I fotopolimeri per la stampa 3D
I fotopolimeri sono polimeri e resine caratterizzati dalla capacità di assorbire una porzione della luce e diventare solidi e compatti. La luce assorbita dal polimero, come un interruttore, permette indurire il materiale attivando la reazione chimica che porta il liquido a creare nuovi legami, resistenzi e interpenetrati. Questo processo si chiama fotopolimerizzazione.
La fotopolimerizzazione
Questo processo è analogo alla classica polimerizzazione, ma è basato su una reazione fotochimica ottenuta mediante l’induzione di energia emessa da sorgenti di radiazione elettromagnetica:
E=h·ν
dove “h” è la costante di Planck e “ν” la frequenza della radiazione elettromagnetica.
Una tipica sorgente elettromagnetica sono i raggi UV. La polimerizzazione, nella fattispecie la fotopolimerizzazione, assembla piccole molecole, dette “monomeri”, in catene di molecole che si ripetono in sequenza, dette “polimeri”. La reazione chimica è di tipo esotermico, ovvero con emissione di calore ed è accelerata grazie all’impiego di un catalizzatore, solitamente un radicale libero, generato termicamente o fotochimicamente. I radicali liberi generati mediante il processo fotochimico si ottengono grazie ad un fotoiniziatore che reagisce con la radiazione attinica, in questo caso i fotoni della luce ultravioletta, ovvero quel tipo di radiazione in grado di agire chimicamente su diverse sostanze. La luce attinica, quindi, agisce sul fotoiniziatore producendo un radicale libero il quale catalizza il processo di polimerizzazione. Affinché questo abbia luogo correttamente le catene di polimeri dovranno essere saldamente formate in un reticolo stabile che eviti la redissoluzione in monomeri liquidi. Le strade percorribili sono due: una lunga esposizione, come nel caso delle tecnologie DLP (che quindi allunga di molto i tempi di produzione) o il più rapido utilizzo di un laser ad elevata potenza.
Composizione chimica dei fotopolimeri per la stampa 3D SLA/DLP
I fotopolimeri utilizzati per le stampanti 3D sono costituiti da molecole a catena lunga, derivanti dalla formazione di legami e legami incrociati tra molecole di monomero e oligomero. Nella stereolitografia (SLA) la reazione di polimerizzazione viene avviata dalla formazione di molecole di radicali liberi a partire dalla rottura di una molecola di fotoiniziatore irradiata dalla luce blu/UV.
Questi radicali liberi danno inizio alla formazione di catene costituite dalle molecole di monomero e oligomero, trasformando la resina liquida in un solido. Esistono diverse famiglie di fotopolimeri utilizzati nelle stampanti SL: nel processo vengono utilizzate resine epossidiche, uretaniche e di acrilato. Le resine di acrilato sono quelle normalmente utilizzate per la realizzazione di modelli per la cottura diretta nella microfusione. Queste resine sono simili al metilmetacrilato (MMA), la resina utilizzata per produrre il materiale lucido a cui solitamente pensiamo quando sentiamo la parola acrilico. I fogli di plastica trasparente che vediamo in commercio sono costituiti da polimetilmetacrilato (PMMA), ovvero MMA polimerizzato. Le resine fotopolimeriche SL, tuttavia, generalmente sono molecole più complesse dell’MMA. La composizione delle resine utilizzate nelle stampanti 3D è generalmente segreta, ma un produttore (Autodesk) ha rilasciato la formula di una delle resine con licenze open source. La composizione è la seguente:
Fotoiniziatore: 2,4,6-trimetilbenzoil-difenil-phosphineoxide (TPO) 0,40%
Schermatura UV: 2,2 '- (2,5-thiophenediyl) bis (5-ter-butylbenzoxazole) (OB +) 0,16%
Diluente reattivo: Genomer 1122 19.89%
Oligomero: Ebecryl 8210 39.78%, Sartomer SR 494 39.77%.
Le molecole di monomero e oligomero costituiscono quasi l’80% della formula, fungendo da elementi di base del polimero finale. La molecola di monomero è l’elemento che si ripete in una catena polimerica mentre la molecola di oligomero è costituita da più monomeri progettati con una struttura specifica che funge da legame tra le catene polimeriche. La molecola di oligomero viene scelta per migliorare le proprietà del polimero e può addirittura integrare nella resina altri tipi di famiglie di polimeri come gli epossidi o gli uretani in modo da formare legami incrociati nella catena polimerica di acrilato.
Un diluente reattivo è una molecola di monomero che presenta una viscosità inferiore. Viene utilizzato al posto di un solvente per ridurre la viscosità della soluzione di monomero/oligomero a una consistenza utilizzabile senza il restringimento che verrebbe prodotto dal solvente. In questo modo il diluente reattivo viene legato alla struttura tramite polimerizzazione anziché dover evaporare come farebbe un solvente; costituisce il 20% circa della formula. Il fotoiniziatore che avvia la polimerizzazione del monomero e un bloccante UV per limitare la penetrazione degli UV costituiscono il resto della resina liquida.