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38– Processi Vat Photopolymerization - Coggle Diagram
38– Processi Vat Photopolymerization
Vat Photopolymerization (VP)
o Termine generale che include i processi di fotopolimerizzazione additiva – VP processes
o Processi di fotopolimerizzazione utilizzano:
Materiali
• resine liquide, curabili con radiazioni o fotopolimer
Energia
• diversi tipi di radiazione (UV, x-rays, γ-rays…) maggior parte reagisce alle
radiazioni ultraviolette (UV) o sistemi di luce visibile
Processo
• quando irradiati, fotoni trasferiscono carica ai monomeri che diventano
reattivi polimerizzazione (reazione complessa)
o Diverse configurazioni di processo:
Vector scan (point-wise)
irradia per punti (linee) attraverso un fascio - tipico della
stereolitografia
(c’è fase di recoating)
(layer-wise)
irradia interi layer alla volta (c’è fase di recoating)
LINE WISE
SOLID GROUND CURING
DIRECT LIGHT PROCESSING
Two photon
approccio ad alta risoluzione punto per punto (intersezione di 2 fasci laser sotto superficie non necessita recoating)
TWO -PHOTON VP
• Fotopolimeri sviluppati alla fine degli anni '60 e applicati in diverse aree
commerciali:
• stampa
• rivestimenti
• In particolare:
• rivestimenti lucidi su carta e cartone
• in odontoiatria utilizzate resine foto-curabili, per sigillare le superfici superiori dei denti per riempire le scanalature profonde e prevenire le cavità
• Primo processo di patterning e modellazione dei fotopolimeri stereolitografia
Fotopolimeri curabili UV
o In primis usati come fotoresists nell’industria microelettronica
o Fotopolimeri di base
• Acrilati: alta reattività ma problemi di precisione legati a ritiro e curling
• Epossidiche: alta precisione, resistenza e bassi ritiri, ma bassa velocità di fotopolimerizzazione, sensibilità all’umidità e fragilità delle parti curate
• Epossidiche con gruppi acrilati: combinano i vantaggi delle due tipologie di polimero
• Altre resine ibride con viniletere
o VP photopolymers includono diversi componenti:
• Fotoiniziatori
reagiscono con i monomeri per iniziare le catene polimeriche
• Diluenti reattivi
• Flessibilizzanti
• Stabilizzanti
• Monomeri liquidi
o Fotopolimeri esposti a giusta radiazione subiscono un crosslinking non reversibile
o Sviluppo di singole composizioni con marchi commerciali spesso funzionalizzati in base al tipo di macchina
o Principali caratteristiche:
• elevata reattività alla radiazione laser utilizzata
• viscosità stabile e controllabile
• limitata volatilità
• limitata tossicità
• basso ritiro
• bassa energia di attivazione
• buone proprietà meccaniche dopo polimerizzazione
Stereolitografia
Stereolitografia (SLA)
o Supporti nell’SLA
• Supporti sempre necessari
• Realizzate nello stesso materiale della parte e devono essere rimosse manualmente dopo la stampa
• Bottom-up e top-down supportano in modo diverso:
• Top-down necessari per sporgenze e ponti (angolo di sporgenza critico 30°).
Parte può essere orientata in qualsiasi posizione.
• Bottom-up, necessari per sporgenze e ponti (con area trasversale ridotta): forze in fase peeling possono causare distacco dalla piattaforma (F area sezione trasversale layer).
Parti sono orientate con angolo inclinazione
o Caratteristiche SLA
• Sistemi SLA parametri di stampa fissati dal produttore (non modificabili: laser spot,
scanning speed) input sono:
• altezza layer (tra 25 e 100 µm)
• orientamento della parte
• Due configurazioni principali della macchina SLA:
• Top-down
(Industrial)
• posizionano la sorgente laser sopra il serbatoio e la parte è costruita rivolta verso l'alto. Inizio parte superiore della vasca e piattaforma muove verso il basso
Vantaggi
Grandi dimensioni di build
Più veloci
Svantaggi
Alti costi
Operatori specializz.
Elevati costi cambio mat.
Dimensioni di build
Fino a 1500 x 750 x 500 mm
Spessori layer
25-150 μm
Accuratezza
±0.15%
• Bottom-up (desktop)
• posizionano la sorgente sotto il serbatoio di resina e la parte è costruita rivolta verso il basso. Serbatoio ha un fondo trasparente (passaggio fascio laser)
• Dopo ogni strato, la resina curata viene staccata dal fondo del serbatoio
(peeling) e piattaforma muove verso l’alto
Svantaggi
Dimensioni parti ridotte
Pochi materiali
Post-processing
Vantaggi
Economici
Ampiamente disponibili
Dimensioni di build
Fino a 145 x 145 x 175 mm
Spessori layer
25-100 μm
Accuratezza
±0.5%
o Curling in SLA
• Curling è uno dei maggiori problemi in SLA
• Solidificazione/polimerizzazione shrinkage resina se considerevole - stress interni arricciatura della parte
o Approccio generativo SLA
Utilizza piattaforma di costruzione immersa in un serbatoio pieno fotopolimero liquido ad una distanza pari all’altezza del layer da generare
Utilizza un laser UV a punto singolo che crealo strato curando e solidificando la resina
Il laser cura la resina punto per punto ricreando il pattern 2D del singolo layer del modello utilizzando una serie di specchi (galvos)
Quando un layer è finito, la piattaforma si muove e c’è il recoat della superficie con resina liquida.
