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Le esigenze tecnologiche del campo medico alimentano continuamente lo sviluppo dell’ingegneria medicale e delle moderne capacità produttive. Vengono impiegate tecnologie sempre più avanzate per introdurre progetti che cambiano lo stile di vita in prodotti pronti per il consumatore.
Una di queste tecniche è il Carbon Digital Light Synthesis (DLS), una tecnologia di stampa 3D che consente la produzione di parti in elastomeri ingegnerizzati che superano di gran lunga i materiali usati nella stereolitografia (SLA) o nell’elaborazione digitale della luce (DLP). Questo articolo illustra i vantaggi della stampa 3D in Carbon DLS nel settore medicale.
Che cos’è il Carbon DLS?
Il Carbon DLS utilizza un processo denominato CLIP, che sta per Continuous Liquid Interface Production. Il CLIP è composto da 2 step come descritto di seguito:
Passaggio 1 – Stampa
La stampa in Carbon DLS è simile alla stampa SLA poiché entrambi implicano l’uso di un serbatoio di resina e un sistema di proiezione della luce per realizzare parti solide. Queste, tuttavia, sono le uniche due somiglianze tra le tecnologie. Nel Carbon DLS, viene utilizzato uno schermo permeabile che consente il passaggio delle molecole di ossigeno ma mantenendo il polimero allo stato liquido all’interno della vasca.
L’ossigeno crea uno strato limite microscopico tra lo schermo e l’interfaccia del liquido noto come zona d’ombra. Questo strato di ossigeno impedisce alla resina di solidificarsi direttamente a livello dello schermo, consentendole di fluire continuamente nella zona d’ombra e dando vita alle proprietà isotropiche per cui sono note le parti stampate con la tecnologia Carbon DLS.
Passaggio 2 – Solidificazione
Quando il processo di formatura è completo e vengono estratte dalla macchina, le parti realizzate con determinati materiali avanzati non sono ancora completamente polimerizzate. Tali parti devono subire un’ulteriore solidificazione termica in un forno prima di poter acquisire le loro proprietà meccaniche complete.
Il calore accelera la formazione di legami nelle catene polimeriche, dando vita a parti estremamente resistenti e robuste.
I materiali di Carbon DLS
Per apprezzare al massimo i vantaggi offerti dalla stampa 3D in Carbon DLS nel settore medicale, dobbiamo dapprima chiarire la differenza tra anisotropia e isotropia.
Anisotropia
Le proprietà meccaniche dei componenti/materiali anisotropici variano se misurate su piani diversi. Le parti stampate in 3D sono in genere di natura anisotropa a causa della loro struttura strato su strato. Un esempio è una parte stampata in FDM creata stratificando i livelli sull’asse z.
Le interfacce tra strati consecutivi sono punti deboli in cui è probabile che si sviluppino cricche e che in seguito porteranno a rotture se si impone una forza sulla parte lungo l’asse z. Sugli assi x e y, invece, questi punti deboli sono assenti e applicare un carico su questi assi non comporta alcun problema.
Pertanto la parte è meccanicamente più debole sull’asse z, rispetto a x e y. L’anisotropia non è una proprietà adatta alle parti progettate per l’industria medica poiché questi componenti sono comunemente impiegati in applicazioni complesse in cui lo stress può essere applicato in qualsiasi direzione.
Isotropia
Le parti o i materiali isotropi, a differenza delle loro controparti anisotrope, hanno le stesse caratteristiche lungo tutti gli assi. Le loro proprietà sono le stesse indipendentemente dalla direzione in cui viene applicato il carico e dalle proprietà misurate.
Questo comportamento materiale/parte è fondamentale nei prodotti che ricevono carichi multidirezionali elaborati. Non molti processi di stampa 3D sono in grado di creare parti isotropiche. La tecnologia unica alla base di Carbon DLS lo rende uno dei pochissimi processi di stampa 3D in grado di produrre parti isotropiche.
Quali sono i materiali disponibili?
Il Carbon DLS è un processo unico in quanto può stampare elastomeri con caratteristiche di resistenza e resilienza simili alla gomma. Vediamone alcuni di seguito.
- Uretano Metacrilato (UMA 90) – Questo materiale è simile alla resina SLA standard in quanto non necessita di indurimento termico post-stampa.
- Poliureatano Rigido (RPU 70) – Grazie alla sua tenacità, robustezza e resistenza al calore, questo materiale è eccellente per le parti di produzione.
