ancora oggi, negli ultimi anni i progressi nei materiali e l'emergere di nuove resine per l'ingegneria stanno riducendo le differenze tra le diverse tecnologie di stampa 3D. Tra le resine per l'ingegneria possiamo trovare tre gruppi:

• Resine con proprietà meccaniche migliorate
• Resine con proprietà termiche migliorate
• Resine flessibili ed elastiche

Resine con proprietà meccaniche migliorate

Si tratta di resine sviluppate con l'obiettivo di fornire una minore fragilità e un modulo maggiore rispetto alle resine standard. Mentre le resine standard come la Harzlabs Basic Resin offrono una resistenza alla trazione di 20 MPa, le nuove resine per l'ingegneria come l'Ultracur3D RG50 di BASF forniscono una resistenza alla trazione di fino a 68 MPa, tre volte superiore. Questa resistenza alla trazione è superiore persino a quella fornita dai filamenti ABS e si avvicina a materiali come il nylon rinforzato con cariche.

Sono state introdotte anche resine per l'ingegneria con altre proprietà specifiche, come elevata resistenza all'usura o resine resistenti agli urti.

Immagine 6: Confronto della resistenza agli urti di diverse resine Formlabs. Fonte: Formlabs.com

Tra le resine con elevata resistenza agli urti, spicca la linea Ultracur3D High Impact di BASF. Queste resine offrono una resistenza alla trazione di 50 MPa con una deformazione alla rottura del 56%, un modulo di flessione di 1700 MPa e una resistenza agli urti di 1,39 J/m². Ciò le rende ideali per la produzione di componenti meccanici e prototipi funzionali.

Immagine 7: Resina Ultracur3D RG35 di BASF. Fonte: forward-am.com

Resine con proprietà termiche migliorate

La resistenza termica è sempre stata uno dei punti deboli delle resine per la stampa 3D. In generale, tutte le resine hanno temperature di rammollimento comprese tra 50 °C e 80 °C.

Immagine 8: Confronto della temperatura di deflessione termica di diverse resine Formlabs. Fonte: Formlabs.com

Attualmente l'offerta di resine per applicazioni ad alta temperatura è molto limitata, con particolare rilievo per la resina High Temp di Formlabs. Si tratta di una resina in grado di resistere a temperature fino a 142 °C dopo la polimerizzazione (a una pressione di 0,45 MPa). Il principale vantaggio di questa resina è che è possibile aumentarne la resistenza termica fino a 238 °C mediante un trattamento termico delle parti che prevede il riscaldamento a 60 °C per un'ora e successivamente a 160 °C per un'ora e mezza.

Resine flessibili ed elastiche

Uno dei principali limiti delle resine per la stampa 3D è sempre stata la loro elevata fragilità, una proprietà indesiderata in ingegneria. È per questo che l'emergere negli ultimi anni di resine flessibili ed elastiche ha rappresentato una vera rivoluzione.

Immagine 9: Confronto tra resina flessibile 80A e resina elastica 50A. Fonte: FormLabs.

Attualmente esistono molte opzioni sia per SLA che per LED-LCD. Per quanto riguarda SLA, spiccano le resine Flexible 80A ed Elastica 50A. La resina Flexible 80A è una resina estremamente flessibile, con una deformazione alla rottura del 120% e una durezza 80 Shore A, mentre la resina Elastica 50A è una resina con una buona elasticità, una deformazione alla rottura del 160% e una durezza 50 Shore A.

Tuttavia, uno dei progressi più significativi in questo tipo di materiali è la nuova linea di resine flessibili ed elastiche di BASF. Si tratta di resine basate su oligomeri di uretano acrilato, che offrono la massima flessibilità ed elasticità tra le resine attualmente disponibili. Ad esempio, la resina BASF Ultracur3D FL300, con una durezza di soli 37 Shore A, offre una deformazione alla rottura fino al 306%.

Immagine 10: Resina Ultracur3D FL60 di BASF. Fonte: forward-am.com

Negli ultimi anni, l'offerta di materiali per la stampa 3D a resina è cresciuta in modo esponenziale, includendo nuovi materiali con proprieta che possono eguagliare e in alcuni casi persino superare quelli offerti dai termoplastici per la FDM. Ciò, unito al fatto che la stampa 3D in resina offre un'isotropia superiore rispetto a quella ottenuta con la FDM, fa sì che sia una soluzione fattibile in molte applicazioni industriali e di ingegneria.