Il processo viene quindi ripetuto fino al completamento della parte
Dopo la stampa, la parte richiede un'ulteriore post-elaborazione sottola luce UV per migliorare le proprietà meccaniche
o Adesione dei layer in SLA
• Parti SLA proprietà meccaniche isotropiche singolo passaggio laser UV non cura completamente la resina
• Migliori proprietà meccaniche parti devono essere post-curate UV
• Successivo laser porta strati prima solidificati a fondersi insieme
• Strategia di riempimento hatching distance
o Storia
• Primo processo di RP nel mondo
• Tecnologia brevettata nel 1984
• Commercializzato nel 1988 da 3D -System Inc.
o Vantaggi SLA:
• Parti con precisione dimensionale molto elevata e dettagli intricati
• Finitura superficiale molto liscia (ideali per prototipi visivi)
• Disponibili materiali SLA speciali, resine chiare, flessibili.
o Materiale subisce solidificazione point-to-point per esposizione a raggio laser che induce
fotopolimerizzazione
o Limitazioni SLA
• Parti generalmente fragili e non adatte per prototipi funzionali
• Proprietà meccaniche e l'aspetto degradano alla luce solare (vernici acriliche resistenti agli UV)
• Bottom-up dimensione pezzi limitata
• Strutture di supporto sempre necessarie
• Post-elaborazione necessaria (cura + rimozione segni)
Altri processi VP
o Solid Ground Curing (SGC)
• SGC è un processo mask projection VP
• Step:
Fotopolimero viene spruzzato sulla piattaforma
Foto-maschera del negativo del layer stampata su lastra di vetro (processo elettrostatico con toner)
Maschera esposta ai raggi UV per indurire selettivamente forma del layer
Dopo la cura del layer, resina liquida in eccesso aspirata
Cera fusa viene distribuita per riempire i vuoti
Superficie fresata (livellata), poi processo si ripete per layer successivo
Alla fine, parte de-cerata immergendo in bagno di solvente
• Materiali:
Fotopolimero: base acrilica ad alta viscosità (shelf life 6 mesi- protetta da luce e T<50°C)
Cera: idrosolubile (shelf life illimitato a T< 90°C)
Toner: elettrostatico solido, sotto forma di polvere nera fine
• Caratteristiche
Altamente produttivo interi layer prodotti in una sola volta
o due schermi di vetro alla volta: una maschera utilizzata, maschera successiva in preparazione
Assenza di supporti e post-trattamenti di cura
Macchine più complesse
Materiale in eccesso non recuperabile
Necessità sistema di aspirazione (pericolo bolle)
o Direct Light Processing (DPL)
• DLP è un mask projection VP process
• Cura simultaneamente un intero layer alla volta (1990)
• Differenza principale rispetto a SLA:
• DLP utilizza un proiettore di luce digitale per irraggiare immagine del layer in un’unica volta
• Il proiettore è uno schermo digitale, l'immagine di ogni livello è composta da pixel quadrati
• DLP può ottenere tempi di stampa più veloci rispetto al SLA per alcune parti (intero
livello è esposto tutto in una volta, anziché tracciare l'area di sezione trasversale)
• Processo
• Vasca con fotopolimero liquido
• Maschera digitale di elaborazione della luce uso dispositivi digitali microspecchi (DMD)
• Fotopolimerizzazione avviene come proiezione immagine in bianco e nero
del layer attraverso maschera digitale
• Costruzione del modello avviene in modalità bottom-up (volumi di costruzione
limitati)
• Tempo di cura per strato è indipendente dalla complessità della geometria del layer
o Two-Photon VP:
• Inventato nel 1970 per parti tridimensionali (precede SLA di 10 anni)
• Il fotoinitiatore richiede due fotoni che lo colpiscano per decomporsi per formare un radicale libero che può avviare la polimerizzazione.
• L'effetto (requisito di due fotoni) aumentare notevolmente la risoluzione dei processi di fotopolimerizzazione -> solo vicino al centro del laser è l'irradiazione abbastanza alta da garantire che due fotoni colpiscano la stessa molecola fotoinziatore.
• Primo approccio: utilizzati due laser per irradiare fasci si intersecano e densità dei fotoni abbastanza alta per fotopolimerizzazione.
• Più recentemente: laser ad alta potenza, la vasca è scansionata da 3D scanning
o parti sono state costruite dal basso verso l'alto
o viscosità della resina è sufficiente a evitare che la parte tenda a galleggiare