- Poliuretano Flessibile (FPU 50) – Questo materiale è una variante flessibile della gamma di resine poliuretaniche. Aggiunge resistenza alla fatica e tenacità.
- Estero di Cianato (DLS CE 221) – Si tratta di un polimero rigido con un’eccezionale resistenza alle alte temperature. Possiede anche un’alta resistenza e rigidità.
- Epossidica (DLS EPX 82) – Questa rigida resina epossidica possiede proprietà meccaniche eccellenti ed è ideale per la stampa di componenti strutturali.
- Silicone (SIL 30) – Una proprietà che rende questo morbido silicone uretano molto richiesto nell’industria medica è la sua biocompatibilità. Possiede anche una buona resistenza alla lacerazione.
- Poliuretano Elastomerico (EPU 40) – Questo materiale ha ottime caratteristiche di assorbimento urti e smorzamento delle vibrazioni.
I materiali sopra descritti forniscono un’ampia gamma di resistenza alla trazione, tenacità, resistenza alla fatica, all’abrasione e molte altre proprietà. Qualunque sia l’applicazione, uno o più di uno tra questi materiali saranno adatti.
Ognuna di queste caratteristiche è richiesta in applicazioni mediche in cui solitamente le parti subiscono elevati livelli di stress ciclico o sono necessarie per fornire un’elevata precisione quando impiegate per preparazioni chirurgiche o come guide di test.
Applicazioni in campo medicale della stampa 3D Carbon DLS
Applicazione #1 – Guide/Strumenti
Il Carbon DLS può stampare componenti che aiutano i chirurghi a posizionare con precisione trapani e altri strumenti chirurgici. L’alta velocità e il basso costo di questo mezzo di stampa consentono di stampare guide personalizzate dei pazienti sulla base di una risonanza magnetica o scansioni 3D.
In questo modo, ogni parte è realizzata esattamente su misura per il fisico del paziente, migliorando così l’accuratezza chirurgica e riducendo i rischi.
Applicazione #2 – Preparazioni per operazioni chirurgiche
Per prepararsi a interventi chirurgici complessi, i medici spesso analizzano i dati dei pazienti come le scansioni MRI o TC. La moderna stampa 3D in carbonio ha consentito ai medici di studiare un paziente molto meglio prima dell’intervento, stampando rappresentazioni a grandezza naturale degli organi di un paziente sulla base di tali scansioni.
Applicazione #3 – Protesi
La creazione di protesi personalizzate e generiche è una delle applicazioni più utilizzate della stampa 3D in carbonio nel settore medico. Le protesi su misura, in passato, erano generalmente piuttosto costose da creare tramite i metodi di produzione tradizionali. Tuttavia, FDM e altre tecnologie di stampa basate sul deposito di strati non sono in grado di produrre parti meccanicamente valide.
Ma con la tecnologia di stampa Carbon DLS, le protesi possono adesso essere prodotte a basso costo, utilizzando materiali di alta qualità tecnica e con le giuste caratteristiche per incrementarne le prestazioni.
Applicazione #4 – Apparecchi acustici
Gli apparecchi acustici sono un’altra tecnologia medica che beneficia immensamente della flessibilità delle stampe in Carbon DLS. Questi dispositivi devono adattarsi perfettamente alla forma del condotto uditivo del paziente per lavorare correttamente.
Il Carbon DLS è in grado di realizzare stampe estremamente accurate che si adattano all’orecchio del paziente. Inoltre, gli apparecchi acustici e altri gadget per la protezione uditiva possono essere realizzati con comodi elastomeri più morbidi che possono essere stampati solamente tramite Carbon DLS.
Applicazione #5 – Prototipazione
L’ingegneria medica dipende da rigorosi cicli di ricerca e sviluppo per concepire un prodotto. È necessario realizzare diversi prototipi per testare a fondo l’adattamento, la forma e la funzionalità di un design. Usando il Carbon DLS, potete scegliere materiali più economici adatti a produrre rapidamente prototipi funzionali. Lo stesso processo può anche essere utilizzato per i prodotti finali
Conclusione
Siccome l’industria medica continua a generare novità sempre più avanzate, sono necessarie apparecchiature di produzione altrettanto all’avanguardia per portare queste innovazioni sul mercato in modo rapido ed economico senza comprometterne qualità e funzionalità.
Per saperne di più su come sfruttare la stampa 3D Carbon DLS nel settore medico, utilizzate lo strumento di quotazione istantaneo di Xometry per realizzare preventivi di costi per il vostro dispositivo medico.
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